張 燁 胡書舉 董志然趙 斌

（1.中國科學院電工研究所風能利用重點實驗室 北京 100190 2.中國科學院研究生院 北京 100049 3.北京科諾偉業(yè)科技有限公司 北京 100083）

1 引言

在全世界倡導清潔能源的今天，風能作為一種無污染的能源，得到了大力的開發(fā)和研究。現(xiàn)在使用最為廣泛的變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)主要分為雙饋與直驅(qū)兩種形式，其中直驅(qū)式風力發(fā)電機組由于省去了齒輪箱這一環(huán)節(jié)，在大容量機組中日漸占據(jù)優(yōu)勢。在直驅(qū)式風力發(fā)電機組發(fā)展初期，由于永磁發(fā)電機控制簡單，效率較高，所以得到了廣泛研究和應用，然而考慮到永磁材料本身是稀缺資源，材料價格日益上漲，對于大功率風力發(fā)電機組來說造價成本較高。另外電勵磁同步發(fā)電機相比永磁發(fā)電機來說，還具有以下優(yōu)點[1]：

（1）電勵磁同步電機磁場可調(diào)，因此可以在一定程度上擴大其轉速運行范圍。

（2）一旦發(fā)生故障，普通的繞線式電勵磁同步發(fā)電機可以快速滅磁，而永磁同步發(fā)電機卻沒有這種能力。

（3）永磁材料在惡劣運行環(huán)境下會有去磁效應，另外永磁材料本身資源有限，使得電勵磁同步發(fā)電機更適用于大容量風電機組，例如海上風電等。

因此電勵磁發(fā)電機成為一個新的發(fā)展方向[2]。傳統(tǒng)發(fā)電方式的勵磁控制技術已經(jīng)較為成熟，而國內(nèi)針對電勵磁風力發(fā)電機組的研究尚在起步階段，德國 Enercon公司雖長期致力于電勵磁風電機組的研究與開發(fā)，然而鮮有公開文獻。本文針對電勵磁同步風力發(fā)電機組的結構特點，提出了一種基于斬波電路的勵磁控制方案。文章首先簡要介紹電勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)的結構，再從勵磁調(diào)節(jié)器、勵磁功率單元以及滅磁等方面著重介紹該勵磁控制系統(tǒng)。

2 電勵磁風力發(fā)電系統(tǒng)結構

電勵磁機組采用全功率變流器結構,由勵磁系統(tǒng)控制機端電壓，變流器和變槳配合控制電機轉速以及有功輸出。其系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 電勵磁風力發(fā)電機組系統(tǒng)控制框圖Fig.1 Control block diagram of the electrical-excited wind turbine system

文獻[3,4]列舉并比較了幾種常用的變流器結構及控制策略，其中現(xiàn)在應用最為廣泛的為背靠背雙PWM 變流器結構。電機側變流器與電網(wǎng)側變流器從電路結構與控制方案上都非常相似，控制器通常為雙環(huán)結構，采用PI調(diào)節(jié)器。

機側變流器控制器為轉矩或有功功率外環(huán)、dq軸電流內(nèi)環(huán)結構，采用轉子磁鏈定向。有功指令由主控根據(jù)MPPT控制策略給定，有功外環(huán)輸出作為定子電流轉矩分量參考值。

網(wǎng)側變流器控制器為直流母線電壓外環(huán)，dq電流內(nèi)環(huán)結構，控制直流母線電壓的穩(wěn)定以及流向電網(wǎng)的有功和無功功率，采用電網(wǎng)電壓定向[5]。

與永磁直驅(qū)風力發(fā)電系統(tǒng)中由永磁材料提供恒定轉子磁場不同，電勵磁發(fā)電機需要由勵磁系統(tǒng)建立磁場。勵磁控制系統(tǒng)包括勵磁調(diào)節(jié)器與勵磁功率單元兩部分，勵磁功率單元負責向同步發(fā)電機的轉子繞組提供直流勵磁電流，以建立磁場；勵磁調(diào)節(jié)器負責在正常運行或發(fā)生故障時，根據(jù)檢測到的發(fā)電機定子電壓、電流或其他狀態(tài)量信號，按照給定勵磁控制算法調(diào)節(jié)勵磁功率單元的輸出勵磁電流，以滿足安全穩(wěn)定運行需要。本文的勵磁功率單元采用直流母線并聯(lián)斬波電路的結構，由勵磁調(diào)節(jié)器給出開關觸發(fā)信號，通過改變斬波電路占空比以達到控制勵磁電流的目的。

3 勵磁控制系統(tǒng)

3.1 同步電機模型

在轉子dq坐標系下同步電機電壓和磁鏈方程

式中DdL ,DqL ——d軸、q軸阻尼繞組電感系數(shù)，

RDd,RDq——d軸、q軸阻尼繞組電阻系數(shù)。

穩(wěn)態(tài)時同步電機的阻尼繞組不起作用，在 dq坐標系下，同步電機所有量為直流量，且保持不變[6]?？梢缘玫诫妷悍匠?/p>

由式（3）可以看出，在定子電流變化下，可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流，將定子電壓控制在給定值。

對于永磁同步發(fā)電機來說轉子磁場強度不可調(diào)，因此當轉速較高時需要通過調(diào)節(jié)定子直軸電流進行弱磁控制，而對于電勵磁發(fā)電機則只需調(diào)節(jié)勵磁電流，簡化了機側變流器的控制。并且可以在一定程度上提高轉速運行范圍，擴大風速利用區(qū)間。

3.2 勵磁調(diào)節(jié)器

與傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)不同，風力發(fā)電機組需要運行在變轉速的情況下，因此需要根據(jù)發(fā)電機特性，得到轉速-功率曲線以及轉速-定子電壓曲線，通過控制勵磁電流，使定子電壓穩(wěn)定在一定的范圍。圖2所示為某電機廠家 2MW 機組的轉速-功率及轉速-電壓曲線。

圖2 轉速-功率曲線和轉速-電壓曲線Fig.2 Speed-power curve and speed-voltage curve

采樣三相電壓通過軟件鎖相環(huán)[7]可得到電壓有效值和轉速。SPLL的原理圖如圖3所示。

圖3 軟件鎖相環(huán)原理圖Fig.3 Software PLL schematic

三相電壓瞬時值在 abc三相坐標系上的表達式為

式中 θ——定子電壓相角；

Um——相電壓幅值。

通過dq坐標變換，投影到同步旋轉坐標系，可以得到

由式（5）可以看出，若采用的控制得當，則穩(wěn)態(tài)情況下，電壓相角估計信號與實際信號相同，即，同時=0。本文的SPLL以作為參考信號，以定子電壓相角估計值θ?作為反饋信號，構成PI閉環(huán)控制。等功率坐標變換條件下，即等于定子線電壓有效值 Us[8]，同時可以得到電角速度ω。根據(jù)電機轉速通過查表獲得定子電壓參考值，可以利用插值法得到更為精確的參考值。

為了得到門極驅(qū)動信號，需要設計合適的控制策略。本文采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)為定子電壓環(huán)，能夠調(diào)節(jié)定子電壓幅值達到給定值，內(nèi)環(huán)為勵磁電流環(huán)，實現(xiàn)勵磁電流閉環(huán)跟蹤。參考定子電壓與實際定子電壓 Us的偏差經(jīng)PI調(diào)節(jié)后得到勵磁電流參考值，再與采樣勵磁電流比較進行PI調(diào)節(jié)得到對斬波電路進行開關控制的調(diào)制信號。控制框圖如圖1中所示。

3.3 勵磁功率單元

傳統(tǒng)交流勵磁系統(tǒng)中運用較為廣泛的有自并勵以及三機他勵無刷勵磁等方式[9]，均是采用三相橋式全控整流裝置，通過控制晶閘管的觸發(fā)角來控制輸出勵磁電流大小，此方法所采用的相控技術對時序的要求嚴格，存在交流側電感對換相不利、功率因數(shù)低、線路復雜、損耗大、快速性差等缺陷[10]。

本文提出基于斬波電路的勵磁系統(tǒng)，針對風力發(fā)電系統(tǒng)背靠背變流器本身的結構特點，直接從直流母線得到穩(wěn)定的直流電壓，再經(jīng)過斬波電路，向勵磁繞組供電。省去了專門的勵磁機、整流電路等部件，簡化了勵磁系統(tǒng)結構，在一定程度上減小了發(fā)電機組體積，并降低了故障率。而由于風力發(fā)電系統(tǒng)運行時首先啟動網(wǎng)側變流器由電網(wǎng)向直流母線充電，這種結構無需額外的起勵電源。

考慮到滅磁需要，采用圖4的電路結構，發(fā)電機正常工作時，VT1、VT2導通，勵磁繞組兩端接正向電壓，直流母線向勵磁繞組充電；VT1、VT2關斷，勵磁繞組通過 VD1、VD2續(xù)流。通過控制 IGBT導通占空比得到可控的直流電壓供給勵磁繞組，控制勵磁電流，從而得到可控的機端電壓。而當發(fā)生故障時，VT1、VT2持續(xù)關斷，相當于勵磁繞組兩端接反向電壓，可用于快速滅磁。

圖4 勵磁斬波電路結構圖Fig.4 Excitation chopper circuit structure

3.4 滅磁

同步發(fā)電機發(fā)生內(nèi)部故障時，在繼電保護裝置快速將發(fā)電機與系統(tǒng)斷開的同時，還要求迅速滅磁，以避免磁場電流產(chǎn)生的感應電動勢繼續(xù)維持故障電流[11]。所謂滅磁就是把轉子勵磁繞組中磁場儲能盡快減弱到盡可能小的程度，自動滅磁系統(tǒng)應滿足以下要求：

（1）當滅磁開關斷開滅磁繞組時，繞組兩端產(chǎn)生的過電壓應在繞組絕緣允許的范圍內(nèi)。

（2）滅磁開關應有足夠大的熱容量，能把發(fā)電機磁場中的能量全部或大部分泄放給滅磁裝置而不會使它因過熱而燒壞。

比較常用的滅磁方式有，常值電阻滅磁，非線性電阻滅磁，滅弧柵滅磁等[12]。

利用橋式斬波電路，可以對勵磁繞組提供反向電壓，使滅磁過程迅速敏捷，并能在繞組絕緣允許的過電壓情況下，接近理想的滅磁時間。使儲藏在發(fā)電機轉子繞組中的全部能量反饋給供電電源，同時也避免了電阻放電消耗能量時產(chǎn)生熱量的問題。

圖5和圖6比較了常值電阻滅磁（Rm分別為20Ω，50Ω，100Ω）與利用斬波電路滅磁的效果?？梢钥闯霾捎脛畲爬@組并聯(lián)常值電阻 Rm形成回路放電的情況下，轉子電流ifd開始時衰減很快，當衰減到一定程度后速度就會變慢。而滅磁速度明顯受Rm阻值影響。如果以 ifd衰減到初值的百分之一所經(jīng)歷的時間作為滅磁時間來衡量的話，Rm=100Ω時才能與斬波電路的滅磁時間相比，而受勵磁繞組兩端電壓即轉子集電環(huán)間電壓最高容許值的限制，Rm不能取值過大，因此斬波電路滅磁具有明顯優(yōu)勢。

圖5 勵磁電流變化曲線Fig.5 Excitation current curve

圖6 滅磁電阻反向電壓變化曲線Fig.6 De-excitation resistance voltage curve

4 仿真結果

在 Matlab/Sinmulink中搭建了同步發(fā)電機以及勵磁控制系統(tǒng)模型。分別針對負荷變化和轉速變化兩種運行狀態(tài)以及滅磁過程進行仿真。

仿真所用電機參數(shù)為：額定功率2.2MW、額定定子電壓690V、額定勵磁電流85A、空載勵磁電流51A、轉速-電壓曲線如圖2中所示。

圖7所示為負荷變化條件下得到的仿真結果。分別為定子電壓有效值、勵磁電流和定子電流有效值的變化波形。根據(jù)轉速曲線，在該轉速下定子電壓給定值為600V。當t=1.5s時，負荷增大引起定子電流增大，為了抵消定子電流變化引起的電樞反應，勵磁電流相應增大。從圖7可以看出，經(jīng)過短暫的動態(tài)過程，定子電壓恢復到給定值。

圖7 負荷變化時仿真波形Fig.7 Simulation waveforms when load varies

圖8所示為轉速變化條件下得到的仿真結果。分別為定子電壓有效值、勵磁電流和電機轉速的變化波形。初始電壓給定值為614V，t=1.5s時，轉速從13.5r/min跳變到16.5r/min，根據(jù)轉速-電壓曲線，參考電壓給定值從614V變化到690V。通過勵磁電流調(diào)節(jié)，定子電壓可以跟隨給定值變化。

圖8 轉速變化時仿真波形Fig.8 Simulation waveforms when speed varies

圖9所示為定子端發(fā)生短路故障時的滅磁過程。分別為定子電壓有效值、定子電流有效值和勵磁電流的變化波形。初始狀態(tài)，發(fā)電機正常運行，當t=9s時，定子端發(fā)生三相短路，定子電壓跳變?yōu)?V，引起定子電流上升，從圖中可以看出，采用斬波電路滅磁方式，可以使勵磁電流迅速下降，有效遏制定子電流。

圖9 滅磁過程波形Fig.9 Simulation waveforms of de-excitation

5 實驗結果

在 1.5MW 同步發(fā)電機上進行實驗，由調(diào)壓器接不控整流電路來模擬直流母線電壓，用以對勵磁功率單元供電。電機空載情況下直接給定定子電壓額定值690V，起動時實驗波形和穩(wěn)態(tài)時實驗波形分別如圖10和圖11所示。

圖10 起動特性波形Fig.10 Waveform of start characteristic

圖11 穩(wěn)態(tài)特性波形Fig.11 Waveform of steady state characteristic

圖中三路信號分別為勵磁電壓，勵磁電流和定子電壓，其中勵磁電壓由調(diào)壓器接不控整流提供，因此有一定波動,對勵磁電流波形有一定影響。由實驗波形可以看出該勵磁控制器電壓響應速度較快，控制效果較好，精度較高。

6 結論

本文提出的勵磁控制方案，在不同轉速以及負荷變化的情況下，通過改變勵磁電流，控制定子電壓跟隨給定值，并且采用直流母線配合斬波電路充當勵磁功率單元，勵磁響應速度較快，且同時省去了額外的滅磁裝置，可以利用斬波電路實現(xiàn)快速滅磁。

勵磁控制系統(tǒng)的響應速度還受勵磁頂值電壓影響，而在該勵磁系統(tǒng)中，由于直流母線充當勵磁電源，頂值電壓無法超過直流母線電壓值，因此，對于某些電機當勵磁繞組電感較大時，勵磁電流的響應速度會相對較慢。另外電勵磁發(fā)電機也同樣適用于使用單級齒輪箱的場合。

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