【正文】 換句話(huà)說(shuō)，靜止的三相對(duì)稱(chēng)交流電產(chǎn)生的磁場(chǎng)和旋轉(zhuǎn)的直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)等效。通過(guò)上面的分析我們可以認(rèn)為，電機(jī)中的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量可以由產(chǎn)生它的三相交流電來(lái)控制，把這個(gè)旋轉(zhuǎn)矢量概念加以推廣，就得到電壓矢量、電流矢量、磁場(chǎng)矢量等等。矢量控制就是通過(guò)對(duì)交流電流的控制來(lái)達(dá)到控制目標(biāo)矢量空間的位置，使之能滿(mǎn)足我們的要求。交流電機(jī)中的各種電磁量的關(guān)系，基本上都可以用各自相應(yīng)的矢量來(lái)描述，它們之間的制約關(guān)系，也可以從矢量的分析。（1） 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)矢量控制的目標(biāo) 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)由兩套繞組：定子三相繞組和轉(zhuǎn)子三相繞組。轉(zhuǎn)子繞組如果流動(dòng)三相交流電流，就會(huì)在空間中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量，這個(gè)磁場(chǎng)矢量切割定子繞組產(chǎn)生三相電流。反過(guò)來(lái)，定子電流在空間中也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)矢量，對(duì)轉(zhuǎn)子電流也會(huì)產(chǎn)生影響，使它的幅值、相位發(fā)生變化。交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)中的各個(gè)電磁量相互作用，可以認(rèn)為是各相應(yīng)矢量的相互作用。從效果上看，轉(zhuǎn)子的電壓矢量及電流矢量和定子電流矢量、電壓矢量存在一個(gè)相互制約的關(guān)系。在交流電機(jī)中，影響電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的還有電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和輸入轉(zhuǎn)矩。通過(guò)電機(jī)中的復(fù)雜電磁耦合關(guān)系，交流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)正是由這幾個(gè)參量依照某些關(guān)系決定的。矢量控制的目標(biāo)就是使這些復(fù)雜的關(guān)系達(dá)到充分解耦控制，實(shí)現(xiàn)控制簡(jiǎn)單化。（2）交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的功率矢量控制在交流電路中，除了電阻外還包括電抗，這使得電路中的電壓和電流產(chǎn)生相位差，在這種含有電抗的交流電路中，電壓和電流有值的乘積稱(chēng)為視在功率。而有功功率是指電流消耗在電阻中的功率，數(shù)值上是電流和電阻壓降的有效值乘積，無(wú)功功率是指電流和電抗壓降的乘積。由于正弦波電流可以由兩個(gè)相互正交的同頻率的正弦電流合成，所以，電流可以堪稱(chēng)是如下兩個(gè)分量的合成：與電壓同相位的分量和與電壓相位相差90度分量。一般有功功率可以認(rèn)為是電壓和與其相位的電流的乘積，無(wú)功功率可以認(rèn)為是電壓與其正交的電流的乘積。無(wú)窮大電網(wǎng)的電壓和頻率被認(rèn)為是不變的，當(dāng)交流勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)并入這樣的電網(wǎng)之后，它的端電壓可以認(rèn)為是常量，只有定子的電流是可以受到控制的，其中和電壓同相的分量稱(chēng)為有功分量，和電壓正交的分量稱(chēng)為無(wú)功分量。因而對(duì)發(fā)電機(jī)功率的控制，在并網(wǎng)的條件下，可以認(rèn)為是對(duì)電流的控制。本文講述的功率矢量控制，就是指在并網(wǎng)時(shí)，考慮到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及輸入轉(zhuǎn)矩，根據(jù)發(fā)電機(jī)的電磁關(guān)系，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流矢量來(lái)控制發(fā)電機(jī)定子輸出的電流矢量，通過(guò)控制轉(zhuǎn)子側(cè)勵(lì)磁電流的有功分量和無(wú)功分量來(lái)達(dá)到有功和無(wú)功獨(dú)立調(diào)節(jié)的目的。從而，在本質(zhì)上說(shuō)，交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的矢量控制就是交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的矢量控制，下面就稱(chēng)為勵(lì)磁系統(tǒng)的矢量控制。終上所述，本論文對(duì)交流發(fā)電機(jī)的控制思路是：通過(guò)控制轉(zhuǎn)子側(cè)的勵(lì)磁電壓來(lái)控制轉(zhuǎn)子電流，使之滿(mǎn)足： (1)電流中的頻率等于滑差頻率 (2)轉(zhuǎn)子電流的有功分量和無(wú)功分量按照某種比例變化，依據(jù)轉(zhuǎn)子電流和定子電流存在的某種內(nèi)在關(guān)系，達(dá)到控制定子電流，也就是輸出功率的結(jié)果。 現(xiàn)有交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略分析交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)之所以具有超越同步發(fā)電機(jī)的良好調(diào)節(jié)特性、運(yùn)行的靈活性和可靠性，除了其電氣結(jié)構(gòu)上它有多相、對(duì)稱(chēng)的轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁繞組外，關(guān)鍵在于它應(yīng)有一套能充分發(fā)揮該電機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)的勵(lì)磁控制系統(tǒng)。因此交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制研究備受關(guān)注。由大量文獻(xiàn)可知現(xiàn)有交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制策略，大約可分如下三種：第一類(lèi)是前蘇聯(lián)學(xué)者提出，并應(yīng)用與異步化汽輪機(jī)（交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)）上的雙通道多變量反饋勵(lì)磁控制系統(tǒng)。第二類(lèi)是基于同步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速矢量控制的矢量勵(lì)磁控制系統(tǒng)。第三類(lèi)是基于交流電機(jī)多變量模型基礎(chǔ)上的多變量勵(lì)磁控制系統(tǒng)。這三類(lèi)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的共同點(diǎn)都是：在電機(jī)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)簡(jiǎn)化，找到其穩(wěn)態(tài)情況下的有功無(wú)功的解耦模型，從而構(gòu)成勵(lì)磁控制系統(tǒng)，且都能實(shí)現(xiàn)有功無(wú)功的獨(dú)立調(diào)節(jié)。這三類(lèi)勵(lì)磁控制策略都是根據(jù)交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在同步坐標(biāo)系下定子的有功和無(wú)功功率只與轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的d、q軸分量有關(guān)這一基本原則推出的。日本學(xué)者所提出的矢量控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)下有功無(wú)功的充分解耦，而且在控制模型的理論推導(dǎo)中做的一些簡(jiǎn)化（如忽略定子定阻等)不會(huì)造成控制模型仿真進(jìn)度的大幅度下降，雖然它會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，但是能借助先進(jìn)的微機(jī)系統(tǒng)。該勵(lì)磁控制策略精度較高，從而本文采用基于矢量控制的勵(lì)磁控制策略。 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)矢量控制策略 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)矢量控制策略交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的工作方式可分為以下兩種：（1）功率控制方式：在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可變情況下，以輸出有功和無(wú)功為控制對(duì)象，通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓幅值和相位使電機(jī)輸入的有功和無(wú)功等于給定值；（2）速度控制方式：在有功和無(wú)功可變情況下，以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為控制目標(biāo)，通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓幅值和相位使電機(jī)轉(zhuǎn)速等于給定值。在交流電機(jī)中，共有七個(gè)基本矢量：定子電壓、轉(zhuǎn)子電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流、定子繞組總磁鏈、轉(zhuǎn)子繞組總磁鏈、氣隙合成磁鏈。選擇不同的矢量定向，所得的控制效果和控制性能也不盡相同。在同步電機(jī)矢量控制中，通常采用的是以氣隙合成磁鏈定向。但是在交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的情況下這種定向方法不太合適，因?yàn)樵诎l(fā)電機(jī)定子繞組中存在漏抗壓降的影響，若以氣隙磁鏈定向，發(fā)電機(jī)的端電壓矢量與控制參考軸之間會(huì)有一定的相位差，這樣有功、無(wú)功電流分量的計(jì)算就會(huì)變得相當(dāng)復(fù)雜，使控制系統(tǒng)復(fù)雜化，將影響控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性處理?？紤]到發(fā)電機(jī)是在頻率400Hz左右運(yùn)行，在這樣的頻率下，通常的定子繞組的電阻可以忽略不計(jì)。此時(shí)，定子繞組總磁鏈與定子電壓的矢量之間的相位正好相差90度，因此在實(shí)際應(yīng)用中，以定子電壓矢量或者以定子繞組總磁鏈為參考矢量（定向矢量） ，可使控制系統(tǒng)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。為了實(shí)現(xiàn)dq軸系變量之間的解耦，本文采用定子磁場(chǎng)定向，即將以同步速旋轉(zhuǎn)的dq坐標(biāo)系中的d軸與定子總磁鏈的方向重合，在忽略定子繞組的電阻時(shí)，發(fā)電機(jī)的定子電壓矢量將在負(fù)q軸上。因而有如下的矢量控制的約束條件： (31) 因?yàn)榍懊嬖O(shè)定忽略定子繞組電阻，因此在矢量控制條件下交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在dq軸系上的電壓方程變?yōu)槿缦滦问剑ㄊ窃陔姍C(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下)： (32) 因?yàn)榛谧兯俸泐l技術(shù)的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)來(lái)講，其定子電壓為三相平衡正弦電壓，如果設(shè)定其幅值為（常量），則在忽略定子繞組的條件下，通過(guò)坐標(biāo)變換作用，存在如下式（因?yàn)榘l(fā)電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可看做等于定子側(cè)電壓。因?yàn)楸嚷浜?0度，故和位于q軸的負(fù)方向，從而有如下式）： (33) 圖31 交流勵(lì)磁矢量圖上面的推導(dǎo)中可以發(fā)現(xiàn)如下關(guān)系式： (34) 可知，保持恒定值即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的定子磁場(chǎng)定向控制。圖32 dq軸系矢量圖及與靜止軸系的關(guān)系、q軸分量為： (35) 式中為定子電流的幅值，其它變量都顧名思義。聯(lián)立式（243）、（244）、（33）、（35)并且令微分算子，即可以得到轉(zhuǎn)子電流和電壓的穩(wěn)定值（亦即控制指令值），如式（36）、（37）所示。 (36) (37) 由式（36）、（37）、（33）、（35）和 式可知，當(dāng)電壓和頻率一定時(shí)，基于矢量控制的變速恒頻交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子電流（或電壓）僅與轉(zhuǎn)子角頻率，定子功率因素角以及定子輸出功率有關(guān)，這樣一來(lái)控制轉(zhuǎn)子電流或電壓，即可有效的控制定子電流或電壓的幅值、相位和頻率，即控制定子輸出功率。顯然，如果是非矢量控制，則實(shí)現(xiàn)相位控制是非常艱難的，而且在動(dòng)態(tài)情況下這幾乎不可能。事實(shí)上，這也是矢量控制和非矢量控制的主要區(qū)別之一。 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)功率矢量控制參照式（242)可得，將發(fā)動(dòng)機(jī)的有功功率p和無(wú)功功率Q用dq坐標(biāo)軸上的分量表示，則： (38) 由于，故有： (39) 即發(fā)動(dòng)機(jī)定子側(cè)有功功率P與成正比，而無(wú)功功率Q與成正比，所以在定子磁場(chǎng)定向后，有功電流分量和無(wú)功電流分量分別決定了發(fā)電機(jī)的有功和無(wú)功功率。由于定子電流各分量的調(diào)節(jié)都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)子繞組供電電壓，來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此要找出定子電流，與轉(zhuǎn)子電壓，之間的關(guān)系。由式（31）、（34）、和（244）可得： (310) 將式（310）代入（246）可得： 再將式（311）代入（244）可得： 式中： 為漏磁系數(shù) 為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)差率 式（312）可知，將轉(zhuǎn)子電壓分解為解耦項(xiàng)和補(bǔ)償項(xiàng)后簡(jiǎn)化了控制，保證控制精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的快速性。采用補(bǔ)償后，轉(zhuǎn)子電壓跟定子電流的關(guān)系變?yōu)橐浑A微分關(guān)系，如下式（313）所示： （313） 由式（313）可知，兩個(gè)定子電流與轉(zhuǎn)子電壓分量間的傳遞函數(shù)表達(dá)式表明，定子電流有功分量和定子電流無(wú)功分量都是通過(guò)轉(zhuǎn)子供電電壓實(shí)現(xiàn)的，由于電壓，彼此獨(dú)立，從而可以單獨(dú)對(duì)和進(jìn)行控制。4 交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行控制交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)與同步發(fā)電機(jī)的根本區(qū)別在于它們轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完全不同，即前者為三相分布式交流繞組，而后者為單相直流繞組。因此，其勵(lì)磁系統(tǒng)的組成和控制方式也不相同，對(duì)于同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)而言，其功率輸出一般由三相全控整流橋來(lái)完成，控制單元?jiǎng)t根據(jù)指令或工況自動(dòng)調(diào)整整流橋的直流輸出。對(duì)于交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)而言，其功率輸出則由三相輸出的變頻器來(lái)完成，控制單元根據(jù)指令或工況自動(dòng)調(diào)節(jié)變頻器輸出電流的幅值、頻率和相位，其控制系統(tǒng)及功率輸出單元的結(jié)構(gòu)及原理要比同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)復(fù)雜得多。 PWM控制交直交變頻器的基本工作原理變頻器是由電力電子器件按各種方式組合，實(shí)現(xiàn)將固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的裝置。 圖41 PWM變換器勵(lì)磁的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖PWM控制的交直角變頻器與與常規(guī)交直交變頻器的最大區(qū)別在于使用了控制開(kāi)關(guān)代替不可控的開(kāi)關(guān)。分析時(shí)假設(shè)三相電路完全對(duì)稱(chēng)，輸入電抗器中的電感工作在非飽和狀態(tài)，忽略電源內(nèi)阻，并認(rèn)為開(kāi)關(guān)元件是理想的，忽略死區(qū)時(shí)間效應(yīng)及開(kāi)關(guān)管管壓降的影響，且開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率。整流器與逆變器主電路在結(jié)構(gòu)上完全一樣，從直流回路看，左邊是交流電抗器和整流器，右邊是逆變器和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)，所以直流回路左右兩邊結(jié)構(gòu)式對(duì)稱(chēng)的，可以把整流器看作是逆變器的逆過(guò)程。 不可控整流電路不可控整流電路使用的元件為功率二極管，不可控整流電路按輸入交流電源的相數(shù)不同分為單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路。 三相橋式整流電路如圖42所示。 圖42 三相橋式整流電路 三相橋式整流電路共有六只整流二極管，其中VDVDVD5三只管子的陰極連接在一起，稱(chēng)為共陰極組；VDVDVD2三只管子的陽(yáng)極連接在一起，稱(chēng)為共陽(yáng)極組。共陰極組三只二極管VDVDVD5在ttt5換流導(dǎo)通；共陽(yáng)極組三只二極管VDVDVD6在ttt6換流導(dǎo)通。一個(gè)周期內(nèi)，每只二極管導(dǎo)通1／3周期，即導(dǎo)通為120176。通過(guò)計(jì)算可得到負(fù)載電阻 RL上的平均電壓為 Uo = (41)圖43 單極性控制方式波形 中間電路 雖然利用整流電路可以從電網(wǎng)的交流電源得到直流電壓或直流電流，但是這種電壓或電流含有頻率為電源頻率6倍的紋波，則逆變后的交流電壓、電流也產(chǎn)生紋波。因此，必須對(duì)整流電路的輸出進(jìn)行濾波，以減少電壓或電流的波動(dòng)。這種電路稱(chēng)為濾波電路。 電感濾波 采用大容量電感對(duì)整流電路輸出電流進(jìn)行濾波，稱(chēng)為電感濾波。由于經(jīng)電感濾波后加于逆變器的電流值穩(wěn)定不變，所以輸出電流基本不受負(fù)載的影響，電源外特性類(lèi)似電流源，因而稱(chēng)為電流型變頻器。圖310所示為電流型變頻器的電路框圖。圖311所示為電流型變頻器輸出電壓及電流波形。 圖44 電流型變頻器的電路框圖 圖45 電流型變頻器輸出電壓及電波 形 逆變電路的工作原理及基本形式 逆變電路的工作原理逆變電路也簡(jiǎn)稱(chēng)為逆變器，圖313a 所示為單相橋式逆變器，四個(gè)橋臂由開(kāi)關(guān)構(gòu)成，輸入直流電壓E，逆變器負(fù)載是電阻