电励磁同步发电机的变励磁控制策略

2017-06-05喻俊鹏

电源学报 2017年3期

胡斌, 王琰，喻俊鹏

（深圳市禾望电气股份有限公司，深圳 518055）

电励磁同步发电机的变励磁控制策略

胡斌, 王琰，喻俊鹏

（深圳市禾望电气股份有限公司，深圳 518055）

考虑到风电领域的电励磁同步发电机稳定工作需求，在恒定励磁电流的情况下分析电机的功角特性和运行风险，提出了结构简单、控制灵活的变励磁控制方案，该励磁模块直接由稳定的直流母线供电，省去了复杂的相控整流电源，安全可靠且成本低。基于Matlab仿真，研究了不同功率的励磁电流对电机功率因素和定子电流的影响。最后，通过实验结果证明了变励磁方案的可行性，及其相对恒励磁控制在发电效率上的优势。关键词：电励磁；变励磁；Buck电路

在21世纪全球新能源提倡绿色能源的大背景下，风能作为发展最快的清洁能源抓住了这次高速发展机遇。其中，直驱风电机组以其可靠性高、低电压穿越能力强、并网灵活等优势而备受瞩目，市场占有率也逐年提高。

早期的直驱风电机组通常采用永磁同步电机，然而随着稀土保护政策和供求关系的影响，永磁发电电机的成本有所增加，使得电励磁同步电机EESG（electrically excited synchronous generator）成为了直驱风电机组的一个重要发展方向。德国Enercon公司使用的风力发电机就是采用EESG，目前最大容量为7.5 MW；而湘电成为国内首个研发出大功率电励磁商用风电机组的公司。

相比永磁电机而言，电励磁电机不仅具有节省系统成本、转动惯量小、无失磁风险等优点，而且磁场可调、功率因数高，在故障时刻还可以进行快速灭磁。但是由于EESG是一个多输入的非线性、强耦合系统，且转子的励磁特性很容易受到温度和负载的影响，所以有必要对电励磁同步电机的稳定性进行分析。

1 EESG矢量控制数学模型

根据矢量控制的需求，对电励磁同步机数学模型做Clarke变换和Park变换，得到dq旋转坐标系下的电压矩阵方程为

式中：Usd、Usq和Uf分别为定子等效d/q轴电压和转子励磁电压；Rs、Rf、Rrd和 Rrq分别为定子相电阻、转子励磁阻抗和转子等效d/q轴电阻；Lsd、Lsq和 isd、isq分别为 d、q轴等效同步电感和电流；Lrd、Lrq和 ird、irq分别为转子等效d、q电感和电流；Lmd、Lmq分别为定子等效d、q轴互感；Lf、If分别为转子励磁电感和励磁电流；ω1为转子同步电角速度；p为微分因子。

根据上述同步电机的数学模型，可以选择不同的磁链矢量作为定向坐标轴。按气隙磁链定向，可以实现转矩分量与励磁分量的解耦控制，并在负载变化时定子电压可保持不变，不同负载下均可实现高功率因数运行，不存在动态过程中的饱和问题等优点，因此在大功率的风力发电系统中，均采用气隙磁链定向控制。在气隙磁链定向下，同步电机的矢量控制如图1所示。

图1 EESG的气隙磁链定向矢量Fig.1 Air gap flux-oriented vectors of EESG

气隙磁链分量分别表示为

式中：ψmM、ψmT分别为气隙磁链的励磁分量和转矩分量；Lm为定子互感；θL为负载角度。

只要在控制中，保持气隙磁链ψm的T轴分量ψmT=0，同时维持气隙磁链的M轴分量ψmM稳定不变，即气隙磁链的幅值|ψm|恒定，则转矩方程为

式中：Te为电磁转矩；np为转子极对数；ψm为气隙磁链矢量；is为定子电流合成矢量；isT为定子电流的转矩分量。由式（3）可知电磁转矩与定子电流的转矩分量isT呈线性关系，实现了转矩与磁链的解耦控制。在矢量控制模式下，发电机转矩更平稳，发电功率更平顺，电机转速可快速跟踪最佳叶尖速比。

2 EESG功角特性

在转子励磁电流恒定的情况下，忽略凸极同步电机的定子阻抗R，则凸极同步发电机的相量如图2所示。则凸极电励磁同步电机的电磁功率为

图2 凸极EESG相量Fig.2 Phasor of salient pole EESG

对式（4）两边同时除以机械角速度ωm，则电磁转矩为

式中：E0和Us分别为定子感应电动势和定子端口电压；φ、φ和θ分别为功率因数角、内功率因数角和功角；Xd和Xq分别为直轴和交轴同步电抗。

即凸极同步电机的电磁转矩由基本转矩和磁阻转矩两部分组成。

隐极同步发电机EESG的转矩特性如图3所示。由于磁路对称，Xd=Xq，则电磁转矩为

图3 隐极EESG的转矩特性Fig.3 Torque characteristic of non-salient pole EESG

以隐极EESG为例，根据式（6）可知：当θ=90°时，电磁转矩最大；当0＜θ＜90°时，发电机能够稳定工作；当90°＜θ＜180°时，发电机转矩失控。

（1）若EESG稳定运行于θ1，此时电磁转矩Te1和机械转矩Tm1相等，即Te1=Tm1；当机械转矩增大到Tm2，转子转速变快，励磁感应电动势超前，θ增大；当θ=θ2＜90°时，电磁转矩Te2和机械转矩Tm2重新达到平衡，即Te2=Tm2，EESG仍以同步转速稳定运行；如果负载转矩回到Tm1，θ减小至θ1，电磁转矩也回到Te1，继续维持稳定发电。

（2）若EESG稳定运行于θ3，此时电磁转矩Te3和机械转矩相等，即Te3=Tm3；当机械转矩增大到Tm4，转子转速升高，θ增大，电磁转矩反而减小，最终同步发电机转速偏离同步转速，即转矩失控、失步。

3 电励磁变流器拓扑

水力和火力发电中的同步电机通常运用的自并励或他励无刷励磁装置，大多采用三相全控整流电路，通过调节可控功率器件的导通角来改变励磁电流的大小。这种拓扑的相控复杂，且交流电感不利于换相、损耗大、动态响应慢。

电励磁全功率变流器充分利用双脉宽调制PWM（pulse width modulation）变流器的结构特征，直接从直流母线获取稳定的直流电压，经过Buck电路向转子绕组快速提供平滑的励磁电流，变励磁Buck电路拓扑如图4所示。这种设计方案，省去励磁机和整流电路，简化励磁系统，降低硬件成本，提高了功率密度和系统可靠性，同时该励磁方案在电网跌落的低压穿越期间，母线能量能维持励磁的输出，保证系统的稳定可控。

图4 变励磁Buck电路拓扑Fig.4 Topological of variable excitation Buck circuit

电励磁系统励磁模块其主要包括IGBT开关器件、续流二极管、dudt电感和RC吸收组成。正常发电时，VT2开通，励磁绕组迅速充电；VT2关断，励磁绕组经续流二极管D0和VD1快速放电。改变VT2触发脉冲的占空比，就可以控制Buck电路输出电压的大小，从而调节励磁电流和定子感应电压。与永磁同步电机相比，在故障停机过程中，励磁回路的IGBT立即封波，续流二极管短暂续流，励磁电流消失，定子端口电压减小，实现灭磁功能；而在维护过程中，由于没有励磁电流，电机的晃动不至于形成定子感应电动势，危及人员和设备。图5为现场试验波形，图中，通道1为定子电压，通道2为励磁电压，通道3为励磁电流，通道4为定子电流。

图5 电励磁同步电机的试验波形Fig.5 Test waveforms of electrically excited synchronous generator

4 EESG的励磁状态区

对于额定工作电压 Us下稳定运行的凸极EESG，根据图2所示的相量，忽略定子阻抗R，同理可得到相应同步发电机的无功功率为

对于隐极EESG而言，交、直轴同步电抗相等Xd=Xq=XT，则无功功率为

同样以隐极EESG为例进行分析。

（1）当定子电压Us与电流Is同向时，φ=0，发电机仅发有功，不发无功，电机处于正常励磁状态；

（2）当转子励磁电流If增大，E0增大，定子电流Is也增大，并滞后于定子电压Us，φ＞0，发电机输出滞后无功，发电机处于过励状态；

（3）当转子励磁电流If减小，E0减小，定子电流Is增大，但超前于定子电压Us，φ＜0，发电机输出超前无功，发电机处于欠励状态。

（4）当励磁电流减小，使得定子感应电势E0和定子电压Us垂直，θ=90°，发电机达到静态稳定运行极限。

假设EESG的定子端口电压和输出功率不变，定子感应电动势与转子励磁电流呈线性关系，且不考虑磁路饱和，则利用Matlab验证国内某2 MW电励磁电机的定子电流Is与转子励磁电流If之间的关系仿真。仿真所使用的电机参数为：额定转速14.5 rpm，极对数np=40，Ld=352.1 mH，Lq=271.8 mH，结果如图6所示。图中，P1、P2、P3、P4分别为4种不同功率等级下相对电机额定功率的功率标幺值。

图6 电励磁同步发电机的V形曲线Fig.6 V-curves of electrically excited synchronous generator

从仿真结果来看，特定输出功率下定子电流与励磁电流的关系曲线，形状如“V”，故被称为V形曲线。每条V形曲线的最低点，也就是该功率等级下的最小定子电流点，cos φ=1，相应的励磁状态为正常励磁。正常励磁左侧为欠励磁区，功率因数超前，右侧为过励磁区，功率因数滞后。在欠励区内，存在一条对应于θ=90°的静态稳定极限曲线。

5 变励磁调节

传统的电励磁同步发电机应用于火力和水力发电，定子绕组直接连接电网，电压、频率、转速和励磁电流都维持恒定。在电励磁同步机的风力发电系统中，恒励磁是目前电励磁同步机风电系统常用的一种方案，这种方式励磁调节简单，但并不是最优的控制方式。为了保证系统在大风下能够满功率稳定运行，恒励磁控制方式的励磁电流给定值需要按照满载所需要的励磁电流来设定，这就会造成在低风速、小功率工况下同步机处于过励磁状态，不仅造成了励磁损耗，还会增加定子铜耗。

从前面的电励磁同步机稳定运行分析可以看出，只要维持同步机的功角在合理角度范围内，电机运行的稳定性就可以得到保证。因此，如果让同步机工作在欠励磁稳定区，只需给电机提供较小的励磁电流。另外，根据励磁V型特性曲线，在小功率下励磁电流可以进一步减小，而不影响系统的稳定性。由于风电所用电励磁励磁阻抗比较大，如果能够有效地减小励磁电流，就可以大幅降低励磁损耗，减小励磁绕组的发热量，有利于提高风机系统的发电效率。

从某2 MW电励磁风机系统的电机实际测试结果来看，励磁绕组阻抗为11.4 Ω，恒励磁控制方案下，系统满载稳定运行所需的励磁电流为84.5 A。对比变流器优化控制方案，在小功率下维持同步机稳定运行所需励磁电流仅57.5 A，励磁电流减小27 A，励磁损耗减小43.7 kW；在机侧同步并网前，变励磁控制方式可以以较小的励磁电流（10 A）跟踪电机的转速，并网后增大励磁，正常发电，因此，待机下可以大幅减小励磁损耗。

恒励磁与变励磁的损耗对比如表1所示。从表1可以看出，采用励磁优化控制可以有效提高风机发电效率，降低励磁绕组发热。图7为2 MW电励磁同步电机在不同功率下的励磁电流和励磁损耗优化曲线。

表1 恒励磁与变励磁的损耗对比Tab.1 Comparison of field loss between constant excitation and variable excitation

图7 励磁电流和励磁损耗对比Fig.7 Comparison of field current and loss

6 结语

本文针对电励磁同步发电机在风力发电中的应用，分析了不同磁链定向的优缺点，并在气隙磁链定向下建立电机的数学模型。分别从电励磁电机的有功功率和无功功率的角度，深入分析了EESG的功角特性、稳定工作区和励磁特性，并使用Matlab进行仿真验证励磁电流与电枢电流的关系。最后针对其在风点领域的应用，分析了变励磁控制方式的可行性和应用优势。

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Variable Excitation Control Strategy for Electrically Excited Synchronous Generator

HU Bin，WANG Yan，YU Junpeng
（Shenzhen Hopewind Electric Co.Ltd.,Shenzhen 518055,China）

Considering the stably operation of the electrically excited synchronous analyzed generator in the wind power field,the power angle characteristics and operational risk of the motor is and a simple,flexible,variable excitation control scheme with a simple structure is presented,in which scheme the excitation module is directly supplied by the stable DC bus,without complex phase controlled rectification power supply safely,reliably and economically.Based on the Matlab simulation,the influence of different power excitation current on the power factor and stator current of the motor is studied.Finally,the experiment results prove the feasibility of variable excitation scheme,and relatively constant excitation control in power efficiency advantage.

electrical excitation;variable excitation;Buck circuit