1.4 无刷双馈电机独立发电系统研究及应用现状

1.4.1 基于传统电机的独立发电系统研究及应用现状

基于传统电机的独立发电系统结构如图1.4所示，从宏观上可分为三类，图1.4中的齿轮箱可以根据原动机与发电机转速之间的匹配关系相应地增加或移除。第一种独立发电系统采用了恒速原动机和同步发电机（Synchronous Generator，SG），如图1.4a所示，常用的柴油发电机组即属于这一类。第二种是基于变速原动机、同步发电机（SG）和变流器，如图1.4b所示，这种系统属于全功率变换系统，该系统中变流器的容量与发电机的额定容量相当。第三种是将第二种中的同步发电机换成了双馈感应发电机（Doubly-Fed Induction Generator，DFIG），如图1.4c所示，在这种系统中变流器只需要向DFIG的转子提供转差功率即可，因此所需变流器的容量得以减小，最终导致整个系统的成本降低，具体所需的变流器容量与DFIG运行的转速范围有关。前述的第一种独立发电系统属于恒速恒频发电系统，这种发电系统运行噪声大、在轻载工况下油耗大、经济性差，在重载下输出电压的幅值和频率都会有所跌落，常用于对电源质量要求不高的场合或作备用电源使用。上述的后两种发电系统均属于变速恒频独立发电系统，其中基于DFIG的发电系统减小了变流器的容量，降低了成本，与基于SG的发电系统相比来说具有一定的优势。因此，在独立发电领域采用变速恒频发电方式是今后的主要发展趋势。然而，DFIG带有集电环和电刷，这导致了电机维护成本的增加。

图1.4 基于传统电机的三种独立发电系统机构

国内外许多学者对独立发电系统进行了相关研究，这些研究涉及了移动式柴油发电机组、风力发电、船舶轴带发电以及燃气发电等多个领域。参考文献[104]对移动式变速恒频柴油发电机的控制技术进行了较深入的研究，其发电机采用的是永磁同步电机。参考文献[105]针对DFIG独立风力发电系统提出了一种矢量控制方法。为了使得基于DFIG的独立风力发电系统在风速很低的情况下也能持续供电，参考文献[106，107]提出了一种将逆变器和电池组相结合的控制系统。参考文献[108]为DFIG独立风力发电系统提出了一种带不对称负载时的改进控制方法。参考文献[109-111]探讨了船舶轴带独立发电系统的控制方法。参考文献[111]针对内燃机驱动的废热发电系统提出了一种基于DFIG的变速恒频独立发电控制方法。从收集的文献来看，目前对独立发电系统的研究主要是基于同步发电机和双馈感应发电机。

目前世界上有多个公司已经推出了它们的独立发电系统产品，其中以船舶轴带独立发电系统居多。在船舶轴带独立发电系统中，按照船舶主发动机转速与发电机转速之间的匹配关系，常采用不同的电机连接方式，高速主发动机往往直接与发电机相连，低速主发动机则可通过增速齿轮箱与发电机相连，如图1.5所示。

图1.5 船舶轴带独立发电系统中的发电机与船舶主发动机的连接方式

图1.6 德国SAM电子公司的船舶轴带独立发电系统

目前比较典型的独立发电系统产品有如下四种。图1.6为德国SAM电子公司推出的船舶轴带独立发电系统，它采用了同步发电机与全功率变流器相结合的配置，船舶主发动机与轴带发电机可以根据需要采用不同的连接方式。图1.7为德国西门子公司推出的FRECON船舶轴带独立发电系统，其额定功率为900kW，采用4对极的DFIG作为发电机，船舶主发动机通过增速齿轮箱与DFIG发电机相连。图1.8为日本大阪燃气公司研制的内燃机驱动废热发电系统，实质上也是一种基于DFIG的独立变速恒频发电系统，其能源利用率较高，在实际应用中取得了很好的应用效果。图1.9是英国Rolls-Royce公司的船舶轴带发电系统，它也采用了同步发电机与全功率变流器相结合的配置，船舶主发动机通过增速齿轮箱与同步发电机相连，该系统除了能给全船提供电能，还可以作为电动机从备用发电机吸收电能，继而与主发动机一起来驱动螺旋桨。目前商用的独立发电产品大多是基于SG和DFIG，还没有基于BDFM的成熟产品推出。