雙九相儲能電機帶整流負載系統降階等效平均模型研究

艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室（海軍工程大學）的研究人員劉金利、馬偉明等，在2018年第17期《電工技術學報》上撰文指出，雙九相儲能電機是一種新型多相同步發電機，主發電機數學方程高達21階。電機經整流器向負載放電時，電機轉速、輸出電壓與電流不斷變化，電機機械動態與電磁暫態強耦合，難以用解析方法進行分析。

該文首先推導了雙九相主發電機降階等效三相電機數學模型，簡化了雙九相主發電機模型的復雜程度；其次，由于旋轉整流器、整流器交流側與直流側高次諧波對系統有功功率傳遞和系統動態過程影響較小，忽略高次諧波，考慮交流側基波和直流側平均值作用的基礎上推導了系統平均模型，進一步簡化系統模型，提高系統仿真效率。

在Matlab/Simulink仿真環境中建立雙九相儲能電機帶整流負載系統的降階等效平均模型，仿真結果驗證了該模型的正確性與有效性。

儲能電機是一種具有大軸系慣量的儲能裝置，其工作原理是通過拖動電動機長時低功率將電網電能轉換為機械能存儲于電機高速旋轉的飛輪轉子中，在勵磁電流作用下，通過短時快速降低轉子轉速將機械能轉換為電能向負載釋放，從而實現機械能與電能之間的能量轉換[1]。

儲能電機具有瞬時釋放能量大、能量密度高、無環境污染、壽命長、免維護等優點，其應用領域包括電力調峰、電動汽車、UPS 電源、風力發電等[2,3]。

為突破單臺電力電子變換裝置容量限制，儲能電機常采用多套多相隱極同步發電機作為主發電機[4-6]，用同軸勵磁發電機經旋轉整流器整流后為主發電機提供勵磁電流。

儲能電機經整流器向負載快速釋放電能時，其電流和電壓幅值與頻率同時變化，與此同時電機轉速快速下降，電磁暫態與機械動態強耦合，屬于典型的強非線性復雜電機系統[7-9]，難以通過解析法進行分析。

另一方面，對包含雙九相儲能發電機的電力系統進行仿真分析時，由于主發電機數學模型高達21階，計算量大，系統計算速度降低，特別是在進行開關保護等硬件在回路實時仿真測試[10-14]時，仿真實時性與準確性的矛盾尤為突出。

為了對雙九相儲能電機帶整流負載系統進行深入研究，在對稱負載運行的前提下，本文以等效前后功率保持不變為基本等效原則，推導出雙九相主發電機的降階等效三相電機數學模型，利用低階三相電機模型代替高階雙九相主發電機模型，降低了主發電機模型的復雜程度，提高了系統仿真效率。

電力系統仿真軟件很容易實現包含整流器等開關器件的電力系統暫態與穩態過程仿真，但由于系統中開關器件的非連續性，導致系統無法適用于小信號分析。考慮本文研究系統中旋轉整流器、整流器交流側與直流側高次諧波對系統有功功率傳遞以及動態過程的影響較小，忽略高次諧波，將系統的開關模型簡化為平均模型，進一步簡化系統模型復雜程度。該模型可以用于大信號分析，或者線性化后用于小信號分析。

本文在Matlab/Simulink仿真環境中采用電機等效電路搭建電機模型的方法，建立了雙九相主發電機降階等效電機模型，通過可控電流源和可控電壓源等模塊代替旋轉整流器、整流器直流側與交流側的耦合關系，建立系統平均模型。仿真結果驗證了雙九相儲能電機帶整流負載系統降階等效平均模型的正確性與有效性。