摘要：交流励磁发电机具有优越的独特性是超越异步发电机和传统同步发电机，广泛应用于变速恒频发电领域。在有效调控励磁电流频率、幅值、相序和相位的情况下，可使交流励磁发电机以超同步速、同步速和次同步速工作运行，即可以变速的恒频发电运转，通过调节发电机供应有功功率和无功功率。本文通过对交流励磁发电机励磁控制系统的研究，基于全模糊控制器，控制算法和系统实现相对简单控制过程中只需要测量转子转速及位置角、定子电流和电压，系统在整体设计上具有较好的可操控性和动态性能。
关键词：交流励磁发电机；控制系统
1引言
交流励磁发电机具有变速恒频发电能力，且具有转速、无功和有功的独立调节能力，发挥交流励磁发电机可靠性、运行的灵活性、良好的调节性能的关键是采用性能优良的变频励磁电源和合适的励磁控制策略。下文简要就交流励磁发电机励磁控制系统方面进行分析。
2交流励磁用双PWM变换器概述
双PWM变化器构成系统构成由两个紧密连接的电压型PWM变换器子结构组合而成，一是转子侧变换器，另一个为电网侧变换器，两个变换器由双定点DSP控制系统衔接。对此系统做两种不同情况下的分析：
当发电机在超同步状态运行的情况下。转子侧变换器将分转差功率数据输送与总电网数据库，此时转子侧变换器在PWM整流状态下运行，电网侧变化器工作于PWM逆变状态；在发电机运行于次同步状态的时候，工作于PWM逆变状态的是转子侧变换器，工作于PWM整流状态的是电网侧变换器。转子侧变换器建立需要的直流侧电压是通过控制网侧变换器实现的，发电机的解耦励磁控制的实现是通过利用合适的转子侧变换器来实现控制的设计策略。
而交流励磁发电机励磁与老式同步发电机相比控制更自由，运行性能更强。其运行特性主要表现在：稳定性和适应性强、有功功率和无功功率调节独立、进行运行能力强。
3基于动态同步轴系的双通道解耦控制原理
在单机无穷大系统中，定子遵从发电机惯例，转子遵从电动机惯例。转速低于同步转速时，标记转差率s为正，如果电磁转矩与转相反，也为正，这样就得出了基于同步坐标系的交流励磁发电机的稳态电压电流方程。
通过计算得出基于同步坐标轴系，有功功率和无功功率的条件都受到Urd、Urq的影响，所以实现不了有功、无功的解耦控制。在基于动态同步轴系的交流励磁发电机的解耦数学模型基础上，能够创建动作同步轴系下的交流励磁发电机励磁控制模型。用误差调节来追踪原动机输出的有功功率变动情况，得出不需要测量转子电压电流，就能够对交流励磁发电机进行励磁控制。
4基于全模糊控制器的交流励磁发电机解耦励磁控制
双通道解耦励磁控制策略、矢量控制技术等都是交流励磁发电机的控制方法，是建立在系统精确数学模型之上的方法。但这些方法使高性能的精确励磁控制很难实现，因为他们的控制效果以准确的发电机参数为基础，不能应用在严重非线性、参数时变性大、于高阶强耦合的交流励磁发电机控制中。而交流励磁发电机励磁控制中应用模糊控制技可以实现良好的鲁棒性和动静态品质，而且它具有良好的控制性，不一控制对象的精确数学模型做依赖。
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5解耦励磁控制分析
5.1分析交流励磁发电机连接具有的属性
相对的低于同步转速便为正。改变定子有功和无功的因子是任何转子电压分量的改变。易于实现和调试、计算量小、自适应性强、结构简单等都是单变量模糊控制器具有的优点，使控制器的设计得以简化，这样取代了多变量模糊控制器或PID 调节器；定子电压定向是控制系统采用的方式，通过独立的单变量模糊控制器实现转子励磁电压分量对有功和无功的交叉耦合作用。交流励磁发电机可以比做一个非线性黑箱式结构，其中有自适应调整的PID 控制器如同模糊控制器。有功和无功的独立控制的实现通过转子电压控制信号的最优搭配，而这个信号的得到是利用具有自调整功能的自调整功能实现的。
最终，通过检测出投影在转子三相坐标系的转子电压控制信号，结合转子位置角，由控制信号控制转子和网侧变化器，最终实现对三相交流励磁的控制；最好的模糊控制算法是采用智能权函数，这样不需要对模糊推理规则和模糊变量的隶属度函数进行确定，一定程度上使系统的简化设和动态特性得以有效的提高。
5.2建立实验系统
实验机组系统的组成核心元素是双PWM 控制功率变换器及其控制电路。双PWM 控制变频器是控制单元的核心，控制单元的辅助部分包括保护、驱动电路等。采集转子位置信号，这些信号是由光电编码器、定子电压和电流提供的，转子侧变换器的驱动信号是通过模糊励磁控制算法得到的，这一信号能以实现励磁控制。
6水电自并励发电机励磁控制系统的实际应用
水电自并励发电机励磁控制系统主要由励磁变压器、功率元件、励磁调节器和测量元件等构成，接在发电机端的励磁变压器作为励磁电源，经过功率元件整流为直流电供给转子励磁电流，励磁调节器根据PT、CT等测量元件采样的电压电流量，通过控制器运算输出，来调节励磁电流大小，以实现自动控制发电机机端电压或无功功率的目的。
在实际应用中，在上述数学建模基础上，分别在PID控制、AVR+PSS控制和线性二次型最优控制3种控制方式下，构建系统仿真模型，记录电机转速和电磁功率在具体扰动条件下的波动情况。主要分两种情况进行研究，一种情况是静态扰动仿真分析，励磁控制系统机端在6s时施加20%扰动，确定3种控制方式在小扰动下的系统电功率阶跃相应。从实现结果来看，持续波动时间和波动幅度方面上，线性二次型最优控制更具优势。采用该控制方式，有效减小波动幅度，缩短持续波动时间，使系统对小扰动具有更强适应性。另一种情况是在暂态大扰动下进行分析，在机端15s时施加90%扰动。从分析结果来看，其中线性二次型最优控制用时最短、AVR+PSS控制次之，PID控制用时最长。从实际应用情况来看，线性二次型最优控制自并励发电机励磁控制效果最佳。
7结语
综上所述，通过对交流励磁发电机励磁控制系统的研究，基于全模糊控制器，控制算法和系统实现相对简单控制过程中只需要测量转子转速及位置角、定子电流和电压，其具有的优势具有很大的实用价值。自并励发电机励磁控制系统具有更好的励磁控制能力，可以在水电开发中应用，提升系统运行稳定性。在水电自并励发电机励磁控制系统构建过程中，应积极采用先进的控制方法提高系统控制能力。
参考文献：
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论文作者:杨敏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第32期
论文发表时间:2019/5/24
标签：励磁论文; 发电机论文; 变换器论文; 转子论文; 控制系统论文; 电压论文; 功率论文; 《电力设备》2018年第32期论文;