交流勵磁發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)實驗技術(shù)分析

遇亞輝

【摘要】交流勵磁發(fā)電機(jī)具備變速恒頻發(fā)電、轉(zhuǎn)速、無功、有功獨立調(diào)節(jié)能力的優(yōu)越性，它在運行中能充分發(fā)揮交流勵磁發(fā)電機(jī)本身具備的運行可靠性、靈活性和調(diào)節(jié)性，因此在當(dāng)今電力工業(yè)中備受業(yè)界重視。本文從交流勵磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的工作原理和構(gòu)成入手，進(jìn)行了從理論到實踐，從仿真到實驗的研究分析，僅供同行工作參考。

【關(guān)鍵詞】交流勵磁發(fā)電機(jī)；勵磁控制系統(tǒng)；數(shù)字信號處理器；轉(zhuǎn)換器

長期以來，電力供應(yīng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性是國內(nèi)外專家和學(xué)者一直高度重視的內(nèi)容，也是研究的焦點。雖然截至目前這一研究工作已經(jīng)取得了卓越的工作成果，但其中大多問題仍然沒有得到有效解決，至今這一課題都是業(yè)界研究重點。電力系統(tǒng)在正常運行中，突然受到短路、短路或者雷擊等因素影響，必然會發(fā)生短暫的不平衡，進(jìn)而引發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子之間的發(fā)生擾動。這個時候，如果沒有一個穩(wěn)定裝置來阻止電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子擾動，必然會造成整個系統(tǒng)失去穩(wěn)定，最終影響到發(fā)電機(jī)的運行安全。基于這種條件，以勵磁控制系統(tǒng)為主的交流勵磁發(fā)電機(jī)逐漸受到人們重視，它有效緩解了發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子擾動問題的發(fā)生，保證了發(fā)電機(jī)運行安全和運行穩(wěn)定性。

一、交流勵磁發(fā)電機(jī)工作原理

由于傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)運行中存在顯著的穩(wěn)定性不佳、無功問題，使得這類發(fā)電機(jī)在運行中還存在眾多的技術(shù)、設(shè)備和經(jīng)濟(jì)缺陷。因此，早在半個世紀(jì)以前歐美發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)致力于采用新技術(shù)、新手段來解決發(fā)電機(jī)工作中存在的穩(wěn)定性不高和無功等問題，并對此設(shè)定了研究新內(nèi)容。

就交流勵磁發(fā)電系統(tǒng)而言，其構(gòu)成主要包含有交流勵磁發(fā)電機(jī)、原動機(jī)、勵磁變壓器、勵磁轉(zhuǎn)換器等。就整個交流勵磁發(fā)電機(jī)的工作原理分析，它同普通的異步發(fā)電機(jī)相差無幾，兩者之間最大的區(qū)別主要表現(xiàn)在電機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子之間的轉(zhuǎn)速、頻率普遍相同，由于轉(zhuǎn)子在高速轉(zhuǎn)動的同似乎電流量的頻率和大小大致相同，能通彼此調(diào)整的時候?qū)﹄妱訖C(jī)兩側(cè)的電壓進(jìn)行處理，從而達(dá)到保證點擊運行穩(wěn)定、安全的工作目標(biāo)。在這種背景下，交流勵磁電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的頻率從外向內(nèi)給電網(wǎng)供電。因此來說，交流勵磁發(fā)電機(jī)本身具備異步發(fā)電機(jī)的工作模式，同時還具備異步發(fā)電機(jī)工作中具備的特性。

二、交流勵磁發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)實驗技術(shù)分析

由于交流勵磁發(fā)電機(jī)本身具備異步發(fā)電機(jī)的工作原理和工作特性，但是其本身又是超越傳統(tǒng)異步發(fā)電機(jī)的，因此它被廣泛的應(yīng)用于變頻恒頻發(fā)電領(lǐng)域中，尤其適用于抽水蓄能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等特殊場所。在這些場所，采用勵磁控制系統(tǒng)能更好的解決發(fā)電機(jī)運行中存在的轉(zhuǎn)子與定子不穩(wěn)定現(xiàn)象，保證發(fā)電安全與供電穩(wěn)定。這里我們就目前發(fā)電工作中常用的雙PWM變化器作為交流勵磁發(fā)電機(jī)勵磁電源的發(fā)電形式進(jìn)行分析，提出了其勵磁控制系統(tǒng)的實驗技術(shù)要點。

1、交流勵磁用雙PWM變換器概述

雙PWM變化器是構(gòu)成交流勵磁發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)的重要組成部分，它分為兩個不同的組成內(nèi)容，是緊密連接形成的組合體系，一種是轉(zhuǎn)子變速控制的變換器，另外一個則是電網(wǎng)變換器，這兩個子系統(tǒng)在運行中相互配合、彼此銜接，從而對系統(tǒng)做出了兩種不同的分析模式。在具體工作中，這兩個方面分析包含了以下兩環(huán)節(jié)。

1）在發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)處于同步運行狀態(tài)的時候，轉(zhuǎn)子側(cè)面的變換器可以分為轉(zhuǎn)差功率和總電網(wǎng)數(shù)據(jù)庫兩個方面，這個時候轉(zhuǎn)子側(cè)面的變換器在整個勵磁控制系統(tǒng)中發(fā)揮整流作用，而電網(wǎng)側(cè)面的變換器則處于PWM逆變狀態(tài)。

2）交流勵磁發(fā)電機(jī)在和運行中長期處于高速運行的狀態(tài)，且發(fā)電機(jī)本身的運行狀態(tài)則是異步狀態(tài)，工作于PWM逆變狀態(tài)的變換器則是轉(zhuǎn)子側(cè)面的變換器，而電網(wǎng)側(cè)面的變化器則發(fā)揮整流作用。轉(zhuǎn)子側(cè)面變換器是一個建立在直流側(cè)面電壓上的設(shè)施，其具體作用在于控制通過電網(wǎng)的變換器，且利用合適的轉(zhuǎn)子來滿足有關(guān)設(shè)計策略。

2、矢量控制技術(shù)

矢量控制技術(shù)是過去發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)中一直未被重視的內(nèi)容，但其作為交流傳動系統(tǒng)的解耦控制核心，將之合理的置放在交流勵磁發(fā)電機(jī)上不僅可以實現(xiàn)電機(jī)的充分解耦，而且保證電機(jī)運行的穩(wěn)定性，同時更能讓發(fā)電機(jī)在輸出電壓、電流頻率上不受轉(zhuǎn)子速度和瞬時變動速度影響。這種控制技術(shù)的應(yīng)用是將傳統(tǒng)的剛性約束控制技術(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝钥刂萍夹g(shù)，從而創(chuàng)造出滿足發(fā)電機(jī)與變壓器雙方共同需求的高效率運行目的。目前，國內(nèi)已經(jīng)有不少發(fā)電單位采用了矢量控制技術(shù)，它在交流勵磁發(fā)電機(jī)的有功、無功解耦控制上效果明顯。這一技術(shù)的利用是采用定子磁場、定子電壓、定子定向的矢量控制，這因為勵磁控制模型在完成之后，定子端口有功、無功表達(dá)方式必然變得更加方便，從而增加了系統(tǒng)控制準(zhǔn)確性和及時性。

3、基于全模糊控制器的交流勵磁發(fā)電機(jī)解耦勵磁控制

在目前雙通道解耦勵磁控制模型、矢量控制技術(shù)的選用都是交流勵磁發(fā)電機(jī)控制中常見方法，這些方法的應(yīng)用通常都建立在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，但受到發(fā)電機(jī)工作環(huán)境的特殊性、運行條件的復(fù)雜性影響，整個勵磁控制系統(tǒng)的精確性很難得到有效保障，這是因為他們在工作中對控制效果是按照發(fā)電機(jī)自身參數(shù)為前提探討的，而對于非線性、參數(shù)變動情況不加以考慮造成的?；诖?，在交流勵磁發(fā)電機(jī)勵磁控制中應(yīng)用模糊控制技可以實現(xiàn)良好的魯棒性和動靜態(tài)品質(zhì)，而且它具有良好的控制性，不一控制對象的精確數(shù)學(xué)模型做依賴。

4、建立實驗系統(tǒng)

由于目前的試驗系統(tǒng)中普遍采用了雙PWM控制器，這種控制器在電路控制上同原來核心控制組件相同，都是以電路的保護(hù)和驅(qū)動為核心的。因此在實驗之中首先選擇了轉(zhuǎn)子位置信號的采集新策略，在這里所選用的信號采集儀器包含了定子電壓、電流提供以及編碼器的選用幾個方面。而在轉(zhuǎn)子側(cè)面的轉(zhuǎn)換器信號驅(qū)動方面，無法直接得出相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此大多都需要采用模糊控制計算方法和理論進(jìn)行處理和控制。

三、結(jié)論

在本文的研究當(dāng)中，我們深刻的發(fā)現(xiàn)交流勵磁發(fā)電機(jī)勵磁控制系統(tǒng)在全模糊控制器研究中有著突出的優(yōu)越性，它在控制算法和系統(tǒng)控制方面都能通過簡單的機(jī)械控制實現(xiàn)，完全可以利用轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動速度、角度、位置和電壓來實現(xiàn)?？偟膩碚f，這種控制方法的在應(yīng)用中優(yōu)越性突出、使用價值明顯。

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