电励磁风力发电机组励磁控制

张 烨 胡书举 董志然赵 斌

（1.中国科学院电工研究所风能利用重点实验室 北京 100190 2.中国科学院研究生院 北京 100049 3.北京科诺伟业科技有限公司 北京 100083）

1 引言

在全世界倡导清洁能源的今天，风能作为一种无污染的能源，得到了大力的开发和研究。现在使用最为广泛的变速恒频风力发电系统主要分为双馈与直驱两种形式，其中直驱式风力发电机组由于省去了齿轮箱这一环节，在大容量机组中日渐占据优势。在直驱式风力发电机组发展初期，由于永磁发电机控制简单，效率较高，所以得到了广泛研究和应用，然而考虑到永磁材料本身是稀缺资源，材料价格日益上涨，对于大功率风力发电机组来说造价成本较高。另外电励磁同步发电机相比永磁发电机来说，还具有以下优点[1]：

（1）电励磁同步电机磁场可调，因此可以在一定程度上扩大其转速运行范围。

（2）一旦发生故障，普通的绕线式电励磁同步发电机可以快速灭磁，而永磁同步发电机却没有这种能力。

（3）永磁材料在恶劣运行环境下会有去磁效应，另外永磁材料本身资源有限，使得电励磁同步发电机更适用于大容量风电机组，例如海上风电等。

因此电励磁发电机成为一个新的发展方向[2]。传统发电方式的励磁控制技术已经较为成熟，而国内针对电励磁风力发电机组的研究尚在起步阶段，德国 Enercon公司虽长期致力于电励磁风电机组的研究与开发，然而鲜有公开文献。本文针对电励磁同步风力发电机组的结构特点，提出了一种基于斩波电路的励磁控制方案。文章首先简要介绍电励磁风力发电系统的结构，再从励磁调节器、励磁功率单元以及灭磁等方面着重介绍该励磁控制系统。

2 电励磁风力发电系统结构

电励磁机组采用全功率变流器结构,由励磁系统控制机端电压，变流器和变桨配合控制电机转速以及有功输出。其系统控制框图如图1所示。

图1 电励磁风力发电机组系统控制框图Fig.1 Control block diagram of the electrical-excited wind turbine system

文献[3,4]列举并比较了几种常用的变流器结构及控制策略，其中现在应用最为广泛的为背靠背双PWM 变流器结构。电机侧变流器与电网侧变流器从电路结构与控制方案上都非常相似，控制器通常为双环结构，采用PI调节器。

机侧变流器控制器为转矩或有功功率外环、dq轴电流内环结构，采用转子磁链定向。有功指令由主控根据MPPT控制策略给定，有功外环输出作为定子电流转矩分量参考值。

网侧变流器控制器为直流母线电压外环，dq电流内环结构，控制直流母线电压的稳定以及流向电网的有功和无功功率，采用电网电压定向[5]。

与永磁直驱风力发电系统中由永磁材料提供恒定转子磁场不同，电励磁发电机需要由励磁系统建立磁场。励磁控制系统包括励磁调节器与励磁功率单元两部分，励磁功率单元负责向同步发电机的转子绕组提供直流励磁电流，以建立磁场；励磁调节器负责在正常运行或发生故障时，根据检测到的发电机定子电压、电流或其他状态量信号，按照给定励磁控制算法调节励磁功率单元的输出励磁电流，以满足安全稳定运行需要。本文的励磁功率单元采用直流母线并联斩波电路的结构，由励磁调节器给出开关触发信号，通过改变斩波电路占空比以达到控制励磁电流的目的。

3 励磁控制系统

3.1 同步电机模型

在转子dq坐标系下同步电机电压和磁链方程

式中DdL ,DqL ——d轴、q轴阻尼绕组电感系数，

RDd,RDq——d轴、q轴阻尼绕组电阻系数。

稳态时同步电机的阻尼绕组不起作用，在 dq坐标系下，同步电机所有量为直流量，且保持不变[6]。可以得到电压方程

由式（3）可以看出，在定子电流变化下，可以通过调节励磁电流，将定子电压控制在给定值。

对于永磁同步发电机来说转子磁场强度不可调，因此当转速较高时需要通过调节定子直轴电流进行弱磁控制，而对于电励磁发电机则只需调节励磁电流，简化了机侧变流器的控制。并且可以在一定程度上提高转速运行范围，扩大风速利用区间。

3.2 励磁调节器

与传统发电系统不同，风力发电机组需要运行在变转速的情况下，因此需要根据发电机特性，得到转速-功率曲线以及转速-定子电压曲线，通过控制励磁电流，使定子电压稳定在一定的范围。图2所示为某电机厂家 2MW 机组的转速-功率及转速-电压曲线。

图2 转速-功率曲线和转速-电压曲线Fig.2 Speed-power curve and speed-voltage curve

采样三相电压通过软件锁相环[7]可得到电压有效值和转速。SPLL的原理图如图3所示。

图3 软件锁相环原理图Fig.3 Software PLL schematic

三相电压瞬时值在 abc三相坐标系上的表达式为

式中 θ——定子电压相角；

Um——相电压幅值。

通过dq坐标变换，投影到同步旋转坐标系，可以得到

由式（5）可以看出，若采用的控制得当，则稳态情况下，电压相角估计信号与实际信号相同，即，同时=0。本文的SPLL以作为参考信号，以定子电压相角估计值θˆ作为反馈信号，构成PI闭环控制。等功率坐标变换条件下，即等于定子线电压有效值 Us[8]，同时可以得到电角速度ω。根据电机转速通过查表获得定子电压参考值，可以利用插值法得到更为精确的参考值。

为了得到门极驱动信号，需要设计合适的控制策略。本文采用双闭环控制，外环为定子电压环，能够调节定子电压幅值达到给定值，内环为励磁电流环，实现励磁电流闭环跟踪。参考定子电压与实际定子电压 Us的偏差经PI调节后得到励磁电流参考值，再与采样励磁电流比较进行PI调节得到对斩波电路进行开关控制的调制信号。控制框图如图1中所示。

3.3 励磁功率单元

传统交流励磁系统中运用较为广泛的有自并励以及三机他励无刷励磁等方式[9]，均是采用三相桥式全控整流装置，通过控制晶闸管的触发角来控制输出励磁电流大小，此方法所采用的相控技术对时序的要求严格，存在交流侧电感对换相不利、功率因数低、线路复杂、损耗大、快速性差等缺陷[10]。

本文提出基于斩波电路的励磁系统，针对风力发电系统背靠背变流器本身的结构特点，直接从直流母线得到稳定的直流电压，再经过斩波电路，向励磁绕组供电。省去了专门的励磁机、整流电路等部件，简化了励磁系统结构，在一定程度上减小了发电机组体积，并降低了故障率。而由于风力发电系统运行时首先启动网侧变流器由电网向直流母线充电，这种结构无需额外的起励电源。

考虑到灭磁需要，采用图4的电路结构，发电机正常工作时，VT1、VT2导通，励磁绕组两端接正向电压，直流母线向励磁绕组充电；VT1、VT2关断，励磁绕组通过 VD1、VD2续流。通过控制 IGBT导通占空比得到可控的直流电压供给励磁绕组，控制励磁电流，从而得到可控的机端电压。而当发生故障时，VT1、VT2持续关断，相当于励磁绕组两端接反向电压，可用于快速灭磁。

图4 励磁斩波电路结构图Fig.4 Excitation chopper circuit structure

3.4 灭磁

同步发电机发生内部故障时，在继电保护装置快速将发电机与系统断开的同时，还要求迅速灭磁，以避免磁场电流产生的感应电动势继续维持故障电流[11]。所谓灭磁就是把转子励磁绕组中磁场储能尽快减弱到尽可能小的程度，自动灭磁系统应满足以下要求：

（1）当灭磁开关断开灭磁绕组时，绕组两端产生的过电压应在绕组绝缘允许的范围内。

（2）灭磁开关应有足够大的热容量，能把发电机磁场中的能量全部或大部分泄放给灭磁装置而不会使它因过热而烧坏。

比较常用的灭磁方式有，常值电阻灭磁，非线性电阻灭磁，灭弧栅灭磁等[12]。

利用桥式斩波电路，可以对励磁绕组提供反向电压，使灭磁过程迅速敏捷，并能在绕组绝缘允许的过电压情况下，接近理想的灭磁时间。使储藏在发电机转子绕组中的全部能量反馈给供电电源，同时也避免了电阻放电消耗能量时产生热量的问题。

图5和图6比较了常值电阻灭磁（Rm分别为20Ω，50Ω，100Ω）与利用斩波电路灭磁的效果。可以看出采用励磁绕组并联常值电阻 Rm形成回路放电的情况下，转子电流ifd开始时衰减很快，当衰减到一定程度后速度就会变慢。而灭磁速度明显受Rm阻值影响。如果以 ifd衰减到初值的百分之一所经历的时间作为灭磁时间来衡量的话，Rm=100Ω时才能与斩波电路的灭磁时间相比，而受励磁绕组两端电压即转子集电环间电压最高容许值的限制，Rm不能取值过大，因此斩波电路灭磁具有明显优势。

图5 励磁电流变化曲线Fig.5 Excitation current curve

图6 灭磁电阻反向电压变化曲线Fig.6 De-excitation resistance voltage curve

4 仿真结果

在 Matlab/Sinmulink中搭建了同步发电机以及励磁控制系统模型。分别针对负荷变化和转速变化两种运行状态以及灭磁过程进行仿真。

仿真所用电机参数为：额定功率2.2MW、额定定子电压690V、额定励磁电流85A、空载励磁电流51A、转速-电压曲线如图2中所示。

图7所示为负荷变化条件下得到的仿真结果。分别为定子电压有效值、励磁电流和定子电流有效值的变化波形。根据转速曲线，在该转速下定子电压给定值为600V。当t=1.5s时，负荷增大引起定子电流增大，为了抵消定子电流变化引起的电枢反应，励磁电流相应增大。从图7可以看出，经过短暂的动态过程，定子电压恢复到给定值。

图7 负荷变化时仿真波形Fig.7 Simulation waveforms when load varies

图8所示为转速变化条件下得到的仿真结果。分别为定子电压有效值、励磁电流和电机转速的变化波形。初始电压给定值为614V，t=1.5s时，转速从13.5r/min跳变到16.5r/min，根据转速-电压曲线，参考电压给定值从614V变化到690V。通过励磁电流调节，定子电压可以跟随给定值变化。

图8 转速变化时仿真波形Fig.8 Simulation waveforms when speed varies

图9所示为定子端发生短路故障时的灭磁过程。分别为定子电压有效值、定子电流有效值和励磁电流的变化波形。初始状态，发电机正常运行，当t=9s时，定子端发生三相短路，定子电压跳变为0V，引起定子电流上升，从图中可以看出，采用斩波电路灭磁方式，可以使励磁电流迅速下降，有效遏制定子电流。

图9 灭磁过程波形Fig.9 Simulation waveforms of de-excitation

5 实验结果

在 1.5MW 同步发电机上进行实验，由调压器接不控整流电路来模拟直流母线电压，用以对励磁功率单元供电。电机空载情况下直接给定定子电压额定值690V，起动时实验波形和稳态时实验波形分别如图10和图11所示。

图10 起动特性波形Fig.10 Waveform of start characteristic

图11 稳态特性波形Fig.11 Waveform of steady state characteristic

图中三路信号分别为励磁电压，励磁电流和定子电压，其中励磁电压由调压器接不控整流提供，因此有一定波动,对励磁电流波形有一定影响。由实验波形可以看出该励磁控制器电压响应速度较快，控制效果较好，精度较高。

6 结论

本文提出的励磁控制方案，在不同转速以及负荷变化的情况下，通过改变励磁电流，控制定子电压跟随给定值，并且采用直流母线配合斩波电路充当励磁功率单元，励磁响应速度较快，且同时省去了额外的灭磁装置，可以利用斩波电路实现快速灭磁。

励磁控制系统的响应速度还受励磁顶值电压影响，而在该励磁系统中，由于直流母线充当励磁电源，顶值电压无法超过直流母线电压值，因此，对于某些电机当励磁绕组电感较大时，励磁电流的响应速度会相对较慢。另外电励磁发电机也同样适用于使用单级齿轮箱的场合。

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