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可變頻變壓器數(shù)學(xué)模型及仿真分析

(發(fā)布日期：2014-5-7 14:08:00) 來源：

隨著電力技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了更具優(yōu)勢的新型異步電網(wǎng)互聯(lián)裝置——可變頻變壓器(variable frequency transformer，VFT)，VFT能夠很好地克服HVDC的缺陷，并且已經(jīng)在加拿大魁北克省投入運行。可變頻變壓器VFT的主體結(jié)構(gòu)是定、轉(zhuǎn)子均為三相繞組的旋轉(zhuǎn)變壓器，其轉(zhuǎn)子由直流電機(jī)和電力電子拖動系統(tǒng)控制，以改變與定子的相對位置，從而快速調(diào)節(jié)功率的傳輸。

采用可變頻變壓器VFT進(jìn)行異步電網(wǎng)互聯(lián)的構(gòu)想十分新穎，但所使用的技術(shù)都是成熟技術(shù)，如水力發(fā)電和抽水蓄能發(fā)電技術(shù)、雙饋電機(jī)技術(shù)、電力電子的變速拖動技術(shù)。基于可變頻變壓器VFT的面對面異步電網(wǎng)互聯(lián)技術(shù)將是背靠背異步聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有力競爭者。可變頻變壓器VFT的諸多優(yōu)勢已被廣泛關(guān)注，但由于其問世時間不長，相關(guān)文獻(xiàn)較少，人們對可變頻變壓器VFT數(shù)學(xué)模型的分析和數(shù)值仿真的研究更不充分。本文將以可變頻變壓器VFT的結(jié)構(gòu)和基本原理為基礎(chǔ)推導(dǎo)可變頻變壓器VFT的數(shù)學(xué)模型并提出控制策略，探索可變頻變壓器VFT的數(shù)值仿真模型和仿真分析方法，以便深入了解可變頻變壓器VFT的各種特性。

1、可變頻變壓器VFT的基本結(jié)構(gòu)及工作原理
可變頻變壓器VFT主要包括3部分：旋轉(zhuǎn)變壓器、直流驅(qū)動電機(jī)和集電環(huán)。旋轉(zhuǎn)變壓器由定、轉(zhuǎn)子三相繞組組成，轉(zhuǎn)子與直流電機(jī)同軸，集電環(huán)負(fù)責(zé)在三相轉(zhuǎn)子繞組與系統(tǒng)靜止母線之間傳導(dǎo)電流。

可變頻變壓器VFT實際上是一個可連續(xù)調(diào)節(jié)的移相變壓器，其核心部件是具有三相定子與轉(zhuǎn)子繞組的旋轉(zhuǎn)變壓裝置，運行時轉(zhuǎn)子側(cè)連接一個電網(wǎng)，定子側(cè)連接另一個電網(wǎng)。在轉(zhuǎn)子軸上安裝有直流驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組，通過直流電機(jī)的驅(qū)動力矩來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和角度。當(dāng)三相繞組接入電網(wǎng)時，其中將流過三相對稱電流，產(chǎn)生頻率為50 Hz的旋轉(zhuǎn)磁場。不考慮直流電機(jī)的作用，定、轉(zhuǎn)子繞組所產(chǎn)生的磁場之間的相角為零，不存在功率的傳輸。當(dāng)直流電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使得該相角不為零時，將有功率流過可變頻變壓器VFT，且與旋轉(zhuǎn)變壓器的相角成比例。旋轉(zhuǎn)變壓器所傳送的功率是施加在其轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)矩的函數(shù)。

2、可變頻變壓器VFT的數(shù)字仿真
可變頻變壓器VFT仿真模型分為3個部分：旋轉(zhuǎn)變壓器、直流電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)和功率控制回路。其中直流電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)包括雙饋直流電機(jī)、電力電子整流裝置和轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)系統(tǒng)，功率控制回路包括功率測量環(huán)節(jié)和反饋回路等，旋轉(zhuǎn)變壓器模型可以由PSCAD/ EMTDC中的三相繞線式異步電機(jī)來表征。

電源由單機(jī)無窮大系統(tǒng)表示，額定電壓為230 kV，額定功率為120 MW，內(nèi)阻為1 Ω；定子側(cè)頻率為60 Hz，轉(zhuǎn)子側(cè)頻率為50 Hz；負(fù)荷為100 MW電阻性負(fù)荷。變壓器1、2側(cè)額定電壓比為230 kV/13.8 kV，額定功率100 MVA；三相繞線式異步電機(jī)的額定電壓為13.8 kV，額定功率100 MW，定、轉(zhuǎn)子匝數(shù)比為1。

結(jié)論：
可變頻變壓器VFT數(shù)學(xué)模型揭示了VFT內(nèi)在的電磁、電路關(guān)系。仿真結(jié)果表明：在實際運行中，沒有轉(zhuǎn)矩作用時可變頻變壓器VFT不產(chǎn)生功率的傳輸；當(dāng)施加轉(zhuǎn)矩后，發(fā)生了功率的傳輸，通過改變轉(zhuǎn)矩大小可以平滑地調(diào)節(jié)傳輸功率。這驗證了本文建立的可變頻變壓器VFT數(shù)學(xué)模型的正確性，也說明使用三相繞線式異步電機(jī)代替旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行仿真的思路是可行的。

仿真結(jié)果同時說明了可變頻變壓器VFT在異步電網(wǎng)互聯(lián)中的突出優(yōu)勢：傳輸功率對轉(zhuǎn)矩的響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)平滑，且不產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)的電壓質(zhì)量沒有影響；在電網(wǎng)發(fā)生故障時能夠很好地抑制故障，防止故障的進(jìn)一步傳播。

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