交流勵磁發電機勵磁控制系統實驗研究

摘要：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。

關鍵詞：交流勵磁發電機；勵磁控制系統；實驗

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

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，如果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：

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：

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

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。所以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。所以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。

3結語

通過對交流勵磁發電機勵磁控制系統的研究可知，其具有很大的實用價值。

參考文獻：

[1]郝亮亮，王善銘，邱阿瑞，劉為群，吳龍，牟偉.多相無刷勵磁系統勵磁機定子電流諧波特性[J].清華大學學報：自然科學版，2011.

[2]曲璠.可供調壓調速異步電機使用的單片微機閉環控制器的設計[J].電子制作，2012.

（作者單位：長春理工大學光電信息學院）

作者簡介：易靚，1989年6月，女，漢族，江西萍鄉，碩士，講師，研究方向：電氣工程。