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可變頻變壓器數學模型及仿真分析

(發布日期：2014-5-7 14:08:00) 來源：

隨著電力技術的發展，出現了更具優勢的新型異步電網互聯裝置——可變頻變壓器(variable frequency transformer，VFT)，VFT能夠很好地克服HVDC的缺陷，并且已經在加拿大魁北克省投入運行。可變頻變壓器VFT的主體結構是定、轉子均為三相繞組的旋轉變壓器，其轉子由直流電機和電力電子拖動系統控制，以改變與定子的相對位置，從而快速調節功率的傳輸。

采用可變頻變壓器VFT進行異步電網互聯的構想十分新穎，但所使用的技術都是成熟技術，如水力發電和抽水蓄能發電技術、雙饋電機技術、電力電子的變速拖動技術。基于可變頻變壓器VFT的面對面異步電網互聯技術將是背靠背異步聯網技術的有力競爭者。可變頻變壓器VFT的諸多優勢已被廣泛關注，但由于其問世時間不長，相關文獻較少，人們對可變頻變壓器VFT數學模型的分析和數值仿真的研究更不充分。本文將以可變頻變壓器VFT的結構和基本原理為基礎推導可變頻變壓器VFT的數學模型并提出控制策略，探索可變頻變壓器VFT的數值仿真模型和仿真分析方法，以便深入了解可變頻變壓器VFT的各種特性。

1、可變頻變壓器VFT的基本結構及工作原理
可變頻變壓器VFT主要包括3部分：旋轉變壓器、直流驅動電機和集電環。旋轉變壓器由定、轉子三相繞組組成，轉子與直流電機同軸，集電環負責在三相轉子繞組與系統靜止母線之間傳導電流。

可變頻變壓器VFT實際上是一個可連續調節的移相變壓器，其核心部件是具有三相定子與轉子繞組的旋轉變壓裝置，運行時轉子側連接一個電網，定子側連接另一個電網。在轉子軸上安裝有直流驅動電機的轉子繞組，通過直流電機的驅動力矩來調節轉子的轉速和角度。當三相繞組接入電網時，其中將流過三相對稱電流，產生頻率為50 Hz的旋轉磁場。不考慮直流電機的作用，定、轉子繞組所產生的磁場之間的相角為零，不存在功率的傳輸。當直流電機產生轉矩驅動轉子旋轉使得該相角不為零時，將有功率流過可變頻變壓器VFT，且與旋轉變壓器的相角成比例。旋轉變壓器所傳送的功率是施加在其轉子上的轉矩的函數。

2、可變頻變壓器VFT的數字仿真
可變頻變壓器VFT仿真模型分為3個部分：旋轉變壓器、直流電機驅動控制系統和功率控制回路。其中直流電機驅動控制系統包括雙饋直流電機、電力電子整流裝置和轉矩調節系統，功率控制回路包括功率測量環節和反饋回路等，旋轉變壓器模型可以由PSCAD/ EMTDC中的三相繞線式異步電機來表征。

電源由單機無窮大系統表示，額定電壓為230 kV，額定功率為120 MW，內阻為1 Ω；定子側頻率為60 Hz，轉子側頻率為50 Hz；負荷為100 MW電阻性負荷。變壓器1、2側額定電壓比為230 kV/13.8 kV，額定功率100 MVA；三相繞線式異步電機的額定電壓為13.8 kV，額定功率100 MW，定、轉子匝數比為1。

結論：
可變頻變壓器VFT數學模型揭示了VFT內在的電磁、電路關系。仿真結果表明：在實際運行中，沒有轉矩作用時可變頻變壓器VFT不產生功率的傳輸；當施加轉矩后，發生了功率的傳輸，通過改變轉矩大小可以平滑地調節傳輸功率。這驗證了本文建立的可變頻變壓器VFT數學模型的正確性，也說明使用三相繞線式異步電機代替旋轉變壓器進行仿真的思路是可行的。

仿真結果同時說明了可變頻變壓器VFT在異步電網互聯中的突出優勢：傳輸功率對轉矩的響應速度快，調節平滑，且不產生諧波，對電網的電壓質量沒有影響；在電網發生故障時能夠很好地抑制故障，防止故障的進一步傳播。

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