交流励磁发电机励磁控制系统实验研究
摘要：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。
关键词：交流励磁发电机；励磁控制系统；实验
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
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，如果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：
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：
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
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。所以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。所以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。
3结语
通过对交流励磁发电机勵磁控制系统的研究可知，其具有很大的实用价值。
参考文献：
[1]郝亮亮，王善铭，邱阿瑞，刘为群，吴龙，牟伟.多相无刷励磁系统励磁机定子电流谐波特性[J].清华大学学报：自然科学版，2011.
[2]曲璠.可供调压调速异步电机使用的单片微机闭环控制器的设计[J].电子制作，2012.
（作者单位：长春理工大学光电信息学院）
作者简介：易靓，1989年6月，女，汉族，江西萍乡，硕士，讲师，研究方向：电气工程。