1励磁控制系统
1.1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，DdR,DqR——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。
1.2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。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。
1.3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。
1.4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。
2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。
3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。
4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。
作者：张烨 胡书举 董志然 赵斌 单位：中国科学院电工研究所风能利用重点实验室 中国科学院研究生院 北京科诺伟业科技有限公司
