交流励磁发电机励磁控制系统实验研究

姚 骏，夏先锋，廖 勇

(重庆大学，重庆400044)

0 引 言

交流励磁发电机具有超越传统同步发电机和异步发电机的运行性能，具备有功、无功和转速的独立调节能力以及变速恒频发电能力，尤其适用于抽水蓄能发电和风力发电等场合。采用合适的励磁控制策略和性能优良的变频励磁电源是交流励磁发电机能够发挥其良好的调节性能、运行的灵活性及可靠性的关键［1－5］。

目前主要采用两电平电压型双PWM变换器作为交流励磁发电机的励磁电源［5］。为简化励磁控制算法并保证良好的控制性能，本文采用基于定子电压定向的转子侧变换器矢量控制策略实现发电机有功和无功功率的解耦控制，采用基于电网电压定向的矢量控制技术实现网侧变换器直流侧电压的稳定控制。

为简化励磁控制器的硬件和软件设计，本文建立了基于TMS320F2812的双PWM变换器励磁的交流励磁发电机励磁控制系统，通过实验全面深入地研究了交流励磁发电机系统的运行行为，验证了本设计的励磁控制系统能够满足交流励磁发电机的运行控制要求，其具有控制精度高、响应速度快等优点。

图1 双PWM变换器励磁的交流励磁发电机系统总体结构图

1 交流励磁用双PWM变换器工作原理

图1为双PWM变换器励磁的交流励磁发电机系统总体结构图，双PWM变换器由电网侧变换器和转子侧变换器所构成。两个PWM变换器的电路拓扑结构完全相同，在转子不同的能量流动方向状态下，交替实现整流和逆变的功能。对于交流励磁发电机而言，当其运行于次同步状态时，转子绕组吸收转差功率，电网侧变换器工作于PWM整流状态，转子侧变换器工作于PWM逆变状态;当发电机运行于超同步状态时，部分转差功率将由转子绕组经励磁变频器回馈电网，此时转子侧变换器工作于PWM整流状态，电网侧变换器则工作于PWM逆变状态。通过对网侧变换器的控制可建立转子侧变换器所需的直流侧电压，利用合适的转子侧变换器控制策略可实现发电机的解耦励磁控制。

2 转子侧变换器控制策略

2.1 交流励磁发电机的数学模型

关于交流励磁发电机的数学模型，在文献［1－4］中都有介绍。在本文中，假设定、转子的各物理量正方向均按照电动机惯例选取，转子量均折算到定子侧。设d－q坐标系以同步速度旋转且q轴超前于d轴，则电机电压和磁链方程为:

式中:Rs、Rr为定、转子绕组等效电阻;Ls、Lr、Lm为定、转子绕组自感及互感;usd、usq、urd、urq为d、q轴定、转子电压;isd、isq、ird、irq为d、q轴定、转子电流;ψsd、ψsq、ψrd、ψrq为d、q轴定、转子磁链;ω1、ωs为同步角速度和转差角速度;p为微分算子。

由于交流励磁发电机通常直接连接无穷大电网，定子电压的幅值和频率恒定，因此，若采用发电机定子电压定向控制，则矢量控制系统可以大为简化。将定子电压综合矢量定向在d轴上，则有:

式中:Us表示定子电压综合矢量的幅值，这时d轴的位置就是定子电压综合矢量的位置。将检测到的定子三相电压经过3/2坐标变换，得到静止两相坐标系下的定子电压usα、usβ，可计算出定子电压矢量的位置，由此得到d轴的位置θ1。

忽略电机定子电阻，将式(3)代入式(1)，且认为发电机稳态运行时定子磁链不变，则有:

此时式(2)的定子磁链方程可简化为:

将该磁链方程代入电机电压方程，有:

在d－q坐标系下的定子有功功率和无功功率:

2.2交流励磁发电机解耦励磁控制策略

文献［1－4］介绍了一些交流励磁发电机有功、无功功率解耦控制策略。本文从简化控制入手，基于交流励磁发电机定子电压矢量控制，采用了功率、电流的双闭环解耦励磁控制策略。

由式(7)可知，发电机定子有功功率和无功功率分别与定子电流的转矩分量和励磁分量成线性关系，通过调节这两个电流分量即可分别独立控制定子的有功和无功功率。因此，控制系统外环采用有功和无功功率的闭环PI控制，其调节输出量分别作为定子电流的d、q轴分量给定。

而由式(5)可知，发电机定子电流的d、q轴分量又分别与转子电流的d、q轴分量成线性关系。因此，控制转子电流即可实现对定子电流和功率的控制。利用式(5)可计算得到转子电流d、q轴分量的给定值，通过调节转子电流分量即可分别实现定子有功和无功功率的独立控制。

由式(6)可得转子电压方程:

由式(8)可知，转子d、q轴电压和电流存在交叉耦合，为消除这一影响，对于转子侧电压urd、urq可以通过对转子d、q轴电流分别进行闭环PI控制，并加上相应电压补偿项得到，即:

其中:表示实现转子电压、电流解耦控制的电压补偿项。Kp1和τi1分别为PI调节器的比例系数和积分时间常数。

综上所述，基于定子电压定向的交流励磁发电机有功、无功解耦励磁控制框图如图2所示。

图2 转子侧变换器控制框图

3 网侧变换器控制策略

网侧变换器从本质上来说是一个电压型PWM变换器，可工作于整流和逆变两种工作状态，从而可满足变换器在电机转速变化时的能量双向流动要求。由如图3所示的双PWM变换器有功功率平衡图可知，流过直流侧电容的电流:

忽略变换器损耗，网侧变换器输入的瞬时功率:

转子侧变换器输入的瞬时功率:

要使运行过程中变换器功率保持平衡，即Pg=Pr，则udc应为常值，需对udc采用闭环控制。

图3 双PWM变换器有功功率平衡图

目前对于网侧变换器常采用基于电网电压定向的矢量控制技术［3］。假设d－q坐标系以同步速度旋转且q轴超前于d轴，将电网电压综合矢量定向在d轴上，电网电压在q轴上投影为零。将检测到的电网三相电压经过3/2坐标变换后可计算出电网电压矢量的位置，即得到d轴的位置θe。

d－q坐标系下网侧变换器输入的有功功率和无功功率分别为:

式中:egd、egq分别为电网电压d轴和q轴分量;igd、igq则分别为电网电流的d轴和q轴分量。调节电流矢量在d、q轴的分量，就可以独立地控制变换器输入的有功功率和无功功率(功率因数)。因此，当udc变化时，应该由igd来调节变换器的有功功率，以实现双PWM变换器直流链电压保持稳定，所以电压闭环的调节输出应为内环的有功电流给定i*gd。而网侧变换器的无功电流给定i*gq则可根据变换器所需的无功功率来确定。

网侧变换器在d－q坐标系下的数学模型可表示:

式中:Rg、Lg分别为网侧变换器进线电抗器的电阻和电感;ugd、ugq分别为网侧变换器的d、q轴控制电压分量。

由式(15)可知，d、q轴电流除受控制电压ugd和ugq的影响外，还受耦合电压ωLgigq、－ωLgigd以及电网电压egd的影响。因此，对d、q轴电流可进行闭环PI调节控制，并加上交叉耦合电压补偿项和电网电压补偿项即可得到最终的d、q轴控制电压分量为:

式中:Kp2、τi2分别为PI调节器的比例系数和积分时间常数。

因此，对网侧变换器可采用双闭环控制，外环为直流电压控制环，主要作用是稳定直流侧电压;内环为电流环，主要作用是跟踪电压外环输出的有功电流指令以及设定的无功电流指令以实现快速的电流控制。网侧变换器的电压、电流双闭环控制策略结构框图如图4所示。

图4 网侧变换器控制框图

4 励磁控制系统实验

为验证基于定子电压定向的交流励磁发电机解耦励磁控制策略的正确性和有效性，以及双PWM变换器所应具有的优良输入、输出特性和能量双向流动能力，本文设计了基于TMS320F2812的交流励磁发电机励磁控制系统，图5为实验系统的组成结构图。

图5 交流励磁发电机实验系统结构图

图6 发有功2 000 W，吸无功1 000 var至发无功1 000 var

TMS320F2812作为励磁控制器的核心处理器，负责处理从网侧变换器和转子侧变换器采集到的各个信号，并经网侧变换器矢量控制算法和转子侧变换器励磁控制算法实现交流励磁发电机的励磁控制。

其中，实验系统参数如下:

(1)交流励磁发电机(经绕组折算后)参数:额定功率7.5 kW，定子额定电压380 V/50 Hz，定子额定电流18 A，转子额定电压185 V，转子额定电流28 A，定、转子绕组Y/y联接，极对数3，定子电阻0.828 5 Ω，定子漏感3.579 mH，转子电阻702.7 mΩ，转子漏感3.579 mH，定、转子互感62.64 mH，转动惯量0.15 kg·m2。

(2)电网侧变换器参数:进线电抗器电阻0.1 Ω，电感5 mH，直流侧电容6 800 μF，直流侧电压80 V。

图6为发电机发2 000 W有功，无功从吸1 000 var阶跃到发1 000 var时的有功、无功和转速的实验波形。图7为发电机发1 000 var无功，有功从发1 000 W阶跃到发2 000 W时的实验波形。图8为发电机发1 000 W有功，吸2 000 var无功，调节原动机使发电机由超同步到次同步运行时的网侧变换器输入线电压、电流，直流侧电压，定、转子电流以及电机有功、无功和转速的实验波形。

实验中网侧变换器按功率因数为1进行控制，上述各图中出现的负有功功率表示发电机定子方向电网发出有功功率，而正无功功率则表示定子方向电网发出滞后无功，反之亦然。由图6～图8可得出以下结论:

(1)基于定子电压定向的转子侧变换器矢量控制策略可实现发电机有功、无功和转速的稳态解耦励磁控制，且其动态调节性能优良;

(2)由图8b、图8c可知，网侧变换器实现了单位功率因数运行，输入电流波形近似正弦，展现了其优良的输入特性，当转子励磁功率变化时，网侧变换器具备较强的维持直流侧电压稳定的能力，实现了网侧变换器的基本控制要求;

(3)由图8d可知，当输出功率保持不变而调节原动机速度从超同步到次同步变化时，转子电流的频率随转速的变化不断调整，发电机具有良好的转速跟随能力，实现了变速恒频发电运行;

(4)发电机在超同步和次同步状态下均能保持稳定运行，且可实现从超同步到次同步的平稳过渡;

(5)由图8b可知，在超同步运行状态下，网侧变换器工作于能量回馈状态，网侧电网电压和电流反相，其仍旧保持单位功率因数运行。当发电机转速跨越同步转速时，网侧变换器可实现输入电流的平稳过渡，实现由逆变状态到整流状态工作方式的平滑切换，表明其具备能量双向流动的能力。

5 结 语

本文详细研究了交流励磁发电机励磁控制系统的基本工作原理，采用基于定子电压定向的矢量控制策略实现了交流励磁发电机有功、无功和转速的解耦励磁控制，采用基于电网电压定向的矢量控制技术实现了网侧变换器直流链电压的稳定控制及单位功率因数控制。设计实现了交流励磁发电机励磁控制系统并完成了基本实验，本控制系统原理清晰，结构简单，易于实现，为进一步开发大容量交流励磁发电励磁控制系统奠定了基础。

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