交流勵磁發電機勵磁控制系統實驗研究

姚 駿，夏先鋒，廖 勇

(重慶大學，重慶400044)

0 引 言

交流勵磁發電機具有超越傳統同步發電機和異步發電機的運行性能，具備有功、無功和轉速的獨立調節能力以及變速恒頻發電能力，尤其適用于抽水蓄能發電和風力發電等場合。采用合適的勵磁控制策略和性能優良的變頻勵磁電源是交流勵磁發電機能夠發揮其良好的調節性能、運行的靈活性及可靠性的關鍵［1－5］。

目前主要采用兩電平電壓型雙PWM變換器作為交流勵磁發電機的勵磁電源［5］。為簡化勵磁控制算法并保證良好的控制性能，本文采用基于定子電壓定向的轉子側變換器矢量控制策略實現發電機有功和無功功率的解耦控制，采用基于電網電壓定向的矢量控制技術實現網側變換器直流側電壓的穩定控制。

為簡化勵磁控制器的硬件和軟件設計，本文建立了基于TMS320F2812的雙PWM變換器勵磁的交流勵磁發電機勵磁控制系統，通過實驗全面深入地研究了交流勵磁發電機系統的運行行為，驗證了本設計的勵磁控制系統能夠滿足交流勵磁發電機的運行控制要求，其具有控制精度高、響應速度快等優點。

圖1 雙PWM變換器勵磁的交流勵磁發電機系統總體結構圖

1 交流勵磁用雙PWM變換器工作原理

圖1為雙PWM變換器勵磁的交流勵磁發電機系統總體結構圖，雙PWM變換器由電網側變換器和轉子側變換器所構成。兩個PWM變換器的電路拓撲結構完全相同，在轉子不同的能量流動方向狀態下，交替實現整流和逆變的功能。對于交流勵磁發電機而言，當其運行于次同步狀態時，轉子繞組吸收轉差功率，電網側變換器工作于PWM整流狀態，轉子側變換器工作于PWM逆變狀態;當發電機運行于超同步狀態時，部分轉差功率將由轉子繞組經勵磁變頻器回饋電網，此時轉子側變換器工作于PWM整流狀態，電網側變換器則工作于PWM逆變狀態。通過對網側變換器的控制可建立轉子側變換器所需的直流側電壓，利用合適的轉子側變換器控制策略可實現發電機的解耦勵磁控制。

2 轉子側變換器控制策略

2.1 交流勵磁發電機的數學模型

關于交流勵磁發電機的數學模型，在文獻［1－4］中都有介紹。在本文中，假設定、轉子的各物理量正方向均按照電動機慣例選取，轉子量均折算到定子側。設d－q坐標系以同步速度旋轉且q軸超前于d軸，則電機電壓和磁鏈方程為:

式中:Rs、Rr為定、轉子繞組等效電阻;Ls、Lr、Lm為定、轉子繞組自感及互感;usd、usq、urd、urq為d、q軸定、轉子電壓;isd、isq、ird、irq為d、q軸定、轉子電流;ψsd、ψsq、ψrd、ψrq為d、q軸定、轉子磁鏈;ω1、ωs為同步角速度和轉差角速度;p為微分算子。

由于交流勵磁發電機通常直接連接無窮大電網，定子電壓的幅值和頻率恒定，因此，若采用發電機定子電壓定向控制，則矢量控制系統可以大為簡化。將定子電壓綜合矢量定向在d軸上，則有:

式中:Us表示定子電壓綜合矢量的幅值，這時d軸的位置就是定子電壓綜合矢量的位置。將檢測到的定子三相電壓經過3/2坐標變換，得到靜止兩相坐標系下的定子電壓usα、usβ，可計算出定子電壓矢量的位置，由此得到d軸的位置θ1。

忽略電機定子電阻，將式(3)代入式(1)，且認為發電機穩態運行時定子磁鏈不變，則有:

此時式(2)的定子磁鏈方程可簡化為:

將該磁鏈方程代入電機電壓方程，有:

在d－q坐標系下的定子有功功率和無功功率:

2.2交流勵磁發電機解耦勵磁控制策略

文獻［1－4］介紹了一些交流勵磁發電機有功、無功功率解耦控制策略。本文從簡化控制入手，基于交流勵磁發電機定子電壓矢量控制，采用了功率、電流的雙閉環解耦勵磁控制策略。

由式(7)可知，發電機定子有功功率和無功功率分別與定子電流的轉矩分量和勵磁分量成線性關系，通過調節這兩個電流分量即可分別獨立控制定子的有功和無功功率。因此，控制系統外環采用有功和無功功率的閉環PI控制，其調節輸出量分別作為定子電流的d、q軸分量給定。

而由式(5)可知，發電機定子電流的d、q軸分量又分別與轉子電流的d、q軸分量成線性關系。因此，控制轉子電流即可實現對定子電流和功率的控制。利用式(5)可計算得到轉子電流d、q軸分量的給定值，通過調節轉子電流分量即可分別實現定子有功和無功功率的獨立控制。

由式(6)可得轉子電壓方程:

由式(8)可知，轉子d、q軸電壓和電流存在交叉耦合，為消除這一影響，對于轉子側電壓urd、urq可以通過對轉子d、q軸電流分別進行閉環PI控制，并加上相應電壓補償項得到，即:

其中:表示實現轉子電壓、電流解耦控制的電壓補償項。Kp1和τi1分別為PI調節器的比例系數和積分時間常數。

綜上所述，基于定子電壓定向的交流勵磁發電機有功、無功解耦勵磁控制框圖如圖2所示。

圖2 轉子側變換器控制框圖

3 網側變換器控制策略

網側變換器從本質上來說是一個電壓型PWM變換器，可工作于整流和逆變兩種工作狀態，從而可滿足變換器在電機轉速變化時的能量雙向流動要求。由如圖3所示的雙PWM變換器有功功率平衡圖可知，流過直流側電容的電流:

忽略變換器損耗，網側變換器輸入的瞬時功率:

轉子側變換器輸入的瞬時功率:

要使運行過程中變換器功率保持平衡，即Pg=Pr，則udc應為常值，需對udc采用閉環控制。

圖3 雙PWM變換器有功功率平衡圖

目前對于網側變換器常采用基于電網電壓定向的矢量控制技術［3］。假設d－q坐標系以同步速度旋轉且q軸超前于d軸，將電網電壓綜合矢量定向在d軸上，電網電壓在q軸上投影為零。將檢測到的電網三相電壓經過3/2坐標變換后可計算出電網電壓矢量的位置，即得到d軸的位置θe。

d－q坐標系下網側變換器輸入的有功功率和無功功率分別為:

式中:egd、egq分別為電網電壓d軸和q軸分量;igd、igq則分別為電網電流的d軸和q軸分量。調節電流矢量在d、q軸的分量，就可以獨立地控制變換器輸入的有功功率和無功功率(功率因數)。因此，當udc變化時，應該由igd來調節變換器的有功功率，以實現雙PWM變換器直流鏈電壓保持穩定，所以電壓閉環的調節輸出應為內環的有功電流給定i*gd。而網側變換器的無功電流給定i*gq則可根據變換器所需的無功功率來確定。

網側變換器在d－q坐標系下的數學模型可表示:

式中:Rg、Lg分別為網側變換器進線電抗器的電阻和電感;ugd、ugq分別為網側變換器的d、q軸控制電壓分量。

由式(15)可知，d、q軸電流除受控制電壓ugd和ugq的影響外，還受耦合電壓ωLgigq、－ωLgigd以及電網電壓egd的影響。因此，對d、q軸電流可進行閉環PI調節控制，并加上交叉耦合電壓補償項和電網電壓補償項即可得到最終的d、q軸控制電壓分量為:

式中:Kp2、τi2分別為PI調節器的比例系數和積分時間常數。

因此，對網側變換器可采用雙閉環控制，外環為直流電壓控制環，主要作用是穩定直流側電壓;內環為電流環，主要作用是跟蹤電壓外環輸出的有功電流指令以及設定的無功電流指令以實現快速的電流控制。網側變換器的電壓、電流雙閉環控制策略結構框圖如圖4所示。

圖4 網側變換器控制框圖

4 勵磁控制系統實驗

為驗證基于定子電壓定向的交流勵磁發電機解耦勵磁控制策略的正確性和有效性，以及雙PWM變換器所應具有的優良輸入、輸出特性和能量雙向流動能力，本文設計了基于TMS320F2812的交流勵磁發電機勵磁控制系統，圖5為實驗系統的組成結構圖。

圖5 交流勵磁發電機實驗系統結構圖

圖6 發有功2 000 W，吸無功1 000 var至發無功1 000 var

TMS320F2812作為勵磁控制器的核心處理器，負責處理從網側變換器和轉子側變換器采集到的各個信號，并經網側變換器矢量控制算法和轉子側變換器勵磁控制算法實現交流勵磁發電機的勵磁控制。

其中，實驗系統參數如下:

(1)交流勵磁發電機(經繞組折算后)參數:額定功率7.5 kW，定子額定電壓380 V/50 Hz，定子額定電流18 A，轉子額定電壓185 V，轉子額定電流28 A，定、轉子繞組Y/y聯接，極對數3，定子電阻0.828 5 Ω，定子漏感3.579 mH，轉子電阻702.7 mΩ，轉子漏感3.579 mH，定、轉子互感62.64 mH，轉動慣量0.15 kg·m2。

(2)電網側變換器參數:進線電抗器電阻0.1 Ω，電感5 mH，直流側電容6 800 μF，直流側電壓80 V。

圖6為發電機發2 000 W有功，無功從吸1 000 var階躍到發1 000 var時的有功、無功和轉速的實驗波形。圖7為發電機發1 000 var無功，有功從發1 000 W階躍到發2 000 W時的實驗波形。圖8為發電機發1 000 W有功，吸2 000 var無功，調節原動機使發電機由超同步到次同步運行時的網側變換器輸入線電壓、電流，直流側電壓，定、轉子電流以及電機有功、無功和轉速的實驗波形。

實驗中網側變換器按功率因數為1進行控制，上述各圖中出現的負有功功率表示發電機定子方向電網發出有功功率，而正無功功率則表示定子方向電網發出滯后無功，反之亦然。由圖6～圖8可得出以下結論:

(1)基于定子電壓定向的轉子側變換器矢量控制策略可實現發電機有功、無功和轉速的穩態解耦勵磁控制，且其動態調節性能優良;

(2)由圖8b、圖8c可知，網側變換器實現了單位功率因數運行，輸入電流波形近似正弦，展現了其優良的輸入特性，當轉子勵磁功率變化時，網側變換器具備較強的維持直流側電壓穩定的能力，實現了網側變換器的基本控制要求;

(3)由圖8d可知，當輸出功率保持不變而調節原動機速度從超同步到次同步變化時，轉子電流的頻率隨轉速的變化不斷調整，發電機具有良好的轉速跟隨能力，實現了變速恒頻發電運行;

(4)發電機在超同步和次同步狀態下均能保持穩定運行，且可實現從超同步到次同步的平穩過渡;

(5)由圖8b可知，在超同步運行狀態下，網側變換器工作于能量回饋狀態，網側電網電壓和電流反相，其仍舊保持單位功率因數運行。當發電機轉速跨越同步轉速時，網側變換器可實現輸入電流的平穩過渡，實現由逆變狀態到整流狀態工作方式的平滑切換，表明其具備能量雙向流動的能力。

5 結 語

本文詳細研究了交流勵磁發電機勵磁控制系統的基本工作原理，采用基于定子電壓定向的矢量控制策略實現了交流勵磁發電機有功、無功和轉速的解耦勵磁控制，采用基于電網電壓定向的矢量控制技術實現了網側變換器直流鏈電壓的穩定控制及單位功率因數控制。設計實現了交流勵磁發電機勵磁控制系統并完成了基本實驗，本控制系統原理清晰，結構簡單，易于實現，為進一步開發大容量交流勵磁發電勵磁控制系統奠定了基礎。

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