基于定子双绕组异步发电机的变频交流发电体系关键技术研究

Large Aircraft is one of the 16 major special projects of the National Medium-and-long-term Science and Technology Development Plan. Variable frequency AC power systems tend to be used in larger aircraft power supply system, but the dynamic performance of normal three-stage electric brushless excitation synchronous generator of Variable Frequency Power System (VFPS) is poorer and more complex. In this application, a novel construction of variable frequency AC power systems based on dual stator-winding induction generator is researched. This generator has the robust and reliable structure because of its cage rotor,so it can run in high speed and be controlled easily. For aerospace applications,the topology of this VFPS and its optimal design method are proposed. The theories of steady state,transient state and asymmetric operation are also analyzed. Besides,for this novel variable power system,the establishment of its mathematical model, the high dynamic performance control with the frequency of 360 to 800Hz at high speed, the waveform quality control method and dual function of start and generation are all need to investigate. The success of this application will serve as a competitively alternative scheme for the variable frequency power supply system of China's large aircraft.

大飞机是我国中长期科学和技术发展规划提出的十六个重大专项之一，大飞机的电源体系倾向于采用变频交流供电体系，而三级式电励磁无刷同步发电机的变频发电系统方案存在动态性能不佳、系统复杂等不足。本申请研究基于定子双绕组异步发电机的变频交流发电系统方案，将发挥笼型定子双绕组异步发电机结构坚固可靠、可高速运行、可控性好的优势，提出航空应用的系统拓扑组成及其优化设计方法，分析新型发电系统的稳态、暂态、不对称运行的理论问题，建立系统数学模型，解决360~800Hz变频高速运行范围的高动态性能的控制问题，提出波形质量控制方法，实现起动发电双功能，本申请的成功研究将为我国大飞机变频电源体制提出一个有竞争力的可选方案。

本项目针对大型飞机的变频交流发电系统，探索研究一种新颖的基于新型定子双绕组异步电机（DWIG）变频交流发电系统解决方案。经过四年的努力，课题组对其技术性能与特点进行了比较全面的探究，掌握了该系统设计和控制的基本规律，搭建了实验验证平台，能在变速变负载条件下同时输出恒压变频交流电能和高压直流电能，电能品质能达到美军标MIL-STD-704F规定的飞机电源系统动静态性能指标要求。.本项目的研究中主要完成了以下内容和创新工作：1、本项目提出了DWIG变频交流发电系统的关键参数综合优化方法，可有效减小系统体重、重量；获得了电机本体参数、滤波电感、励磁电容等关键参数的取值原则和具体方法，解决了系统关键参数优化设计问题。2、本项目提出了DWIG变频交流发电系统的转差频率控制策略，基于瞬时功率平衡原理，同时考虑了有功信息和无功信息，通过快速调节转差频率，使得输入输出功率平衡，使得电源系统具有较高的动静态品质。3、本项目首次完成了DWIG变频交流发电系统负载不对称运行分析和突然短路瞬态分析，获得了物理解析分析方法，使得DWIG变频交流发电系统的基础理论研究基本齐备，有助于系统的优化设计及向实用化推进。4、本项目研究了DWIG变频交流发电系统的低载波比的调制策略，采用了带有磁链追踪的同步调制策略，并联合使用FPGA与DSP，使得系统在高速运行时载波比时保证发电波形的高品质。5、提出了新型定子双绕组异步电机变频交流发电系统带非线性负载时的谐波补偿方法，利用在静止坐标系下的VR调节器优秀的选频特性，谐波电流给定可直接选取带补偿的负载电流，大大简化了控制。6、本项目提出了一种DWIG变频交流发电系统无速度传感器起动发电控制方法，解决了无速度传感器起动发电控制问题。.本项目执行期间，培养3名博士、名硕士；共发表（录用）学术论文19篇，其中，SCI收录期刊论文7篇，EI收录期刊论文6篇，EI收录会议论文6篇；申请发明专利14项，其中已授权6项。