1.2 國內外研究現狀及存在問題

1.2.1 多相電機及發電機整流系統研究

1.六相同步發電機

20世紀70年代，大型發電機組的發展受到兩個因素的制約：限制故障電流的電抗器體積太大、斷路器分斷容量有限。六相雙Y繞組發電機的出現突破了這些制約［10］，特別是兩套繞組互移30°電角度時，雜散損耗和轉矩振動可大大降低［2］。由于六相同步發電機帶整流負載時，有較高的效率、較低的溫升、較小的波形畸變和較長的使用壽命，較普通三相發電機帶整流橋性能優越［11］，因此引起了國內學者的廣泛關注，并在發電機的突然短路電流與電磁轉矩計算［12-13］、不對稱短路與對稱短路工況［14-17］、電機等效電路及其參數確定［18］等方面進行了大量工作。雖然這些研究采用的是理想電機模型，未考慮電機內部磁場飽和與諧波影響，但其思路可為其他多相電機的研究提供一定參考。

2.十二相同步發電機

為了進一步提高整流質量和電機的有效材料利用率，十二相四Y移15°繞組同步發電機被付諸應用。由于該系統采用多相整流，因此具有以下突出優點：直流電壓紋波系數大大減小；發電機轉子表面損耗、電機的電磁振動與噪聲干擾等得到降低；在相同幾何尺寸與有效材料消耗下，十二相發電機比三相發電機輸出功率提高7.87%［19］。基于以上特點，國內學者對十二相發電機展開了系統研究，華中科技大學李朗如教授論述了該類電機的基本原理和特點，分析了電樞磁勢的特征以及帶橋式整流輸出的整流特性［19］；馬偉明院士建立了該類電機的數學模型，給出了描述該類電機行為的最小參數集及其測量方法，并用諧波平衡法分析了該類電機突然不對稱短路［20］及帶整流橋時直流側突然短路過程［21］；海軍工程大學張曉鋒教授建立了該類電機帶整流負載的電路模型，并應用該模型分析了十二相同步發電機整流系統的運行穩定性。對3/12相雙繞組發電機的研究來說，上述文獻具有重要參考價值，許多結論可以直接應用，例如分析雙繞組發電機直流側突然短路時，就可將直流側突然短路等效為其交流側所有相對稱突然短路［21］。

3.整流系統

多相電機整流系統可以突破半導體器件的電流限制，得到大功率直流驅動電源。前期研究主要集中于穩態分析［1,2,19,22］，電機側作適當的簡化，根據橋式整流原理得到系統的輸入輸出關系。后續研究內容逐漸豐富，包括：分別對帶阻尼繞組的凸極同步電機、無阻尼繞組和帶阻尼繞組的隱極同步電機帶整流負載及其工作在不同模式下的特性進行分析［23-26］，其基本思路是忽略電阻的作用，轉子繞組磁鏈在換相期間守恒，由導通與換相間的邊界條件導出換相延遲角、換相角、換相電流、勵磁繞組和阻尼繞組電流等表達式，且認為換相電抗與交直軸超瞬變電抗等效；根據同步發電機整流系統換相時的等效電路，利用同步發電機整流系統非對稱突然短路電流的計算結果，求出六相、十二相同步發電機整流系統的等效換相電抗［27-28］；對六相雙Y電機帶整流負載時的特性進行了深入分析［29-30］。此外，還有文獻對交直流系統的控制系統設計、系統動態行為和穩定性問題進行了系統分析［20,31-40］，特別是利用線性化模型得到同步發電機整流系統穩定判據、運行穩定性計算方法以及系統穩定性機理的研究［20,31］，對交直流雙繞組發電機的動態分析和穩定性分析具有重要的參考價值。

4.交直流混合供電系統中諧波畸變問題

同步發電機帶整流負載時，由于換相的存在使得電壓波形出現缺口，引起畸變，導致在交流系統中產生較嚴重的諧波電流和諧波電壓。諧波電流將引起附加銅耗，定、轉子的諧波電流相互作用還將引起轉矩脈動［41］。特別是當發電機同時帶整流和交流負載時，整流負載由于電流換相會使交流電網電壓波形畸變，影響交流負載的正常工作，并產生嚴重的電磁干擾，降低系統電磁兼容性能。有學者對的三相同步發電機直接整流或經變壓器整流時的交流側電壓波形做了傅里葉級數分解，對電壓波形畸變率的計算公式及其影響因素進行了推導和分析［42］；有學者對于減小交流電壓的諧波和直流電壓紋波系數進行了研究［43-49］；還有學者建立了雙繞組交直流發電機系統的多回路仿真模型，對該系統的交流繞組線電壓波形畸變率進行了仿真，指出影響電能質量的主要原因和改進措施［6］。以上文獻對研究交直流系統的諧波、電磁兼容有重要參考價值。

5.仿真研究

得益于計算機技術的發展、仿真模型和算法的改進，電機分析、控制系統設計和電力電子裝置分析在仿真研究上不斷進步，取得了諸多成果。隨著專業軟件的日益完善，仿真研究越來越成為研究電機與電力電子系統的一個重要手段。

在仿真研究中，同步電機數學模型主要有：理想電機模型、多回路模型以及電磁場模型等。這其中理想電機模型應用最為普遍［36-40,50-59］，該方法的優點是計算簡單，模型結果誤差在工程允許范圍內，但難以考慮磁路飽和、磁場諧波等因素；多回路模型將電機看作具有相對運動的多個回路組成的電路［6,60-62］，特別適用于分析電機繞組的內部故障，但準確確定各回路參數較為困難且難以考慮磁路飽和；電磁場模型［3,63］是理論上最準確的分析方法，它不僅可以考慮氣隙磁場的諧波，而且可以考慮飽和的影響，但這種方法只適用于計算機仿真，無法得出解析解，如果完全按電機電磁場的實際情況進行仿真，計算量太大，現有計算機的運算速度還難以適應。

整流橋的仿真主要有以下幾種方法：模式分類法、簡化模型法、電路模型法。模式分類法［50-52,55-56,64-66］是利用枚舉的方法將各種可能的情況（模式）列出，對每一種模式均列寫方程，再確定各種可能狀態之間的轉換與約束條件，由于多相整流橋隨負載電流的變化可能出現多種模式，因此采用模式分類法分析該問題工作量相當大，有時甚至很困難［3］；簡化模型法是根據整流橋工作原理經簡化直接得到各物理量的表達式［1,23-26］，采用平均值模型［67-70］或將整流橋等效為三相對稱瞬變阻抗［71］，從而使系統得到簡化，但該方法的前提條件忽略了磁路飽和的影響，且只考慮空間基波磁場的作用；電路模型法［72-75］通常是采用理想電機模型，建立相應的等效電路，然后直接利用仿真軟件（如PSPICE、Simulink等）提供的元件模型對整流橋進行仿真，具有準確、方便、靈活的優點，但速度較慢。綜合這三種方法，電路模型法所得仿真波形與實測波形相當接近，體現了專業仿真軟件的優越性。這也說明，用專業仿真軟件代替科研人員自己編寫程序已經成為一種必然趨勢。

1.2.2 雙繞組發電機研究

1.穩態運行

由于技術保密等的原因，國外關于雙繞組發電機的參考文獻很少，研究對象均為3/3相雙繞組交直流發電機，研究內容也僅是利用計算機仿真對系統穩態運行狀況進行分析，包括雙繞組發電機的基本方程、穩態輸出電流電壓和轉矩波形、電感矩陣計算［2］、三相整流橋特點、整流繞組換向起止時間、換向電流、阻尼和勵磁繞組電流［1］等，對動態過程的分析涉及很少。

2.數學模型

目前雙繞組發電機的數學模型主要有如下三種。

第一種是傳統的dq0坐標系統數學模型（理想電機模型），這種模型的優點是參數物理意義明確，便于進行解析分析，但由于只考慮氣隙磁場的基波分量，而把諧波分量以差漏抗的形式進行近似，且未考慮飽和的影響，因此存在一定的誤差。這種誤差對普通三相電機來說并不大，屬于工程允許的范圍，而對多相電機來講，從十二相電機分析結果上看［21］，該誤差也在工程允許范圍內，所以用dq0坐標系統的數學模型來分析雙繞組發電機應該可行。參考文獻［5-6］各自建立了dq0坐標系統的數學模型，參考文獻［5］嚴格按照電機內各繞組的耦合情況建立了dq0坐標系統的模型，但是沒有利用兩套繞組間的耦合關系簡化模型，所得模型雖然準確但比較復雜，難以應用；參考文獻［6］通過考慮耦合和對漏抗進行一定的近似，建立了dq0坐標系統的簡明模型，由于動態過程與漏抗關系密切（如短路電流大小主要取決于漏抗），用該模型分析突然短路會帶來較大的誤差，但分析穩態情況應該比較準確。

第二種模型是基于多回路理論進行計算的模型［6］，第三種模型是用電機電磁場理論建立的模型［3］。這兩種模型前面已做了介紹，此處不再贅述。

3.參數測量

利用dq0坐標系統數學模型，可以得到雙繞組發電機穩態參數和瞬變參數的多種測量方法［5］，這為雙繞組發電機的分析和研究提供了必要的基礎；與之類似，采用多回路和電磁場計算的方法，也可對電機參數進行測量［3,6］。此外，隨著計算機技術和現代控制理論的發展，系統參數辨識理論和方法也迅速擴展［77-79］，它不僅可以從理論上重新認識同步電機的數學模型及參數問題，也為同步電機參數測量時的數據處理提供了許多可供選擇的計算方法與計算技巧。

4.運行穩定性

雙繞組發電機是普通三相同步發電機和同步發電機整流系統相結合的產物，因此雙繞組發電機既有與普通三相同步發電機和同步發電機整流系統一樣的運行工況和穩定性問題，又有其自身特點，是一個有待深入研究的領域。有學者采用理論分析、數字仿真、實際試驗等多種手段對3/12相同步發電機整流系統的運行穩定性進行了全面研究［20,31,36-40,80］，揭示了該類系統運行不穩定的機理，提出了參數匹配、交軸穩定繞組、穩定控制裝置等使同步發電機整流系統穩定運行的方法。

5.突然短路

同系統運行穩定性一樣，雙繞組發電機既有與普通三相同步發電機和同步發電機整流系統一樣的運行工況和突然短路問題，又有其自身特點。但目前關于雙繞組發電機突然短路研究的文獻很少，因此迫切需要對此進行深入的研究。

1.2.3 雙繞組發電機突然短路研究

1.一般同步發電機和同步發電機整流系統突然短路研究

對三相同步發電機的各種對稱和不對稱突然短路分析，早已有非常成熟的理論。很多文獻采用解析分析、數字仿真等多種手段對三相同步發電機的對稱和各種不對稱突然短路進行了全面研究［7-9,62,81-92］，揭示了突然短路過渡過程的物理機理，得到了短路后的最大沖擊電流、最大沖擊轉矩及其到達時刻，為該類電機及其保護裝置的優化設計提供了理論基礎。

對多相同步發電機突然短路的分析，也有比較成熟的理論。參考文獻［13-16］系統深入地研究了六相電機的各種不對稱和對稱短路；參考文獻［20］用諧波平衡法系統分析了十二相4Y移15°同步發電機的各種不對稱突然短路；參考文獻［21］從理論上證明了同步發電機整流系統直流側突然短路可等效為其交流側對稱突然短路，從而可以用一般同步發電機突然短路的分析方法研究整流系統直流側突然短路，這為分析同步發電機整流系統直流側突然短路鋪平了道路。

以上文獻所用的模型仍然是R.H.Park提出的“理想電機”模型，所用方法大都是從三相電機的分析方法引申而來，結果表明：Park理想電機模型，在多相電機的研究中仍然很有效。

2.雙繞組發電機系統突然短路研究

3/12相雙繞組發電機既有與一般三相同步發電機和同步發電機整流系統一樣的突然短路情況，又有它特有的突然短路情況；雙繞組發電機交流側或直流側單獨短路，與一般三相同步發電機和同步發電機整流系統突然短路一樣，其分析方法當然也完全相同；雙繞組發電機特有的短路情況主要有：交流側和直流側同時突然短路、交流側帶負載時直流側突然短路、直流側帶負載時交流側突然短路（包括對稱和不對稱短路）等。其中，交流側和直流側同時突然短路是雙繞組發電機的一種典型的故障工況，其地位與普通發電機三相對稱突然短路的地位相當，研究這種突然短路工況，可以深入揭示電機內部各繞組間的電磁耦合關系，對雙繞組發電機其他性能的研究具有指導意義，是一個非常值得深入研究的課題。

對雙繞組發電機特有的突然短路的研究，目前的文獻還很少。參考文獻［93］初步研究了交直流側同時發生突然短路時的沖擊電流和沖擊轉矩，但未對其進行系統深入的理論分析、仿真計算和試驗研究；參考文獻［94］用諧波平衡法分析了雙繞組發電機兩套繞組的突然不對稱短路；參考文獻［95-96］通過考慮兩套繞組間的耦合簡化了3/3相雙繞組發電機的數學模型，并對3/3相雙繞組發電機帶交流負載時直流側突然短路電流進行了分析，其方法可進一步引申到3/12相雙繞組發電機的分析中來。

參考文獻［6］對3/12相雙繞組發電機的交流側帶負載直流側突然短路進行了分析（用解析、仿真和試驗的方法），其多回路法仿真分析的誤差很小，而解析分析的誤差略大（最大誤差約18%）。究其原因，解析法在建立電機dq0模型時，利用交流繞組電抗參數表示整流繞組各相應參數（電抗與繞組有效匝數二次方成正比），將整流繞組各電磁量折合到交流繞組，并假設兩相繞組之間的互漏抗與自漏抗相等，使得各運算電抗xdy（p）、xdm（p）等完全相同，這樣處理雖然簡化了模型，但會帶來一些誤差，而且使參數的物理意義不明確，因此這種模型用來分析雙繞組發電機的穩態性能是準確的，但不適用于分析電機的突然短路。對電機的突然短路來說，決定最大短路電流數值的主要因素是超瞬變電抗等參數，而超瞬變電抗主要是由漏抗所決定，也就是說短路電流的大小主要取決于漏抗，所以參考文獻［6］對漏抗的近似處理直接導致了短路電流的誤差。此外，參考文獻［6］沒有對極其重要的物理量——電磁轉矩進行分析，并且只解出了一個定子時間常數（實際上雙繞組發電機有兩個不同的定子時間常數Ta1和Ta2）。

3.雙繞組發電機突然短路的研究方法

雙繞組發電機，由于兩套繞組之間的相互耦合，電磁關系變得相當復雜，分析其性能時需要特別處理兩套繞組之間的耦合關系，并進行適當的簡化。通常的研究方法如下。

（1）解析法

解析法是傳統的電機分析方法，用解析法來研究雙繞組發電機時，首先需要建立其dq0坐標系統的數學模型（電壓、磁鏈方程等），再根據端點條件，列寫相應微分方程，運用海維塞德運算微積法，解出有關電磁量（如電流、電壓、磁鏈和轉矩等）的解析表達式。該方法的特點是物理概念清晰，易于獲得規律性認識，但求解過程比較復雜。常用的方法有三要素法和諧波平衡法。

（2）仿真法

仿真法是通過建立適當的仿真模型（如abc或dq0坐標系統模型，多回路系統模型或電機電磁場模型等），對各種具體的運行情況進行仿真計算，以得出此時電磁量（電流、磁鏈和轉矩等）的波形。該方法的優點是可以根據研究需要任意改變系統參數，從而克服理論分析和模擬試驗的某些局限性，靈活方便，準確度高；缺點是不易獲得規律性認識，物理概念不明確。隨著計算機技術和專業仿真軟件的不斷發展，仿真法越來越成為研究同步發電機整流器系統的重要方法，尤其是對于雙繞組發電機，兩套繞組之間相互耦合，電磁關系變得更加復雜，解析分析越來越困難，在這種情況下，仿真法將成為一種重要的研究方法。

（3）試驗法

試驗法用于驗證解析分析和數字仿真的正確性，并對理論分析起指導作用，是必不可少的一種具有基礎性的研究方法。無論用何種方法進行研究，都必須經過試驗檢驗。

在實際研究中，上述三種方法應當有機地結合起來，互相補充，互相驗證，從而確保研究工作的順利進行。本書將采用上述三種方法，對雙繞組發電機的主要突然短路情況進行系統的分析。

另外，單純的三相和十二相電機突然短路的分析方法已經相當成熟，研究雙繞組電機突然短路時應充分借鑒，例如直流側短路的分析可等效為交流側對稱短路［21］。