并网双馈发电机电网电压定向励磁控制的研究李辉，杨顺昌，廖勇（重庆大学电气工程学院，重庆400044）摘要：在分析并网双馈发电机传统矢量控制策略的基础上，提出了一种基于电网电压定向的励磁控制策略。该控制策略仅需要定子侧电流、电网电压和转子位置角信号，避免了矢量控制系统中对定、转子量测量精度、实时性和一致性的严格要求，使控制系统得到了简化。利用该文提出的控制策略对双馈发电机有功、无功和转速稳态调节特性及机端三相对地突然短路的过渡过程进行了仿真研究，结果表明该控制策略能实现双馈发电机有功、无功和转速的解耦控制及短路故障切除后其有功、无功和转速都能回到原来的设定值稳定运行。
关键词：电网电压定向；双馈发电机；控制策略；变速恒频1引言
双馈发电机也称交流励磁发电机，它在结构上类似于绕线式感应电机，定子三相绕组接工频电网，通过静止变频器给转子绕组提供低频交流励磁，可实现发电机有功、无功和转速的独立调节。该发电机具有良好的稳定性和较强的进相运行能力；具有原动机转速变化情况下实现定子恒频的特性，即变速恒频的发电能力，在风力发电、抽水蓄能，提高电力系统稳定性等领域有着广泛的应用前景，正逐步受到人们的关注和重视^[1]。
目前已有不少文献应用矢量控制技术研究了双馈发电机的有功和无功的解耦控制。文献[1]采用基于气隙磁场定向的矢量控制技术，推导了双馈发电机稳态下的有功、无功解耦励磁控制模型，但由于在推导中忽略了定子漏阻抗和转子漏感的影响，往往带来励磁控制模型精度下降。文献[2-6]采用基于定子磁场或定子电压定向的矢量控制技术，仿真表明该励磁控制模型精度较高，但也存在动态响应较差的缺陷。然而上述文献无论是采用气隙磁场定向、定子磁场定向或定子电压定向的矢量控制技术，其共同特点都是基于传统的矢量控制技术概念，即需要测量定、转子电流和转速作为励磁控制器的反馈信号，并且其测量精度、实时性很大程度上决定了双馈发电机的动态响应性能和控制精度^[5]。文献[7]在双通道下建立了动态同步轴系的控制方程，实现了稳态解耦控制，但在有功通道的反馈信号中还是需要定子量、转子电压和转速量的检测。尽管文献[8]提出了一种基于定子电压定向的不需要测量转子电流的双馈发电机有功、无功的鲁棒控制策略，但该算法仅仅适用于定子有功、无功的稳态调节，并不能进行转速的独立调节，甚至很难进行短路故障等问题的研究。
本文从电机运动方程出发，针对并网双馈发电机提出一种基于无穷大电网电压定向的新颖控制策略，建立了相应的励磁控制方程。对双馈发电机有功、无功和转速稳态调节特性以及考虑电机运行中转子参数变化的影响进行了仿真，最后对其三相机端对地突然短路的过渡过程也进行了研究。
2双馈发电机模型和励磁控制模型
2.1双馈发电机数学模型
假设双馈发电机定子电压、电流正方向按发电机惯例，转子电压电流的正方向按电动机惯例时，可以写出同步旋转d-q轴系下三相对称系统的双馈发电机的电压和磁链方程为
式中下标s和r分别代表定子量和转子量；u为电压矢量；i为电流矢量；y表示磁链；R为电阻；L为电感；L_m为定转子之间的互感；D=d/dt为微分算子；（其中R_s和L_s包含了电网线路电阻和电感）w₁、w₂分别为电机同步角速度和转差角速度，且满足式(5)。
w₂=w₁-w_r=s_w1(5)
式中w_r为电机转子角速度；s为转差率。
以定子电流和转子磁链为状态变量，联立式(1)~(4)，可得双馈发电机为
式中N_p为极对数；J为转动惯量；T_L为原动机提供的机械转矩；T_em为电磁转矩；σ=L_s(1-
2.2基于无穷大电网电压定向的控制模型
取无穷大电网电压矢量的方向为d轴，可得约束条件为
双馈发电机定子端向系统输出的有功、无功计算表达式为
由式(13)可知，当要求双馈发电机输出一定的有功、无功时，定子电流同步轴系d-q轴分量的指令值（用*表示）则为
因此，对双馈发电机有功、无功的调节即可通过对转子励磁电压控制，实现定子电流d-q轴分量的调节。转子励磁电压在动态调节过程中的关系如下
为了求得转子磁链指令值和定子电流指令值之间的关系，现将调节过程中定子电流、转子磁链和转子角速度的动态关系表示如下
将式(15)~(19)代入电机状态方程的式(6)、(7)可以得到定子电流动态变化量为
因此，从式(20)中可以得出转子磁链指令值为
在调节过程中转子励磁电压的动态变化量可以按下式求得^[8]。其中，比例调节系数K_p>0。
由此，式(15)~(17)、(21)、(22)共同构成了基于无穷大电网电压定向的励磁控制模型。
为了便于研究系统的短路故障，并网双馈发电机定子端电压和无穷大母线电压之间的电路方程为式(23)所示
式中u_td、u_tq为电机机端电压的同步轴系d-q轴分量；R_w、L_w为线路的电阻和电感。
3仿真结果
3.1概述
本文以一台应用于变速恒频风力发电用的双馈发电机为例^[9]，其额定功率为600kW，电机主要参数为R₅=0.036Ω,R_r=0.043Ω,L_sб=0.68mH,L_rб=0.865mH,L_m=5.4mH,U_IN=380V,极对数N_p=2；线路参数为：电阻0.131Ω/km，电抗0.394Ω/km，双回路出线，电厂与无穷大母线的线路长度为100km。
3.2稳态调节特性的仿真研究
对该双馈发电机实施上述提出的励磁控制策略进行定子有功、无功[1][2]下一页