劉金利，翟小飛，晏 明

(海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430033)

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展、碳纖維材料的廣泛應(yīng)用以及磁軸承技術(shù)的成熟，高能量密度和高功率密度的慣性儲(chǔ)能技術(shù)得到了高速發(fā)展。大容量儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)因具有瞬時(shí)釋放功率大、放電深度可控、使用壽命長、可靠性高、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，常被用作短時(shí)大功率脈沖負(fù)載供電電源[1-2]。

大容量儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)以小功率、長時(shí)間存儲(chǔ)能量，超大功率、短時(shí)間釋放能量，循環(huán)工作于能量存儲(chǔ)與能量釋放過程。采用儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行可以有效提高系統(tǒng)儲(chǔ)能容量，滿足超大功率脈沖負(fù)載供電需求，同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)互相冗余備份，當(dāng)其中一臺(tái)發(fā)生故障時(shí)，通過切除故障電機(jī)可以有效保證系統(tǒng)安全性與可靠性，可應(yīng)用于核聚變試驗(yàn)技術(shù)、等離子體和電磁發(fā)射技術(shù)等領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景[3-6]。

文獻(xiàn)[7]對飛輪儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)放電控制策略進(jìn)行了研究，但文中儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)工作在長時(shí)穩(wěn)態(tài)放電模式，控制策略不適用于短時(shí)脈沖大功率放電場合。文獻(xiàn)[8]對國際空間站兩臺(tái)飛輪儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)于同一母線運(yùn)行試驗(yàn)進(jìn)行了介紹，但文中兩臺(tái)飛輪儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)工作模式為一臺(tái)充電，另外一臺(tái)放電，能量在兩臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)之間流動(dòng)，控制策略并不適用于兩臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)同時(shí)放電的場合。對于大容量儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行向大功率脈沖負(fù)載放電時(shí)的勵(lì)磁控制算法，國內(nèi)外鮮見相關(guān)文獻(xiàn)研究。

1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大容量儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)采用無刷勵(lì)磁控制系統(tǒng)，勵(lì)磁機(jī)結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)樞式三相同步發(fā)電機(jī)。電樞繞組位于轉(zhuǎn)子上，勵(lì)磁繞組位于定子上，勵(lì)磁機(jī)電樞繞組通過旋轉(zhuǎn)整流器向主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組提供勵(lì)磁電流。圖1給出了兩臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可拓展應(yīng)用于多臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。

圖1 勵(lì)磁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of excitation control system

頂層控制器根據(jù)負(fù)載需求，向勵(lì)磁控制器發(fā)送直流電壓指令、前饋功率、負(fù)載能量需求，其中前饋功率即為儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)輸出功率，根據(jù)負(fù)載功率折算而來。勵(lì)磁控制器根據(jù)接收到的控制指令以及采集的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號、勵(lì)磁電流信號，以及直流電壓信號，通過勵(lì)磁控制算法實(shí)時(shí)計(jì)算勵(lì)磁功率放大器脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)脈沖占空比，進(jìn)而控制儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)輸出功率大小。

勵(lì)磁功率放大器采用具有H半橋結(jié)構(gòu)功率放大電路，該功率放大電路具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、勵(lì)磁電流響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)[7]。勵(lì)磁功率放大器結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 H半橋式勵(lì)磁功率放大器Fig.2 H half-bridge excitation power amplifier

圖2中VT1和VT2為絕緣柵極雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)，VD1和VD2為續(xù)流二極管。勵(lì)磁功率放大器中IGBT采用對稱PWM脈沖控制策略，即采用兩路占空比相同，相位相差180° PMW脈沖控制IGBT，對稱PWM可以有效減小勵(lì)磁電流紋波[9]。H半橋勵(lì)磁功率放大器控制狀態(tài)如下：

S1：當(dāng)VT1和VT2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，勵(lì)磁電源向勵(lì)磁繞組充電，勵(lì)磁電流逐漸增加；

S2：當(dāng)VT1導(dǎo)通，VT2關(guān)斷時(shí)，勵(lì)磁繞組經(jīng)過VT1和VD2放電，勵(lì)磁電流逐漸減??；

S3：當(dāng)VT2導(dǎo)通，VT1關(guān)斷時(shí)，勵(lì)磁繞組經(jīng)過VT2和VD1放電，勵(lì)磁電流逐漸減小。

2 勵(lì)磁控制算法

2.1 前饋控制算法

在儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)中，勵(lì)磁控制系統(tǒng)控制目標(biāo)為穩(wěn)定直流母線電壓，電壓閉環(huán)控制可以提高電壓控制精度，電流閉環(huán)控制可以提高勵(lì)磁電流響應(yīng)速度[10]。為提高儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)工作效能，根據(jù)并聯(lián)電機(jī)轉(zhuǎn)速均衡分配功率，在電壓與電流閉環(huán)的基礎(chǔ)上引入功率前饋控制，功率前饋控制原理實(shí)際上就是從儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)直流側(cè)輸出功率入手，反向推導(dǎo)勵(lì)磁機(jī)所需的勵(lì)磁電流，即建立勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流與儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)輸出功率之間數(shù)學(xué)方程。兩臺(tái)儲(chǔ)能電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行勵(lì)磁控制策略框圖如圖3所示，可拓展應(yīng)用于多臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。

圖3 勵(lì)磁控制算法框圖Fig.3 Diagram of the excitation control algorithm

圖4 隱極同步發(fā)電機(jī)時(shí)空相量圖Fig.4 Phase diagram of synchronous generator

圖5 隱極同步發(fā)電機(jī)簡化時(shí)空相量圖Fig.5 The simplified phase diagram of synchronous generator

在電壓矢量三角形△OAB中，由三角形余弦定理有

(1)

式中：Ug為主發(fā)電機(jī)端口電壓；Eag為主發(fā)電機(jī)電樞電勢；E0g為主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電勢，參數(shù)下標(biāo)g表示主發(fā)電機(jī)。

主發(fā)電機(jī)電樞電勢Eag與負(fù)載電流Ig之間關(guān)系為

(2)

式中，ωg為主發(fā)電機(jī)電角頻率，Lg為主發(fā)電機(jī)同步電感，pg為主發(fā)電機(jī)極對數(shù)，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電勢E0g與主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流Ifd之間關(guān)系為

(3)

式中，Mafdg為主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組互感。

主發(fā)電機(jī)端口電壓經(jīng)過整流器構(gòu)成直流母線電壓，與直流側(cè)電壓關(guān)系可以表示為

(4)

式中：kvg為主發(fā)電機(jī)交流側(cè)基波相電壓有效值與直流側(cè)平均電壓之間比例系數(shù)；kig為主發(fā)電機(jī)交流側(cè)基波相電流有效值和直流側(cè)平均電流之間比例系數(shù)。

根據(jù)式(1)～(4)簡化求解可得

(5)

式中，kg為主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流修正系數(shù)，k1g為主發(fā)電機(jī)電壓放大系數(shù)，k2g為主發(fā)電機(jī)電流放大系數(shù)。其中kg的表達(dá)式為

(6)

k1g的表達(dá)式為

(7)

k2g的表達(dá)式為

(8)

式(5)根據(jù)隱極同步發(fā)電機(jī)相量圖建立了儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流Ifd與直流側(cè)電壓Udc、直流側(cè)電流Idc之間關(guān)系表達(dá)式。同理，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流Ife與旋轉(zhuǎn)整流器直流側(cè)電壓Ufd、直流側(cè)電流Ifd之間的關(guān)系表達(dá)式可以表示為

(9)

式中，ke為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流修正系數(shù)，k1e為勵(lì)磁機(jī)電壓放大系數(shù)，k2e為勵(lì)磁機(jī)電流放大系數(shù)。其中ke的表達(dá)式為

(10)

k1e的表達(dá)式為

(11)

k2e的表達(dá)式為

(12)

旋轉(zhuǎn)整流器直流側(cè)電壓Ufd與電流Ifd，即主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓與勵(lì)磁電流，兩者關(guān)系表達(dá)式為

Ufd=IfdRfd+pψfd

(13)

式中，p為微分算子，ψfd為主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁鏈。

聯(lián)立式(5)、式(9)、式(13)并進(jìn)行簡化，建立勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流Ife與主發(fā)電機(jī)直流側(cè)電壓Udc、直流側(cè)電流Idc之間關(guān)系表達(dá)式，則

(14)

式中，Kv為儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)直流電壓放大系數(shù)，Ki為儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)直流電流放大系數(shù)，二者均與電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)。

分析式(14)可知，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流主要由三部分構(gòu)成，一部分用于建立直流電壓，一部分用于提供直流負(fù)載電流，一部分用于補(bǔ)償勵(lì)磁電流變化時(shí)在勵(lì)磁繞組電感上損耗的勵(lì)磁壓降。

由于儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)向負(fù)載放電時(shí)，電機(jī)參數(shù)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷變化，通過理論求解電壓放大系數(shù)Kv與電流放大系數(shù)Ki難度較大。因此，采用實(shí)驗(yàn)方法求解控制參數(shù)，根據(jù)式(14)通過對儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)直流側(cè)輸出開路與短路時(shí)勵(lì)磁電流進(jìn)行疊加修正，等效求解儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)實(shí)際帶載時(shí)勵(lì)磁電流，等效求解勵(lì)磁電流公式為

Ife=KfIfe_max=Kf(Ifeo+Ifes)

(15)

式中，Kf為勵(lì)磁電流修正系數(shù)，Ifeo為儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)輸出開路時(shí)勵(lì)磁電流，Ifes為儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)輸出短路時(shí)勵(lì)磁電流。

根據(jù)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)仿真模型，通過開路仿真實(shí)驗(yàn)建立不同轉(zhuǎn)速條件下開路勵(lì)磁電流Ifeo與直流側(cè)空載電壓Udco的關(guān)系，則

(16)

通過短路仿真實(shí)驗(yàn)建立不同轉(zhuǎn)速條件下短路勵(lì)磁電流Ifes與短路電流Idcs之間的關(guān)系

(17)

通過開路仿真實(shí)驗(yàn)與短路仿真實(shí)驗(yàn)獲取電壓放大系數(shù)Kv(n)、電流放大系數(shù)Kc(n)與轉(zhuǎn)速n關(guān)系擬合曲線如圖6所示，圖中均采用標(biāo)幺值(p.u)表示。

圖6 不同轉(zhuǎn)速下Kc與Kv值Fig. 6 Values of Kc and Kv at different speed

根據(jù)式(15)～(17)可知，

(18)

并將前饋功率Pf=UdcIdc代入式(18)，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)前饋控制方程可以表示為

(19)

根據(jù)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)實(shí)際帶載仿真實(shí)驗(yàn)可以求解修正系數(shù)Kf，通過仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)不同負(fù)載條件下，修正系數(shù)變化范圍較小。在控制過程中，修正系數(shù)取值為額定工況時(shí)求解數(shù)值，控制算法中電壓放大系數(shù)與電流放大系數(shù)通過實(shí)時(shí)查表法獲取。

2.2 功率分配算法

由于儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)循環(huán)工作在周期充電與放電模式，并聯(lián)運(yùn)行的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)充電時(shí)電機(jī)升速時(shí)間由轉(zhuǎn)速最低的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)決定，為提高系統(tǒng)效能，縮短儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)升速時(shí)間，需對并聯(lián)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)釋放功率進(jìn)行合理分配。當(dāng)初始轉(zhuǎn)速不同的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行向脈沖負(fù)載放電后，若并聯(lián)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)放電末轉(zhuǎn)速相同，則既可以實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)能量多的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)釋放能量多，存儲(chǔ)能量少的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)釋放能量少，又可以減小下一次放電前儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)升速時(shí)間，有效提高系統(tǒng)工作效能。因此，轉(zhuǎn)速不同的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)向負(fù)載放電時(shí)，以放電末轉(zhuǎn)速相同為原則進(jìn)行功率分配。

儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)存儲(chǔ)能量可以表示為

(20)

式中，J為儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω為儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)角速度。

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與角速度關(guān)系可以推導(dǎo)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)存儲(chǔ)能量與電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的表達(dá)式為

ES=kn2

(21)

式中，k為儲(chǔ)能電機(jī)能量存儲(chǔ)系數(shù)，計(jì)算公式為

(22)

假設(shè)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)釋放能量時(shí)初始轉(zhuǎn)速為n0，儲(chǔ)能電機(jī)能量釋放完成時(shí)轉(zhuǎn)速為n1，則儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)釋放能量為

(23)

設(shè)并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)能量釋放時(shí)初始轉(zhuǎn)速分別為n01，n02，…，n0m，放電末轉(zhuǎn)速為n，則每臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)釋放能量表達(dá)式為

(24)

式中，m為并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)。

根據(jù)負(fù)載總能量需求E可以推導(dǎo)并聯(lián)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)放電末轉(zhuǎn)速為

(25)

式中，η為系統(tǒng)效率。

并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)釋放功率分配系數(shù)為

(26)

式中，ki≥0(i=1，…，m)，當(dāng)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)功率分配系數(shù)計(jì)算結(jié)果為0時(shí)，該儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)不放電。

為防止儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速放電時(shí)對電機(jī)造成損壞，設(shè)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速限幅為nL，即當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于nL時(shí)禁止放電，設(shè)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)能量限幅為EL，即儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速從初始轉(zhuǎn)速n0到轉(zhuǎn)速限幅nL時(shí)，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)能夠釋放的能量，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)能量限幅計(jì)算公式為

(27)

當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)中一臺(tái)發(fā)生故障，為保證系統(tǒng)安全性與可靠性，需要切除故障電機(jī)輸出，此時(shí)負(fù)載能量需求全部由正常儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)承擔(dān)。當(dāng)并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)臺(tái)數(shù)大于2時(shí)，由于儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)向負(fù)載放電時(shí)間僅持續(xù)3～4 s，連續(xù)發(fā)生多臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)故障的概率可以忽略不計(jì)，因此并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)放電前能量限幅要求為

(28)

3 仿真實(shí)驗(yàn)

在MATLAB/Simulink仿真環(huán)境中搭建了2臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行帶大功率脈沖負(fù)載仿真模型，對具有功率前饋控制的勵(lì)磁控制算法以及功率分配算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果均采用標(biāo)幺值(p.u)表示。

3.1 2臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)充放電仿真實(shí)驗(yàn)

對2臺(tái)并聯(lián)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)循環(huán)工作于能量存儲(chǔ)與能量釋放過程進(jìn)行仿真，2臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)初始轉(zhuǎn)速不同，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)1初始轉(zhuǎn)速為2.0(p.u)，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)2初始轉(zhuǎn)速為1.9(p.u)。儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)第一次放電完成后，經(jīng)過升速后進(jìn)行第二次放電。并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)輸出功率仿真波形如圖7所示，并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形如圖8所示。

圖7 并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)輸出功率波形Fig.7 Output power of energy storage generators

圖8 并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形Fig.8 Speed of energy storage generators

由圖7與圖8可以看出，在勵(lì)磁控制算法以及功率分配算法的作用下，第一次放電時(shí)初始轉(zhuǎn)速高的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)釋放功率大，且兩臺(tái)初始轉(zhuǎn)速不同的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)在功率分配算法的作用下，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)放電末轉(zhuǎn)速基本一致。第二次放電時(shí)兩臺(tái)電機(jī)初始轉(zhuǎn)速相同，兩臺(tái)儲(chǔ)能電機(jī)輸出功率相同。

并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流仿真波形如圖9所示。

由圖9可以看出，勵(lì)磁調(diào)節(jié)過程中，勵(lì)磁電流與勵(lì)磁電流指令誤差很小，二者基本重合。儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流大小受前饋功率控制，且功率前饋控制在勵(lì)磁控制中起主導(dǎo)作用，有效提高了勵(lì)磁電流響應(yīng)速度。

(a) 儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)1勵(lì)磁電流波形(a) Excitation current of energy storage generator 1

(b) 儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)2勵(lì)磁電流仿真波形(b) Excitation current of energy storage generator 2圖9 并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流仿真波形Fig.9 Excitation current of energy storage generators

并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)直流側(cè)電壓仿真波形如圖10所示。

圖10 直流側(cè)電壓仿真波形Fig.10 DC side voltage of energy storage generators

由圖10可以看出，勵(lì)磁控制算法可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定直流母線電壓控制目標(biāo)，且控制精度較高。

3.2 1臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)放電時(shí)突發(fā)故障仿真實(shí)驗(yàn)

當(dāng)2臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)放電時(shí)1臺(tái)突發(fā)故障，為保證系統(tǒng)安全性，系統(tǒng)將切除故障電機(jī)輸出，負(fù)載所需功率全部由正常儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)承擔(dān)。仿真實(shí)驗(yàn)中2臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)初始轉(zhuǎn)速不同，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)1初始轉(zhuǎn)速為2.0(p.u)，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)2初始轉(zhuǎn)速為1.9(p.u)。對t=3 s時(shí)，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)2突發(fā)故障進(jìn)行仿真，并聯(lián)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)輸出功率仿真波形如圖11所示。

圖11 并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)輸出功率波形Fig.11 Output power of energy storage generators

由圖11可以看出，儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)2在t=3 s時(shí)發(fā)生故障被系統(tǒng)切除，負(fù)載所需功率均由儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)1承擔(dān)，此時(shí)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)1輸出功率發(fā)生階躍。

并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流仿真電流波形如圖12所示。

(a) 儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)1勵(lì)磁電流(a) Excitation current of energy storage generator 1

(b) 儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)2勵(lì)磁電流(b) Excitation current of energy storage generator 2圖12 儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流Fig.12 Excitation current of energy storage generators

由圖12可以看出，勵(lì)磁電流與勵(lì)磁電流指令基本重合。由于儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)2在t=3 s時(shí)被系統(tǒng)切除，因此勵(lì)磁電流輸出為零。儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)1輸出功率發(fā)生階躍，導(dǎo)致儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)1勵(lì)磁電流發(fā)生階躍，功率前饋控制有效提高了勵(lì)磁控制系統(tǒng)的抗干擾能力。

并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)直流側(cè)電壓仿真波形如圖13所示。

圖13 直流側(cè)電壓波形Fig.13 DC side voltage of energy storage generator

由直流側(cè)電壓仿真波形可以看出，并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)，當(dāng)1臺(tái)電機(jī)突發(fā)故障被系統(tǒng)切除后，在勵(lì)磁控制的作用下，直流側(cè)電壓仍然保持穩(wěn)定，滿足系統(tǒng)工作要求。

4 結(jié)論

轉(zhuǎn)速不同的儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行向負(fù)載放電時(shí)，為提高系統(tǒng)效能，需合理分配儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)釋放功率，因此在電壓閉環(huán)與電流閉環(huán)控制的基礎(chǔ)上引入功率前饋控制。以并聯(lián)運(yùn)行儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)放電末轉(zhuǎn)速一致為原則，對儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)輸出功率進(jìn)行分配，并根據(jù)負(fù)載需求能量計(jì)算了儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)功率分配系數(shù)，同時(shí)為提高系統(tǒng)安全性與可靠性計(jì)算了儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)放電時(shí)能量限幅條件。2臺(tái)儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)表明，功率前饋控制與功率分配算法可以有效分配儲(chǔ)能發(fā)電機(jī)釋放功率，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電機(jī)放電末轉(zhuǎn)速一致，同時(shí)功率前饋控制在勵(lì)磁控制中起主導(dǎo)作用，提高了勵(lì)磁控制系統(tǒng)抗干擾能力，并提高了勵(lì)磁電流響應(yīng)速度，反饋控制對前饋控制誤差進(jìn)行補(bǔ)償，提高了直流母線電壓控制精度。