解耦控制器虽然通过转子电流两个分量iy2、ix2可以独立调节发电机定子输出的有功功率和无功功率,但从转子电压方程式来看,两个转子电流分量iy2、ix2的控制回路之间存在着耦合项。由于本系统采用电压型矩阵变换器作为发电机的交流励磁电源,因此需要设计解耦控制器,使两个转子电流分量的控制回路独立,分别由转子电压的两个分量来控制。
从式可见,转子实轴电压方程受虚轴电流iy2的影响,存在耦合项sL2ciy2,为此,设ux2=^ux2+ux2其中:^ux2为输入电压的调节分量;ux2为输入电压的补偿解耦分量,ux2=-sL2ciy2式,且定子磁链保持不变,则有:^ux2=r2ix2+L2cdix2dt同理,从式可见,转子虚轴电压方程受实轴电流ix2和定子激磁电流的影响,存在耦合项,为此,设uy2=^uy2+uy2其中:输入电压的补偿解耦分量uy2为:转子回路解耦电路式,则有:^uy2=r2iy2+L2cdiy2dt通过以上的解耦处理,原来转子电压方程转化式两个独立方程,转子电压的实部分量决定转子电流的实部分量,转子电压的虚部分量决定转子电流的虚部分量,两个回路互不影响,实现了控制回路的解耦。解耦电路如所示。
交流励磁发电系统运行过程的仿真分析以MATLABSimulink软件包为工具,对上述采用矩阵变换器为励磁电源的交流励磁变速发电系统的各种运行状态进行计算机仿真,对系统的功率控制策略、输入、输出特性和功率双向传递的情况进行了评估。发电机采用本单位实验室的一台三相绕线式异步电机,其参数为:额定功率3kW,额定相电压220V,电流4.33A,频率50Hz,极对数2,定、转子电阻为1.8、2.0,定、转子漏抗为2.1、2.2,激磁电抗为66.2.
1)亚同步发电运行状态,发电机组运行转速r=1400r/min.(a)、4(b)给出了在亚同步发电运行状态下,对发电机定子输出有功和无功功率调节的情况。从图中可见,本文提出的定子磁链定向解耦控制系统可以通过控制转子侧的励磁电压实现对发电机有功、无功独立调节。(c)、4(d)为矩阵变换器输出加在转子回路的线电压调制波形和转子相电流随输出功率调节而变化的波形。显示的电流波形正弦度好,谐波分量小,说明本文提供的SPWM控制的电压型矩阵变换器作为交流励磁器的可行性。(e)表明发电机在亚同步发电运行状态下,交流励磁器的输入电压和输入电流同相位,电网向转子回路输入有功功率。
2)超同步发电运行状态,发电机组运行转速r=1700r/min.(a)给出了发电机在超同步发电运行状态下,对发电机定子输出有功功率P1调节的情况。(b)显示的交流励磁器的输入电压和输入电流反相位,转子回路向电网输出功率。这表明,本文所提出的电压型矩阵变换器作为交流励磁器可提供功率的双向传递,满足交流励磁变速发电机系统的需要。
显示了发电机由亚同步发电运行状态通过同步点,到超同步发电运行状态的过渡过程中转子三相励磁电流的变化情况。
结语以定子磁链定向的交流励磁变速发电机的定子输出功率的控制策略,导出了用发电机转子励磁电流两个分量独立调节发电机定子输出有功功率和无功功率的控制算法,提出了转子励磁回路由电压型矩阵变换器供电的解耦控制方案。据此建立了由SPWM控制电压型矩阵变换器供电的交流励磁变速发电系统的仿真模型,对发电机在亚同步、超同步运行情况下,有功、无功功率的调节特性以及矩阵变换器作为交流励磁器的供电特性进行了仿真。仿真结果表明本文提出的以定子磁链定向解耦控制的交流励磁发电机系统可以通过控制转子侧的励磁电压实现对发电机有功、无功功率的独立调节。电压型矩阵变换器作为交流励磁器可提供功率的双向传递,并具有良好的输出特性,满足交流励磁变速发电机系统的需要,为交流励磁变速发电机应用于抽水蓄能发电,风力发电提供了良好的技术平台。