发电机转子电流控制技术探讨

发电机转子电流控制技术（RCC）通过对发电机转子电流的控制来迅速改变发电机转差率，即在一定范围内改变风轮转速，吸收由于瞬变风速引起的功率波动。

1.转子电流控制器原理

发电机转子电流控制系统如图5-2所示。转子电流控制器由快速数字式PI控制器和一个等效变阻器构成。它根据给定的电流值，通过改变转子电路的电阻来改变发电机的转差率。在额定功率时，发电机的转差率能够从1％～10％（4极发电机转速1515～1650r／min）变化，相应的转子平均电阻从0～100％变化。当功率变化，即转子电流变化时，PI调节器迅速调整转子电阻，使转子电流跟踪给定值，如果从主控制器传出的电流给定值是恒定的，它将保持转子电流恒定，从而使功率输出保持不变。与此同时，发电机转差率却在做相应的调整以平衡输入功率的变化。

图5-2 转子电流控制系统

可以从感应发电机的电磁转矩公式［见式（4-7）］来进一步说明转子电阻与发电机转差率的关系。

由式（4-7）可知，只要R′₂／s不变，电磁转矩M_e就可保持不变。因此，当风速变大，风轮及发电机的转速上升，即发电机转差率增大，只要改变转子电阻R′₂，就能保持发电机输出功率不变。如图5-3所示，当发电机的转子电阻改变时，其特性曲线由1变为2，运行点也由a点变到b点，而电磁转矩M_e保持不变，发电机转差率绝对值则从s₁上升到s₂。

2.转子电流控制器的结构

转子电流控制器技术必须使用在绕线转子感应发电机上，用于控制发电机的转子电流，使感应发电机成为可变转差率发电机。采用转子电流控制器的感应发电机结构如图5-4所示。

图5-3 发电机运行特性曲线的变化(www.xing528.com)

图5-4 可变转差率发电机结构

转子电流控制器安装在发电机的轴上，与转子上的三相绕组连接，构成一个电气回路。将普通三相感应发电机的转子引出，外接转子电阻，使发电机的转差率变化10％，通过一组电力电子元器件来调整转子回路的电阻，从而调节发电机的转差率。转子电流控制器电气原理如图5-5所示。

图5-5 转子电流控制器原理

发电机转子电流控制技术依靠外部控制器给出的电流基准值和两个电流互感器的测量值，计算出转子回路的电阻值，通过IGBT（绝缘栅双极型晶体管）的导通和关断来进行调整。IGBT的导通与关断受一宽度可调的脉冲信号（PWM）控制。

前文已经述及，IGBT是双极型晶体管和MOSMFET（场效应晶体管）的复合体，所需驱动功率小，饱和电压降低，在关断时，不需要负栅极电压来减少关断时间，开关速度较高；饱和电压降低减少了功率损耗，提高了发电机的效率；采用脉宽调制（PWM）电路，提高了整个电路的功率因数，同时只用一级可控的功率单元，减少了元件数，电路结构简单，由于通过对输出脉冲宽度的控制就可控制IGBT的开关，系统的响应速度加快。

转子电流控制器可在维持额定转子电流（即发电机额定功率）的情况下，在0至最大值之间调节转子电阻，使发电机的转差率大约在0.6％（转子自身电阻）至10％（IGBT关断，转子电阻为自身电阻与外接电阻之和）之间连续变化。

为了保护RCC单元中的主元件IGBT，设有阻容回路和过电压保护，阻容回路用来限制IGBT每次关断时产生的过电压峰值，过电压保护采用晶闸管，当电网发生短路或短时中断时，晶闸管全导通，使IGBT处于两端短路状态，转子总电阻接近于转子自身的电阻。