发电机的类型及控制方法

潮汐水轮发电机的工作原理同风力发电机一致。同步发电机（PMSG和直流无刷发电机）和DFIG双馈在潮汐能发电系统非常常见。

3.4.1.1 同步发电机

在潮汐坝法中使用的发电机大多是同步发电机，它们广泛应用于水力发电中。现在，世界各地超过97%的电力是由同步发电机产生的，因为同步发电机效率非常高，而且易于操作。它们的效率为75%～90%不等。

最简单的发电机形式（见图3.51）由一个定子、一个转子以及相同数量的极点组成。在图3.51中，定子电路有三对相位角为120°的线圈。转子可以是PM（PMSM）或者是由直流电源激励的电磁铁。同步发电机的转子和磁场以同一个恒定转速运行，这就是所谓的同步转速。同步转速可表示为

图3.51 两极同步发电机的概念模型

式中 f——频率（Hz）；

p——极对数。

式中 ω_m——机械角速度；

ω——电角速度。

基于式（3.26）和式（3.27），可以通过控制频率来实现调速。同步发电机的等效电路和相量图如图3.52所示。在这个等效电路中，E₀为等效感应电压（反电动势），Z为负载阻抗，E为输出电压，X为同步电抗，I为单相定子电流。式（3.28）为同步发电机的通用电压方程：

图3.52 同步发电机的等效电路

输出功率和电磁转矩可根据以下两式计算：

式中 φ——功率系数角；

θ——转矩角；

ω_m——机械角速度。

PMSM可以通过转子磁场方向的主动矢量控制，来获得更好的转矩特性。图3.53给出了永磁同步发电机的矢量控制。永磁同步发电机是一种转子由永磁制成的同步发电机，因此它的矢量控制比异步发电机简单^[30]。

在理想的条件下，永磁同步发电机矢量控制的数学方程可以表示为

式中 u_d和u_q——d-q坐标系中的定子绕组电压；

i_d和i_q——d-q坐标系中的定子绕组电流；

R——定子绕组电阻；

L_d和L_q——定子绕组电感；

ψ_r——转子磁链；

ω——定子角速度；

T_e——转子转矩。

常用的方法是将定子电流矢量固定在q轴上，以致d轴部分并不存在。换句话说，旋转的磁链是不变量，而且它不会影响到电磁转矩。因此，电磁转矩为

图3.53　PMSM矢量控制方案

由于激励和力矩参数被解耦，因此可以通过调节定子相应的q轴电流来控制电磁转矩。

在使用同步发电机的潮汐动能发电系统中，工作转速随着潮汐流速的波动而随机变化，因此输出电压和频率也是可变的。因此，有必要在发电机与电网之间设置电力电子接口，以控制系统的输出电压和频率。这样就可以将发电机的交流输出转换为直流，然后再将直流电逆变成电网所需的频率和幅值的交流电，如图3.54所示。

图3.54 同步发电机变速运行

3.4.1.2 异步发电机

相对于同步发电机来说，异步发电机更加坚固耐用，而且通常成本更低。与同步发电机一样，异步发电机也是由一个定子、一个转子以及带有三对线圈的定子电路组成。所不同的是，异步发电机的转子由短路线圈组成。其同步转速与同步发电机相同，如式（3.26）所示。

转速与同步速度之差占同步速度的百分比，称为发电机的转差率。转差率被定义为

式中 N_s——同步速度（每分钟转速）；

N——转子转速。

3.4.1.2.1 双馈异步发电机

双馈异步发电机的工作转速范围很广（约为同步速度的±30%）。双馈异步发电机的这种特性为它广泛应用于风力、潮汐能发电创造了机会，其中必须使用变速系统。

相对于感应发电机，双馈异步发电机的定子电路直接与电网相连，但转子电路则是通过集电环与变换器相连，如图3.55所示。(www.xing528.com)

图3.55 双馈异步发电机的电路连接

转子绕组通过背到背变换器连接到电网。两个变换器之间安装了一个直流母线侧电容来储存能量，以减少直流侧的电压纹波。发电机一侧的变换器用来控制双馈异步发电机的转矩或速度，以及定子端的功率因数。电网侧变换器的主要目标是保持直流侧电压恒定^[26]，如图3.56所示。

图3.57给出了双馈异步发电机的单相等效电路。

根据基尔霍夫电压定律有

图3.56 使用双馈异步发电机的变速发电

图3.57 双馈异步发电机等效电路（改编自S.Tnani et al.，“A generalized model for double fed induction machines，”IASTED Conference，1995.）

式中 V_s——定子电压；

R_s——定子电阻；

V_r——转子电压；

R_r——转子电阻；

I_s——定子电流；

L_s——定子漏感；

I_r——转子电流；

L_r——转子漏感；

I_Rm——磁化电阻电流；

R_m——磁化电阻；

ω₁——定子频率；

L_m——励磁电感；

s——转差率，即

式中 ω_r——转子转速；

ω₂——转差频率。

3.4.1.2.2 双馈异步发电机的动力学模型

Park模型通常用于双馈发电机建模^[16]。根据Blaschke（布拉施克）在1971年提出的矢量控制理论，异步发电机可以用一个使用d、q组件的微分方程系统来描述。Ramuz等人^[16]选择了将轴在定子电压矢量（V_sd=0，V_sq=V_s）后移90°作为参照系，如图3.58所示。

发电机的方程式为

式中 ω_s——轴系统（d，q）的角速度；

ω——转子与定子相比的角速度；

R_s和R_r——定子和转子电阻。

其磁通方程式为

图3.58 双馈异步发电机的旋转d-q轴参照系系统

式中 L_s——定子环电感；

L_r——转子环电感；

M——环互感。

在d_-q轴系统中，将式（3.40）代入式（3.43），它们可以表示为

通量方程式变为