周 平，杨 伟

（东方电机控制设备有限公司，四川 德阳 618000）

可变速发电电动机交流励磁技术路线探讨

周 平，杨 伟

（东方电机控制设备有限公司，四川 德阳 618000）

介绍了可变速抽水蓄能机组采用的交流励磁方式的原理，对在抽水工况和发电工况下交流励磁的优势进行了分析，对国产化交流励磁装置的技术路线进行了探讨。

交流励磁控制技术；矢量控制；定子磁链定向；交直交变频器；交交变频器

0 引言

抽水蓄能电站可以很好地适应电力系统负荷曲线的变化，承担负荷尖峰和填平负荷低谷的作用，国际公认抽水蓄能电站机组采用可逆型最佳，因为这种机组结构紧凑，厂房和辅助设备少，造价低，但该机组由于水轮机兼做水泵，要使其在发电和电动状态下达到最高效率，需机组连续可变速运行，机组转速一般希望有±10%的变化，我们把这类机组叫做连续可变速发电电动机组，简称可变速抽水蓄能机组，而传统的采用同步电机的抽水蓄能机组叫做定速抽水蓄能机组，定速机组不能调速，则在发电/抽水工况不能保持在最佳效率运行，且在抽水工况不能调节负荷，因而运行特性欠佳，以下是这两种类型的机组在抽水工况和发电工况下的比较。

表1 定速机组与可变速机组在抽水工况的比较

表2 定速机组与可变速机组在发电工况的比较

由表1，2可以看到，由于可变速发电电动机具有传统同步发电机无可比拟的优越性和广阔的应用前景，因此其理论研究和实践设计已经成为国内外研究和关注的焦点，日本在上世纪80年代开始研究交流励磁发电机技术，在1993年投运了400MW的可变速抽水蓄能电站，经过日本试验机组的运行研究表明∶通过水轮机的变速运行可以提高水轮机的运行效率，增加水泵运行工况下的自动调频能力，并通过有功功率和无功功率的快速调节可以提高电力系统稳定性。

1 交流励磁发电机原理概述

交流励磁发电机也通常被称为异步化同步发电机，它在结构上类似于绕线式异步感应电机，定子与一般的交流发电机一样，为三相分布式绕组，转子也是三相分布式绕组，这一点与普通发电机不同。运行时定子侧直接接入三相工频电网，而转子侧通过变频器接入所需低频电流。因为转子侧通过变频器接入的三相低频电流起到了励磁的作用，所以被称为交流励磁发电机。其结构如图1所示。

图1 交流励磁发电系统结构图

交流励磁发电机的可调量∶励磁电流的频率、相位和幅值。可以通过接在转子侧的变频器来调节励磁电流的频率，保证在变速运行情况下发出恒频电力；也可以通过改变励磁电流的幅值和相位，调节输出有功功率和无功功率。当转子电流相位改变时，由转子电流产生的转子旋转磁场位置发生了空间位移，这就使得交流励磁发电机定子感应电势矢量相对于电网电压矢量位置发生变化，即功率角发生了变化，使有功功率和无功功率得以调节。

2 交流励磁发电机控制策略

现有的交流励磁发电机励磁控制策略大体可分为三类∶一是双通道多变量反馈励磁控制系统；二是建立在电机多标量模型基础上的多标量励磁控制系统；三是基于异步电机变频调速矢量控制的矢量励磁控制系统。这三类励磁控制策略都是根据交流励磁发电机在同步旋转轴系下定子的有功功率、无功功率分别只与转子励磁电流的d、q轴分量有关这一基本原理推出的，前两类只是近似解耦，控制系统复杂而且数学模型不准确，必然导致交流励磁发电机在瞬态过程中响应变差、暂态稳定性不好；第三类矢量控制技术可以实现稳态下有功、无功的充分解耦，提高交流电机控制系统的性能。

矢量控制技术是在电机交流调速的应用中发展起来的，其基本思路是利用d-q旋转坐标变换，将定子三相电流分解为直轴励磁电流id1和交轴励磁电流iq1，在调速过程中保持直轴励磁电流id1不变，即磁通不变，此时就可以模拟直流电机的转矩控制规律，通过控制交轴励磁电流iq1来控制电磁转矩Te。

通常异步电动机矢量控制系统是以转子磁链为基准，将转子磁链方向定为同步坐标系d轴，但是交流励磁变速恒频发电系统有别于电动机调速系统，若仍然以转子磁链定向，因为在定子绕组中存在漏抗压降的影响，会使得发电机端电压矢量和矢量控制参考轴之间有一定的相位差，这样定子有功功率和无功功率的计算会变得复杂，使控制系统复杂化。若以定子磁链定向，取定子磁链矢量方向为同步坐标系d轴，则定子电压矢量将落在超前d轴90°的q轴上，如图2所示，这样可以简化同步坐标系下的交流励磁电机的数学模型，从而得到矢量控制所需的控制方程。

图2 定子磁链定向的交流励磁矢量图

根据矢量控制方程式，主电路采用电压控制型交交变频器的交流励磁发电机在定子磁链定向下的矢量控制系统框图，如图3所示。

图3 定子磁链定向矢量控制系统框图

3 交流励磁发电机励磁系统变频器

变频器总体上可分为交直交变频器和交交变频器两种类型，交直交变频器，顾名思义就是一种频率的交流电在变换成另一种频率的交流电之前，还经过一个中间直流环节，是间接变频；而交交变频器是直接变频，没有中间直流环节，直接将一种频率的交流电变换成另一种频率的交流电，又称为循环变换器或周波变换器。

表3 交交变频器与交直交变频器的比较

交交变频器与交直交变频器相比效率较高，可达90%以上，为自然换流，不需要额外的换流装置，电路简单，工作可靠，交直交变频器采用PWM技术可以得到非常好的输出波形，在不少场合其电路结构、输出频率等与交交变频器比起来有优势。但在交流励磁发电系统中，转子励磁需要的是一个频率很低（10Hz以下）的输入电流，而交交变频器在低频时的输出波形质量非常好，工作可靠，功率可以做得很大，尽管元器件多，但从发展大功率的水电系统来看还是经济有效的。

交交变频器在应用中把工频的三相电源输入变换成低频三相输出，在结构上由正反组整流器组成，正反组整流器周期性地循环换组整流，可以实现四象限运行。为分析其工作原理，先研究一下理想的单相输出交交变频器，即略去输出电压中的高次谐波，把每个整流器均视为一个理想的交流电源和一个理想的可控硅相串联，其等效电路如图4所示，图中，下标字母P表示正组，下标字母N表示反组为负载电压，

图4 交交变频器理想等效电路

当这一理想的交交变频器带纯电阻负载时，在负载电流的正半周，正组整流器处于整流状态，反组整流器阻断；在负载电流的负半周，反组整流器处于整流状态，正组整流器阻断；当这一理想的交交变频器带感性负载时，如图5所示，由于整流桥的单向导电性，在负载电流的正半周（t1～t3）只能由正组流过电流，反组被阻断。在此期间的t1～t2阶段正组输出电压为正，处于整流状态；t2～t3阶段正组电流方向没有变，输出电压却变为负，正组处于逆变状态。在t3时刻，负载电流反向，正组阻断，反组导通，进入负载电流的负半周（t3～t5），在 t3～t4阶段反组输出电压电流均为负，反组处于整流状态，t4～t5阶段反组电流方向没变，输出电压却变为正，反组处于逆变状态。

图5 带感性负载时的工作状态

所以，决定哪一组整流器导通与该组输出电压的极性无关，只由电流的方向决定，导通的那组整流器是处于整流状态还是逆变状态，由该组输出电压和电流的极性相同还是相反决定。

图6 单相输出交交变频器等效原理图

实际变频器工作时，有可能出现正反组同时工作而出现环流，交交变频器有三种运行方式∶无环流运行方式、自然环流运行方式、局部环流运行方式。

在实际工程应用中均以三相输出的交交变频器为主，而为了降低电网的谐波，一般采用6脉波桥式三相交交变频器，如图7所示，其结构虽然复杂，可控硅元器件数量多，但电压输出波形较好。

图7 6脉波桥式三相交交变频器

4 结语

我国在交流励磁发电机技术的研究方面起步较晚，理论水平与工程应用经验与国外公司相比有较大差距，特别是在基础功率元器件的研发方面，日本已经应用IEGT功率元件，ABB采用IGCT技术，如果我国的交流励磁变频器技术走交直交路线会受这两种功率元器件的限制，没有竞争优势，所以走交交技术路线无论是从技术成熟的角度还是经济上的考虑都是首选，先积累经验，待IEGT或IGCT功率器件实现国产化以后，再进行交直交技术路线研发。

TK734

A

1672-5387（2014）02-0027-03

2013-11-28

周 平（1969-），男，高级工程师，从事励磁系统的技术开发及设计。