電勵磁同步發(fā)電機(jī)的變勵磁控制策略

2017-06-05 14:58:03喻俊鵬

電源學(xué)報(bào) 2017年3期

胡斌, 王琰，喻俊鵬

（深圳市禾望電氣股份有限公司，深圳 518055）

胡斌, 王琰，喻俊鵬

（深圳市禾望電氣股份有限公司，深圳 518055）

考慮到風(fēng)電領(lǐng)域的電勵磁同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定工作需求，在恒定勵磁電流的情況下分析電機(jī)的功角特性和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，提出了結(jié)構(gòu)簡單、控制靈活的變勵磁控制方案，該勵磁模塊直接由穩(wěn)定的直流母線供電，省去了復(fù)雜的相控整流電源，安全可靠且成本低?；贛atlab仿真，研究了不同功率的勵磁電流對電機(jī)功率因素和定子電流的影響。最后，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了變勵磁方案的可行性，及其相對恒勵磁控制在發(fā)電效率上的優(yōu)勢。關(guān)鍵詞：電勵磁；變勵磁；Buck電路

在21世紀(jì)全球新能源提倡綠色能源的大背景下，風(fēng)能作為發(fā)展最快的清潔能源抓住了這次高速發(fā)展機(jī)遇。其中，直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組以其可靠性高、低電壓穿越能力強(qiáng)、并網(wǎng)靈活等優(yōu)勢而備受矚目，市場占有率也逐年提高。

早期的直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組通常采用永磁同步電機(jī)，然而隨著稀土保護(hù)政策和供求關(guān)系的影響，永磁發(fā)電電機(jī)的成本有所增加，使得電勵磁同步電機(jī)EESG（electrically excited synchronous generator）成為了直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的一個重要發(fā)展方向。德國Enercon公司使用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)就是采用EESG，目前最大容量為7.5 MW；而湘電成為國內(nèi)首個研發(fā)出大功率電勵磁商用風(fēng)電機(jī)組的公司。

相比永磁電機(jī)而言，電勵磁電機(jī)不僅具有節(jié)省系統(tǒng)成本、轉(zhuǎn)動慣量小、無失磁風(fēng)險(xiǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而且磁場可調(diào)、功率因數(shù)高，在故障時刻還可以進(jìn)行快速滅磁。但是由于EESG是一個多輸入的非線性、強(qiáng)耦合系統(tǒng)，且轉(zhuǎn)子的勵磁特性很容易受到溫度和負(fù)載的影響，所以有必要對電勵磁同步電機(jī)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 EESG矢量控制數(shù)學(xué)模型

根據(jù)矢量控制的需求，對電勵磁同步機(jī)數(shù)學(xué)模型做Clarke變換和Park變換，得到dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓矩陣方程為

式中：Usd、Usq和Uf分別為定子等效d/q軸電壓和轉(zhuǎn)子勵磁電壓；Rs、Rf、Rrd和 Rrq分別為定子相電阻、轉(zhuǎn)子勵磁阻抗和轉(zhuǎn)子等效d/q軸電阻；Lsd、Lsq和 isd、isq分別為 d、q軸等效同步電感和電流；Lrd、Lrq和 ird、irq分別為轉(zhuǎn)子等效d、q電感和電流；Lmd、Lmq分別為定子等效d、q軸互感；Lf、If分別為轉(zhuǎn)子勵磁電感和勵磁電流；ω1為轉(zhuǎn)子同步電角速度；p為微分因子。

根據(jù)上述同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，可以選擇不同的磁鏈?zhǔn)噶孔鳛槎ㄏ蜃鴺?biāo)軸。按氣隙磁鏈定向，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩分量與勵磁分量的解耦控制，并在負(fù)載變化時定子電壓可保持不變，不同負(fù)載下均可實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行，不存在動態(tài)過程中的飽和問題等優(yōu)點(diǎn)，因此在大功率的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，均采用氣隙磁鏈定向控制。在氣隙磁鏈定向下，同步電機(jī)的矢量控制如圖1所示。

圖1 EESG的氣隙磁鏈定向矢量Fig.1 Air gap flux-oriented vectors of EESG

氣隙磁鏈分量分別表示為

式中：ψmM、ψmT分別為氣隙磁鏈的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量；Lm為定子互感；θL為負(fù)載角度。

只要在控制中，保持氣隙磁鏈ψm的T軸分量ψmT=0，同時維持氣隙磁鏈的M軸分量ψmM穩(wěn)定不變，即氣隙磁鏈的幅值|ψm|恒定，則轉(zhuǎn)矩方程為

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；np為轉(zhuǎn)子極對數(shù)；ψm為氣隙磁鏈?zhǔn)噶?；is為定子電流合成矢量；isT為定子電流的轉(zhuǎn)矩分量。由式（3）可知電磁轉(zhuǎn)矩與定子電流的轉(zhuǎn)矩分量isT呈線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩與磁鏈的解耦控制。在矢量控制模式下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩更平穩(wěn)，發(fā)電功率更平順，電機(jī)轉(zhuǎn)速可快速跟蹤最佳葉尖速比。

2 EESG功角特性

在轉(zhuǎn)子勵磁電流恒定的情況下，忽略凸極同步電機(jī)的定子阻抗R，則凸極同步發(fā)電機(jī)的相量如圖2所示。則凸極電勵磁同步電機(jī)的電磁功率為

圖2 凸極EESG相量Fig.2 Phasor of salient pole EESG

對式（4）兩邊同時除以機(jī)械角速度ωm，則電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：E0和Us分別為定子感應(yīng)電動勢和定子端口電壓；φ、φ和θ分別為功率因數(shù)角、內(nèi)功率因數(shù)角和功角；Xd和Xq分別為直軸和交軸同步電抗。

即凸極同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩由基本轉(zhuǎn)矩和磁阻轉(zhuǎn)矩兩部分組成。

隱極同步發(fā)電機(jī)EESG的轉(zhuǎn)矩特性如圖3所示。由于磁路對稱，Xd=Xq，則電磁轉(zhuǎn)矩為

圖3 隱極EESG的轉(zhuǎn)矩特性Fig.3 Torque characteristic of non-salient pole EESG

以隱極EESG為例，根據(jù)式（6）可知：當(dāng)θ=90°時，電磁轉(zhuǎn)矩最大；當(dāng)0＜θ＜90°時，發(fā)電機(jī)能夠穩(wěn)定工作；當(dāng)90°＜θ＜180°時，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩失控。

（1）若EESG穩(wěn)定運(yùn)行于θ1，此時電磁轉(zhuǎn)矩Te1和機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm1相等，即Te1=Tm1；當(dāng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩增大到Tm2，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變快，勵磁感應(yīng)電動勢超前，θ增大；當(dāng)θ=θ2＜90°時，電磁轉(zhuǎn)矩Te2和機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm2重新達(dá)到平衡，即Te2=Tm2，EESG仍以同步轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行；如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩回到Tm1，θ減小至θ1，電磁轉(zhuǎn)矩也回到Te1，繼續(xù)維持穩(wěn)定發(fā)電。

（2）若EESG穩(wěn)定運(yùn)行于θ3，此時電磁轉(zhuǎn)矩Te3和機(jī)械轉(zhuǎn)矩相等，即Te3=Tm3；當(dāng)機(jī)械轉(zhuǎn)矩增大到Tm4，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，θ增大，電磁轉(zhuǎn)矩反而減小，最終同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速偏離同步轉(zhuǎn)速，即轉(zhuǎn)矩失控、失步。

3 電勵磁變流器拓?fù)?/h2>
水力和火力發(fā)電中的同步電機(jī)通常運(yùn)用的自并勵或他勵無刷勵磁裝置，大多采用三相全控整流電路，通過調(diào)節(jié)可控功率器件的導(dǎo)通角來改變勵磁電流的大小。這種拓?fù)涞南嗫貜?fù)雜，且交流電感不利于換相、損耗大、動態(tài)響應(yīng)慢。
電勵磁全功率變流器充分利用雙脈寬調(diào)制PWM（pulse width modulation）變流器的結(jié)構(gòu)特征，直接從直流母線獲取穩(wěn)定的直流電壓，經(jīng)過Buck電路向轉(zhuǎn)子繞組快速提供平滑的勵磁電流，變勵磁Buck電路拓?fù)淙鐖D4所示。這種設(shè)計(jì)方案，省去勵磁機(jī)和整流電路，簡化勵磁系統(tǒng)，降低硬件成本，提高了功率密度和系統(tǒng)可靠性，同時該勵磁方案在電網(wǎng)跌落的低壓穿越期間，母線能量能維持勵磁的輸出，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可控。
圖4 變勵磁Buck電路拓?fù)銯ig.4 Topological of variable excitation Buck circuit
電勵磁系統(tǒng)勵磁模塊其主要包括IGBT開關(guān)器件、續(xù)流二極管、dudt電感和RC吸收組成。正常發(fā)電時，VT2開通，勵磁繞組迅速充電；VT2關(guān)斷，勵磁繞組經(jīng)續(xù)流二極管D0和VD1快速放電。改變VT2觸發(fā)脈沖的占空比，就可以控制Buck電路輸出電壓的大小，從而調(diào)節(jié)勵磁電流和定子感應(yīng)電壓。與永磁同步電機(jī)相比，在故障停機(jī)過程中，勵磁回路的IGBT立即封波，續(xù)流二極管短暫續(xù)流，勵磁電流消失，定子端口電壓減小，實(shí)現(xiàn)滅磁功能；而在維護(hù)過程中，由于沒有勵磁電流，電機(jī)的晃動不至于形成定子感應(yīng)電動勢，危及人員和設(shè)備。圖5為現(xiàn)場試驗(yàn)波形，圖中，通道1為定子電壓，通道2為勵磁電壓，通道3為勵磁電流，通道4為定子電流。
圖5 電勵磁同步電機(jī)的試驗(yàn)波形Fig.5 Test waveforms of electrically excited synchronous generator

4 EESG的勵磁狀態(tài)區(qū)

對于額定工作電壓 Us下穩(wěn)定運(yùn)行的凸極EESG，根據(jù)圖2所示的相量，忽略定子阻抗R，同理可得到相應(yīng)同步發(fā)電機(jī)的無功功率為

對于隱極EESG而言，交、直軸同步電抗相等Xd=Xq=XT，則無功功率為

同樣以隱極EESG為例進(jìn)行分析。

（1）當(dāng)定子電壓Us與電流Is同向時，φ=0，發(fā)電機(jī)僅發(fā)有功，不發(fā)無功，電機(jī)處于正常勵磁狀態(tài)；

（2）當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁電流If增大，E0增大，定子電流Is也增大，并滯后于定子電壓Us，φ＞0，發(fā)電機(jī)輸出滯后無功，發(fā)電機(jī)處于過勵狀態(tài)；

（3）當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁電流If減小，E0減小，定子電流Is增大，但超前于定子電壓Us，φ＜0，發(fā)電機(jī)輸出超前無功，發(fā)電機(jī)處于欠勵狀態(tài)。

（4）當(dāng)勵磁電流減小，使得定子感應(yīng)電勢E0和定子電壓Us垂直，θ=90°，發(fā)電機(jī)達(dá)到靜態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行極限。

假設(shè)EESG的定子端口電壓和輸出功率不變，定子感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)子勵磁電流呈線性關(guān)系，且不考慮磁路飽和，則利用Matlab驗(yàn)證國內(nèi)某2 MW電勵磁電機(jī)的定子電流Is與轉(zhuǎn)子勵磁電流If之間的關(guān)系仿真。仿真所使用的電機(jī)參數(shù)為：額定轉(zhuǎn)速14.5 rpm，極對數(shù)np=40，Ld=352.1 mH，Lq=271.8 mH，結(jié)果如圖6所示。圖中，P1、P2、P3、P4分別為4種不同功率等級下相對電機(jī)額定功率的功率標(biāo)幺值。

圖6 電勵磁同步發(fā)電機(jī)的V形曲線Fig.6 V-curves of electrically excited synchronous generator

從仿真結(jié)果來看，特定輸出功率下定子電流與勵磁電流的關(guān)系曲線，形狀如“V”，故被稱為V形曲線。每條V形曲線的最低點(diǎn)，也就是該功率等級下的最小定子電流點(diǎn)，cos φ=1，相應(yīng)的勵磁狀態(tài)為正常勵磁。正常勵磁左側(cè)為欠勵磁區(qū)，功率因數(shù)超前，右側(cè)為過勵磁區(qū)，功率因數(shù)滯后。在欠勵區(qū)內(nèi)，存在一條對應(yīng)于θ=90°的靜態(tài)穩(wěn)定極限曲線。

5 變勵磁調(diào)節(jié)

傳統(tǒng)的電勵磁同步發(fā)電機(jī)應(yīng)用于火力和水力發(fā)電，定子繞組直接連接電網(wǎng)，電壓、頻率、轉(zhuǎn)速和勵磁電流都維持恒定。在電勵磁同步機(jī)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中，恒勵磁是目前電勵磁同步機(jī)風(fēng)電系統(tǒng)常用的一種方案，這種方式勵磁調(diào)節(jié)簡單，但并不是最優(yōu)的控制方式。為了保證系統(tǒng)在大風(fēng)下能夠滿功率穩(wěn)定運(yùn)行，恒勵磁控制方式的勵磁電流給定值需要按照滿載所需要的勵磁電流來設(shè)定，這就會造成在低風(fēng)速、小功率工況下同步機(jī)處于過勵磁狀態(tài)，不僅造成了勵磁損耗，還會增加定子銅耗。

從前面的電勵磁同步機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行分析可以看出，只要維持同步機(jī)的功角在合理角度范圍內(nèi)，電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性就可以得到保證。因此，如果讓同步機(jī)工作在欠勵磁穩(wěn)定區(qū)，只需給電機(jī)提供較小的勵磁電流。另外，根據(jù)勵磁V型特性曲線，在小功率下勵磁電流可以進(jìn)一步減小，而不影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于風(fēng)電所用電勵磁勵磁阻抗比較大，如果能夠有效地減小勵磁電流，就可以大幅降低勵磁損耗，減小勵磁繞組的發(fā)熱量，有利于提高風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的發(fā)電效率。

從某2 MW電勵磁風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的電機(jī)實(shí)際測試結(jié)果來看，勵磁繞組阻抗為11.4 Ω，恒勵磁控制方案下，系統(tǒng)滿載穩(wěn)定運(yùn)行所需的勵磁電流為84.5 A。對比變流器優(yōu)化控制方案，在小功率下維持同步機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行所需勵磁電流僅57.5 A，勵磁電流減小27 A，勵磁損耗減小43.7 kW；在機(jī)側(cè)同步并網(wǎng)前，變勵磁控制方式可以以較小的勵磁電流（10 A）跟蹤電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)后增大勵磁，正常發(fā)電，因此，待機(jī)下可以大幅減小勵磁損耗。

恒勵磁與變勵磁的損耗對比如表1所示。從表1可以看出，采用勵磁優(yōu)化控制可以有效提高風(fēng)機(jī)發(fā)電效率，降低勵磁繞組發(fā)熱。圖7為2 MW電勵磁同步電機(jī)在不同功率下的勵磁電流和勵磁損耗優(yōu)化曲線。

表1 恒勵磁與變勵磁的損耗對比Tab.1 Comparison of field loss between constant excitation and variable excitation

圖7 勵磁電流和勵磁損耗對比Fig.7 Comparison of field current and loss

6 結(jié)語

本文針對電勵磁同步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用，分析了不同磁鏈定向的優(yōu)缺點(diǎn)，并在氣隙磁鏈定向下建立電機(jī)的數(shù)學(xué)模型。分別從電勵磁電機(jī)的有功功率和無功功率的角度，深入分析了EESG的功角特性、穩(wěn)定工作區(qū)和勵磁特性，并使用Matlab進(jìn)行仿真驗(yàn)證勵磁電流與電樞電流的關(guān)系。最后針對其在風(fēng)點(diǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用，分析了變勵磁控制方式的可行性和應(yīng)用優(yōu)勢。

［1］丁學(xué)文．電力拖動運(yùn)動控制系統(tǒng)［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

［2］劉新正，蘇少平，高琳．電機(jī)學(xué)［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2014.

［3］李春林．同步電機(jī)穩(wěn)定性仿真分析［J］．電機(jī)與控制應(yīng)用，2008，35（6）：11-13．Li Chunlin．Simulation and analysis of stability of synchronous machine［J］．Electric Machines&Control Application，2008，35（6）：11-13（in Chinese）．

［4］趙新，金新民，李葛亮，等．直驅(qū)型電勵磁同步發(fā)電機(jī)新型磁鏈觀測技術(shù)［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，28（10）：75-80．Zhao xin，Jin Xinmin，Li Geliang，et al．New flux observer of direct-drive electrically excited synchronous generators［J］．Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（10）：75-80（in Chinese）．

［5］周楠，朱德明，陳志輝．直驅(qū)式多轉(zhuǎn)子極電勵磁雙凸極風(fēng)力發(fā)電機(jī)研究［J］.電源學(xué)報(bào)，2008，6（3）：232-237．Zhou Nan，Zhu Demin，Chen Zhihui．A novel multiple rotor poles doubly salient electromagnetic generator for direct driven wind turbine［J］．Journal of Power Supply，2008，6（3）：232-237（in Chinese）．

［6］龍世鵬，周揚(yáng)忠．并網(wǎng)型電勵磁同步電機(jī)風(fēng)力發(fā)電控制策略研究［J］.電源學(xué)報(bào)，2013，11（5）：81-86．Long Shipeng，Zhou Yangzhong．Control strategy research for grid-connected wind energy generation based on electrically excited synchronous generator［J］．Journal of Power Supply，2013，11（5）：81-86（in Chinese）．

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