同步发电机的动态特性与应用

由于同步发电机以电网频率产生电压的同步转速较低，所以它通常用于变速风力机系统。

基于定子、电磁场、阻尼绕组的动态特性，同步发电机模型可以描述成等效的q和d轴电路，如图2.59所示。该模型以dq转子参照系来表示。在此模型中，所有的转子参数和电气值都被变换到定子侧^[97，98]。

在图2.59中，下标d和q是指d轴和q轴的对应值，下标r和s是指转子和定子的对应值，l和m是指漏感和励磁电感，而f和k则是指到电磁场和阻尼绕组的对应值。

该等效电路的电压方程可以表示为

图2.59 同步发电机的q和d轴等效电路

其中，磁通量可以描述为

同步发电机的机械系统可以描述为

式中 Δω（t）——发电机角速度变化；

J——惯性常数；

T_m——机械输入转矩；

T_e——感应电磁转矩；

K_d——代表阻尼绕组作用的阻尼系数。

同步发电机可以作为风力机变速运行的合适选择^[99，100]。由于桨距角控制机构增加了风力机的成本，并为风力机和发电机带来了压应力，必须通过其他手段来实现运行转速控制的灵活性^[101]。变速运行的同步发电机将会产生电压和频率可变的电能。同步发电机的输出电压可以通过用于励磁电压的AVR来控制。不过，感应发电机需要使用可控电容器来控制电压。此外，其运行转速应该高于同步转速，以运行于发电模式^[102]。

比同步发电机效率更高的是多极同步发电机，因为后者不必使用齿轮，而且风力机和发电机可以运行于DD模式^[103，104]。不过，非多极同步发电机则需要使用齿轮箱，以产生并网所需的频率。另一方面，风力发电系统中的同步发电机还需要使用直流电压源或者AC-DC变换器，以产生励磁绕组所需的励磁电压。风力机与同步发电机连接如图2.60所示。

如果未使用多极同步发电机，那么就应该使用齿轮箱来供风力机—发电机耦合，如图2.61所示。可以使用IGBT桥来替代作为定子绕组整流器的二极管桥。在此例中，定子侧变换器用于有功功率控制，而GSC则用于无功功率控制或者直流母线电压调节。这种方案也可以用于图2.60所示的拓扑结构。(www.xing528.com)

图2.60 风力发电系统中的多极同步发电机

在图2.60和图2.61的拓扑结构中，可以使用后接DC-DC变换器的二极管桥来控制由DC-DC变换器产生的励磁电压，而不是使用可控整流器来控制。

作为可控整流器的替代方案，直流链电压或电流可以使用直流链的DC-DC变换器来调节^[105，106]。该拓扑结构如图2.62所示。

在这种拓扑结构中，DC-DC变换器由一个PWM发电机来控制，而占空比则是由调节直流链电流的控制器来确定^[105]。直流链电流控制器如图2.63所示，其中，I^*_dc为参考直流链电流，I_dc为测量直流链电流，V_in为变换器的输入电压，V_dc为

图2.61 带有用于控制励磁电压的DC-DC变换器的同步发电机

图2.62 带直流链调节的同步发电机

变换器的输出电压。这里的参考直流链电流需要依靠发电机电流—转矩关系图来确定，以获取风力机的最大功率。

图2.63　DC-DC变换器占空比电流回路

另一方面，并网侧逆变器由一个正弦脉宽调制（SPWM）发电机使用参考d和q轴参考电压V_d^*和V_q^*来控制。

d轴参考电压使用图2.64所示的d轴电流控制器来确定。参考功率因数通过功率因数控制器决定了d轴参考电流i_d^*，与所测得的d轴电流i_d进行比较，并通过一个PI控制器将误差减少到零，以确定d轴参考电压V_d^*。

q轴参考电压由q轴参考电流和测量电流i_q和i_q^*之差来确定。q轴参考电流是电压控制器的输出，它使用差分参考直流电压V^*_dc和测量直流电压V_dc之差，如图2.65所示。

图2.64　d轴电压控制器

图2.65　q轴电压控制器