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可变频变压器数学模型及仿真分析

(发布日期：2014-5-7 14:08:00) 来源：

随着电力技术的发展，出现了更具优势的新型异步电网互联装置——可变频变压器(variable frequency transformer，VFT)，VFT能够很好地克服HVDC的缺陷，并且已经在加拿大魁北克省投入运行。可变频变压器VFT的主体结构是定、转子均为三相绕组的旋转变压器，其转子由直流电机和电力电子拖动系统控制，以改变与定子的相对位置，从而快速调节功率的传输。

采用可变频变压器VFT进行异步电网互联的构想十分新颖，但所使用的技术都是成熟技术，如水力发电和抽水蓄能发电技术、双馈电机技术、电力电子的变速拖动技术。基于可变频变压器VFT的面对面异步电网互联技术将是背靠背异步联网技术的有力竞争者。可变频变压器VFT的诸多优势已被广泛关注，但由于其问世时间不长，相关文献较少，人们对可变频变压器VFT数学模型的分析和数值仿真的研究更不充分。本文将以可变频变压器VFT的结构和基本原理为基础推导可变频变压器VFT的数学模型并提出控制策略，探索可变频变压器VFT的数值仿真模型和仿真分析方法，以便深入了解可变频变压器VFT的各种特性。

1、可变频变压器VFT的基本结构及工作原理
可变频变压器VFT主要包括3部分：旋转变压器、直流驱动电机和集电环。旋转变压器由定、转子三相绕组组成，转子与直流电机同轴，集电环负责在三相转子绕组与系统静止母线之间传导电流。

可变频变压器VFT实际上是一个可连续调节的移相变压器，其核心部件是具有三相定子与转子绕组的旋转变压装置，运行时转子侧连接一个电网，定子侧连接另一个电网。在转子轴上安装有直流驱动电机的转子绕组，通过直流电机的驱动力矩来调节转子的转速和角度。当三相绕组接入电网时，其中将流过三相对称电流，产生频率为50 Hz的旋转磁场。不考虑直流电机的作用，定、转子绕组所产生的磁场之间的相角为零，不存在功率的传输。当直流电机产生转矩驱动转子旋转使得该相角不为零时，将有功率流过可变频变压器VFT，且与旋转变压器的相角成比例。旋转变压器所传送的功率是施加在其转子上的转矩的函数。

2、可变频变压器VFT的数字仿真
可变频变压器VFT仿真模型分为3个部分：旋转变压器、直流电机驱动控制系统和功率控制回路。其中直流电机驱动控制系统包括双馈直流电机、电力电子整流装置和转矩调节系统，功率控制回路包括功率测量环节和反馈回路等，旋转变压器模型可以由PSCAD/ EMTDC中的三相绕线式异步电机来表征。

电源由单机无穷大系统表示，额定电压为230 kV，额定功率为120 MW，内阻为1 Ω；定子侧频率为60 Hz，转子侧频率为50 Hz；负荷为100 MW电阻性负荷。变压器1、2侧额定电压比为230 kV/13.8 kV，额定功率100 MVA；三相绕线式异步电机的额定电压为13.8 kV，额定功率100 MW，定、转子匝数比为1。

结论：
可变频变压器VFT数学模型揭示了VFT内在的电磁、电路关系。仿真结果表明：在实际运行中，没有转矩作用时可变频变压器VFT不产生功率的传输；当施加转矩后，发生了功率的传输，通过改变转矩大小可以平滑地调节传输功率。这验证了本文建立的可变频变压器VFT数学模型的正确性，也说明使用三相绕线式异步电机代替旋转变压器进行仿真的思路是可行的。

仿真结果同时说明了可变频变压器VFT在异步电网互联中的突出优势：传输功率对转矩的响应速度快，调节平滑，且不产生谐波，对电网的电压质量没有影响；在电网发生故障时能够很好地抑制故障，防止故障的进一步传播。

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