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特种电机系统及其控制

1)变速恒频双馈异步风力发电系统

兆瓦级变速恒频双馈异步风力发电机组是目前国际市场上的主流机组,被国家科技部列为十五”863后续能源重大专项之一。本学科承担了其中的双馈异步风力发电机及其变频控制装置的自主研制任务(批准课题编号:2001AA512021863重大专项)。2003年,本学科研制成功大型双馈风力发电机系统集成设计专用软件,并与兰州电机厂合作,设计并制造出首台国产1MW1.5MW变速恒频双馈异步风力发电机。此后,该设计软件相继转让给上海电机厂、永济电机厂等7家电机厂。该项科研成果的推广对于促进兆瓦级双馈异步风力发电机制造的国产化,起到了积极的作用。2004年和2005年,本学科相继研制成功600KW1.5MW变速恒频双馈异步风力发电机系统,解决了大容量交直交电压型双向变流器的主回路设计、驱动保护电路设计和通风散热设计等问题,自主研制了基于发电机定子磁场定向矢量控制软件和PWM整流/逆变并网控制软件,以及变速恒频风力发电机组的最大功率点跟踪、随机风速下的电功率平滑控制、状态监测和故障保护等系统控制策略,打破了该领域国外厂家长期的技术垄断。经过一年多的样机负载实验考核,该项技术已经通过了教育部组织的科技成果鉴定,被评定为国内领先水平。该项技术成果已转让给三家国内企业,目前已开始小批量工业生产。据不完全统计,上述双馈异步风力发电机及其变速恒频控制系统技术推广在相关厂家形成产品的销售额已超过2亿元。十五期间,该项目获得的纵向与横向合同经费达到了956万元。该项目已经获得国家科技部十一五科技支撑计划的继续支持(批准课题编号:2006BAA01A19863专项经费:400万元)。

十五期间在该方向上培养了博士后1名,博士生1名,硕士生5名。

十五期间,该方向取得的有代表性的理论成果和奖励有:

[1] 苑国锋,柴建云,李永东,变速恒频风力发电机组励磁变频器的研究,中国电机工程学报,2005,25(8)90-94EI05269184509

[2] 苑国锋,柴建云,李永东,新型转子电流混合控制的变速恒频异步风力发电系统,电网技术,2005, 29(15)76-80 EI05369341588

[3] 王相中,伍小杰,柴建云,带有RCC的异步风力发电机系统的特性分析,太阳能学报, 2005,26(4)447-451EI05439438685

[4] 卢子广,柴建云,电力驱动系统实时控制虚拟实验平台,中国电机工程学报,2003,23(4)119-123(EI:03347606206)

[5] Yuan, Guofeng, Chai, Jianyun, Li, Yongdong, “Vector control and synchronization of doubly fed induction wind generator system”THE 4TH INTERNATIONAL POWER ELECTRONICS AND MOTION CONTROL CONFERENCE, VOLS 1-3, CONFERENCE PROCEEDINGS 886-890, 2004EI05189075211

[6] 台达基金优秀项目奖,双馈异步发电机的转子电流混合控制方法研究 2004

2)电力牵引与推进系统

十五期间,本学科在交流电机矢量控制和直接转矩控制及其数字化实现等方面提出新的控制理论和方法,并将其应用于轨道交通的电力牵引和船舰电力推进等领域,取得了一批具有重要应用价值的研究成果。

针对异步电机直接转矩控制的全数字化控制方法在低速时性能下降及数字化控制带来的问题,本学科在国际上首次提出虚拟合成矢量磁通控制法及转矩预测控制法,大大改善了电机驱动系统的低速性能。该项研究的系列成果分别在第七、九届全国电气自动化年会上获优秀论文奖。在20039月举行的欧洲电力电子及应用国际会议上,本学科的李永东教授应邀与多位国际知名学者共同主持Tutorial Session,对该项成果进行了专题报告,受到与会者的好评。针对轨道牵引系统的特殊要求,该方法还完成了弱磁运行、多段速度切换及断电再起动功能,现已应用于地铁电气牵引系统和电力机车牵引变频器的控制。

本学科进一步将虚拟合成矢量法推广到三电平逆变器的控制,较好地解决了三电平逆变器中点电压不平衡和dv/dt过高的问题。主要学术成果除在国内外期刊会议上发表外,还反映在2002年由机械工业出版社出版的《交流电机数字控制系统》和2005年由科学出版社出版的《大容量多电平变换器》等学术专著中。

在本方向上已经完成的项目有:异步电机极低速(包括零速)下速度辩识策略研究(国家自然基金项目59877010”“牵引变频器控制单元技术地铁机车干线牵引变及IGBT交直交驱动系统研制“150kVA机车辅助逆变电源电力机车牵引变频器控制潜艇用多相永磁电机推进系统仿真船舰综合电力推进系统的动态分析与仿真等。

十五期间在该方向上培养的博士后1名,博士生3名,硕士生有6名,其中曾毅被评为校级优秀博士毕业生,王庚的论文被评为校级优秀硕士论文。

十五期间代表性成果有:

[1] 李永东,肖曦,高跃,《大容量多电平变换器》,科学出版社,2005

[2] Z.H.TanY.D.LiM.Li “A Direct Torque Control of Induction Motor Based on Three-level NPC Inverter” IEEE PESC Annual Mtg. 2001Vancouver

[3] Y.D.LiH.HuC.JieJ.X.Wu“Predictive Control of Torque and Flux of Induction Motor With an Improved Stator Flux Estimator” IEEE PESC Annual Mtg. 2001Vancouver

[4] Z.H.TanY.D.LiH.HuM.LiJ.Chen“Three-level Inverter Direct Torque Control of Induction Motor Based on Virtual Vectors” ICPE’012001Seoul

[5] Z.H. Tan, Y.D.LiY. Zeng,“A Three-level Speed Sensor-less DTC Drive of Induction Motor Based on Full Order Flux Observer” PowerCon 2002  Kunming Vol.2 pp.1054-1058,

[6] H. Hu, Y.D.Li, “Applications of Induction Motor Drive Based on DTC in Railway Traction”PowerCon 2002 Kunming Vol.4  pp.2280-2289

[7] H. Hu, Y.D.Li“Direct Torque Control of Induction Motor For Rail- way Traction In Whole Speed Range”IEEE IECON2002 Seville, Spain,EI 03157429562

[8] Hu Hu, Li Yongdong“Predictive Direct Torque Control Strategies of Induction Motor Based on Area Voltage Vectors Table”IEEE IECON2003Roanoke, VA, United StatesEI 04128063167

[9] 李永东,异步电机直接转矩控制策略及其在大容量传动应用中国自动化学会电气自动化学术年会(CAVD’2002)大会特邀报告

[10] 李永东,胡虎,异步电机直接转矩控制策略及其应用欧洲电力电子及应用国际会议TutorialEPE’2003France

[11] 李永东,曾毅,谭卓辉,侯轩,无速度传感器三电平逆变器异步电动机直接转矩控制系统(I)-基于降阶定子磁链观测器的参数和速度辨识”.《电工技术学报》,2004V19(6):67-71.(EI: 04448436565)

[12] 李永东,曾毅,谭卓辉,侯轩,无速度传感器三电平逆变器异步电动机直接转矩控制系统(II)-基于全阶定子磁链观测器的参数和速度辨识”.《电工技术学报》,2004V19(8):80-86.(EI: 05098867187)

[13] 胡虎,李永东,基于区域电压矢量表的交流异步电动机直接转矩预测控制策略研究”.《电工技术学报》,2004V19(2):25-30.(EI: 04268236258 )

[14] 胡虎,李永东,交流电机直接转矩控制策略——现状与趋势《电气传动》   200403

[15] 李永东,侯轩,谭卓辉,三电平逆变器异步电动机直接转矩控制系统(I单一矢量法”.《电工技术学报》, 2004, V19(4):34-39EI 04448436499

[16] 李永东,侯轩,谭卓辉,三电平逆变器异步电动机直接转矩控制系统(II合成矢量法”.《电工技术学报》,2004, V19(5):31-35EI 04448436521

[17] 王庚,李永东,“A Novel Control Algorithm for Cascade Shunt Active Power Filter” IEEE PESC Annual meeting, 2004.6 pp771-775EI 04498699855

[18] 曾毅, 李永东,直接转矩控制牵引系统全速度范围运行研究全国电气自动化年会,04.10,南京

[19] 李永东,高性能、大容量交流调速系统-现状和展望《电工技术学报》2005,2pp.1-10EI05149026451

[20] 陈继宗,李永东,级联型高压交-交矩阵变换器的仿真研究《电力电子技术》200510

[21] 李永东,李明才,谭卓辉,曲树笋. 分层叠加式电压型多电平电路拓扑结构. 专利号:CN03145955.2

3)高功率密度新型电机及其控制系统

本学科方向在高功率密度、高效率、高速及高可靠性的特殊电机及其控制系统理论和应用方面继续进行探索性研究,十五期间取得了重大进展,尤其是高功率密度高速飞轮储能永磁电机及其控制系统和国防专用高功率密度同步磁阻永磁电机及其控制系统的研究,处于国内该研究领域的领先地位。

 十五期间,本学科点通过与清华大学工程物理学科共同组建飞轮储能联合实验室,对高速飞轮储能系统中的永磁悬浮与微型流体动压锥轴承混合支承技术、电磁主动控制轴承支承技术、永磁无刷电动/发电机技术及其高性能全数字化充放电控制技术等进行了深入的研究。在结构设计、系统动力学分析、系统损耗、低损耗电机、充放电控制器和试验等的理论研究和实际应用方面取得了重大进展,并开展了飞轮在航天、电网电能质量以及地铁刹车动能再生领域等的应用研究。研制的高速飞轮储能样机性能指标达到42,000 r/min、线速度660 m/s、储能密度35 Whr/kg,电磁主动控制轴承支承的永磁无刷电机及其控制系统转速达到80,000 r/min。该主要技术指标在高速飞轮储能方面处于国内领先地位。该项研究工作获得了韩国Motor-Net International Co. & Korea Electronics Technology Institute连续3年支持(电磁轴承的研究)和台达科教发展基金(基于电磁轴承飞轮储能UPS的研究)等的资助。

十五期间,通过十五国防863”课题,先后滚动承担了四期项目,研制出两余度灵巧光传动作器,采用的专用高功率密度同步磁阻永磁电机及其控制系统,其电机的功率密度由0.3kW/kg提高到0.6kW/kg,效率由0.7提高到0.86以上,并实现了快速响应和余度控制。该主要技术指标达到了当前国际先进水平。

该学科方向上培养了博士后1名,博士生1名,硕士生1名。

十五期间有代表性的理论成果有:

[1]  Chen Junling, Jiang Xinjian, Zhu Dongqi, “A Uninterruptible Power Supply using Flywheel Energy Storage Unit ”. The 4th International Power Electronics and Motion Control Conference. IPEMC’04, Xian. Vol.3:1180-1184, China.EI 05189075270

[2] 陈峻岭, 姜新建, 朱东起,“基于飞轮储能技术的不间断电源的研究,清华大学学报(自然科学版), 2004.10Vol44,No.10. EI05018772454

[3] 陈峻岭,姜新建,孙卓,朱东起,基于FBD法三相电力系统电流检测方法的应用研究,电力系统自动化, 2004,Vol.28(24):23-27.EI 05078844411

[4] 高徐娇, 赵争鸣, 赵强,永磁电机电磁参数的有限元分析,《清华大学学报》Vol. 41No. 9, 2001pp.44 – 47,(EI 02116885806

[5] 王世静, 赵争鸣, 郭伟, Optimum Parameters and Maximum Torque Performances of the PM-Assisted Synchronous Reluctance Machine, , ICEMS’ 2005. Nanjing, China, 2005. 559-563

[6] 郭伟, 赵争鸣,新型同步磁阻永磁电机的转矩特性和控制分析,《电工技术学报》 2005 20 1 P.54 EI 05119000206

[7] 郭伟, 赵争鸣,新型同步磁阻永磁电机的结构与电磁参数分析, 《中国电机工程学报》2005 25 11 P.124 EI 05299225664

[8] 郭伟, 赵争鸣, Design and Experiments of Two Glued Axially-Laminated Synchronous Reluctance Permanent Magnetic Motors, 6th IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems, IEEE 2005 PEDS,Malysia:2005,1374-1379

4) 特种发电机系统

特殊的独立供电系统,比如舰船、机车和航天器等,对发电机提出了特殊要求,如体积小,重量轻,高功率密度和高运行速度等。特殊发电机系统是目前各先进国家竞相研究的领域,对国家经济和国防建设有重要意义。本学科开展了同时带交流和直流负载的交直流混合供电发电机系统和带整流负载双绕组多相高速异步发电机系统的研究。

交直流混合供电同步发电机能够同时提供高品质的交流和直流电,不仅具有体积小、重量轻、价格低的优点,更为重要的是整流负载对交流绕组电压的影响小,提高了系统的电磁兼容性。

本学科将电机的多回路理论与电磁场有限元方法相结合建立了交直流混合供电发电机系统的完整数学模型,详细计算了交直流混合供电发电机的参数,对该类电机的稳态和暂态性能进行分析。系统地考虑了由于磁路结构、磁路饱和、绕组布置以及定、转子齿槽影响产生的空间谐波磁场的作用。对建立的模型和分析方法进行了多种工况的系统验证,比较的结果证明了分析方法的正确性。

研究成果已经成功应用于海军某潜艇的交直流混合供电发电机的设计中,专家认为:对具有特殊复杂结构,考虑多种因素的交直流混合负载发电机系统多个关键问题进行了深入研究为发电机设计和性能优化提供了依据为海军重大装备的研制奠定了坚实的理论基础

带整流负载双绕组高速异步发电机系统具有功率密度高、供电品质好、运行可靠、调节方便等优点,是舰船综合电力系统发电模块发展方向之一。带整流负载双绕组高速异步发电机系统是多回路、变拓扑、兼有磁路和电路非线性的复杂系统,充分体现了电机、电力系统、电力电子、控制等多学科交融的特点。本学科深入研究了多相高速异步发电机系统的参数计算、谐波磁动势分析、控制方法,提出了对控制绕组和功率绕组分别采用电路分析法和电磁场有限元分析方法进行系统性能计算的思路。研究成果受到国防科工委、中国船舶工业总公司和海军装备技术部的高度重视。

通过对特殊发电机系统的研究,本学科已形成了由特殊电机、电力电子装置、电力系统、自动控制系统和机械系统等多学科交融的特殊发电机系统的分析理论。

在该方向上已经完成了高等学校博士学科点专项科研基金项目(97000367):交直流混合供电的多相独立发电机系统的研究。该方向培养博生士2名,硕士生2名。

十五期间代表性成果有:

[1] Wang Shanming, Wang Xiangheng, Li Yixiang, Su Pengsheng, Ma Weiming and Zhang Gaifan.  Steady-State Performance of Synchronous Generators with AC and DC Stator Connections Considering Saturation, IEEE Trans. on Energy Conversion,2002,17 (2):176-182.(SCI 562BF)(EI 02317040692)

[2] 王善铭,王祥珩,李义翔,苏鹏声,马伟明,张盖凡. 交直流混合供电同步发电机空载电压波形的计算. 清华大学学报, 200141(4)pp155-158 (EI 02036826666)

[3] 王善铭,王祥珩,李义翔,苏鹏声,马伟明,张盖凡. 交直流混合供电同步发电机稳态性能的仿真. 清华大学学报, 200141(9)pp22-25 (EI 02116885802)

[4] 王善铭, 王祥珩, 李义翔,苏鹏声,马伟明,  张盖凡. 交直流混合供电发电机定子端部绕组漏电感的计算. 电工技术学报, 200116(2)pp1-564 (EI 01406671886)

[5] 吴新振,王祥珩. 一种定子复杂连接异步电机的网络分析方法. 电工技术学报,200318(1)10-14 (EI 03307563327)

[6] 吴新振,王祥珩. 异步电机双笼转子导条集肤效应的计算. 中国电机工程学报,200323(3)116-120 (EI 03307568646)

[7] 吴新振,王祥珩. 异步电机不对称运行时电容值的确定. 中国电机工程学报,200323(8)125-129 (EI 03507781494)

[8] 吴新振,王祥珩. 非正交定子绕组单相异步电机的运行分析. 清华大学学报,200343(9)1173-1176 (EI 04078020841)

[9] 吴新振,王祥珩. 异步发电机空载建压电容值的确定方法. 清华大学学报,200444(7)893-896 (EI 04448438522)

[10] 吴新振,王祥珩,罗成. 异步电机转子感应非正弦电流时的导条损耗. 中国电机工程学报,200525(17)131-135 (EI 05429423740)