学文网摘 要：在风力发电机组满功率运行时，由于风况多变，存在变桨滞后等现象；此时主要的表现为：发电机转速波动很大，而这种转速的波动在一定范围内是被允许的。对于双馈发电机来说，此时可以通过降低双馈发电机励磁电流来降低磁通以达到控制功率输出的目的；而直驱永磁电机由于采用永磁体作为磁场的提供者，其产生的磁场是无法调节的，那么在转速发生波动的情况下，如果不采取任何措施，就会出现功率输出会跟随转速波动而波动。能否让永磁发电机如同双馈发电机一样控制磁通量来达到控制功率的效果，对此该文进行了分析与阐述。
关键词：永磁电动机 永磁发电机 弱磁控制
中***分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）07（a）-0069-03
在风力发电技术的发展过程中，有2个发展方向：一是双馈异步风力发电，一是永磁同步风力发电；分别选用了永磁同步发电机与双馈异步发电机作为发电主设备。
双馈机组的异步发电机在结构上为定转子三相对称，转子电流由滑环接入。通过增速齿轮箱将风速的变化传递到发电机，为保持定子电流频率的恒定，可以控制转子电流的频率，从而实行了风电机组的功率控制。
永磁发电机组是以永磁发电机、全功率变流器为核心的风力发电系统，通过全功率变流器与高压电网相联，变流器将风电机组输出的不停变化的交流电，首先变换成直流电，再通过逆变器逆变成电网需要的电压、频率和幅值及相位。
1 永磁发电机满功率运行时存在的问题
在满功率运行时，风况多变，存在变桨滞后的现象，此时主要的表现为：发电机转速波动很大。而这种转速的波动在一定范围内是被允许的，例如：金风2.5 MW-121（叶片）风力发电机组额定转速为m转/min，最大允许的额定转速为1.1倍的额定转速。
对于双馈发电机来说，此时可以通过降低双馈发电机励磁电流来降低磁通来达到控制功率输出的目的；而直驱永磁电机由于采用的永磁体作为磁场的提供者，其产生的磁场是无法调节的，那么在转速发生波动的情况下，如果不采取任何措施，会出现功率输出会跟随转速波动而波动，最大功率将为1.1倍的额定功率；而根据有功功率高故障的触发条件，此时就会造成机组的故障停机。
此时，首先想到将超发的有功功率消耗掉，那么根据目前风力发电机组设计来看，能够快速消耗掉电能的元器件为制动电阻；但制动电阻的启停是受到限制的，不可能长时间或频繁启动来消耗超发的电能。这种办法不能解决超发，那么此时就会考虑，能不能让永磁发电机如同双馈发电机一样控制磁通量来达到控制功率的效果。
2 永磁发电机采用了弱磁控制的控制方式
上节所述，在功率输出恒定的情况下，永磁电动机为了得到更高的速度，采用了弱磁控制的方法，降低了磁通从而让电动机得到了更高的速度。那么反过来考虑，在满功率运行时，永磁发电机追求的是稳定的功率；在运转过程中，如果转速增大了，那么要想得到额定转速下的额定功率，根据电动机控制原理，转速增加的同时需要降低磁通，控制方法同样为弱磁控制，即通过对发电机进行弱磁控制从而得到稳定的功率。
想要了解永磁发电机的弱磁控制，首先从原理及公式推导的方式，来说明永磁发电机转矩都与哪些变量相关。
假设永磁同步电机：（1）磁路是线性且既没有饱和现象，又不存在磁滞、涡流效应；（2）忽略漏感并认为永磁体的磁场是沿气隙规则分布的。
通过坐标变换的理论，可以得到永磁同步电机在同步的旋转坐标系下的电压方程和转矩方程（公式摘自吴浩烈的《电机及电力拖动基础》），分别如下：
其中、为电机端电压d和q轴分量；、为定子电流d和q轴分量；Ψd、Ψq为磁链d和q轴分量；ωr为转子旋转的电角速度；Rs为每相定子绕组的电枢电阻。
同步发电机d-q坐标系下的磁链方程为：
其中Ψf为转子磁链，Ψd为定子磁链。
在旋转的坐标系中：d轴是在转子磁极轴线上，q轴超前90°的电角度，d、q轴的位置角为θ=θ0+ωrt。此时，永磁同步发电机转子磁势的方向与d轴方向一致。d-q坐标系下永磁同步发电机的空间矢量***，如***1所示。
假设永磁同步发电机的转子磁链、定子d轴电感Ld、定子q电感Lq恒定不变，那么d、q坐标系下电压、电流的关系为：
空载电势Eq=ωrΨf，可以看出空载电势Eq的方向是和转子磁链Ψf的方向相一致。则：
根据上式中同步发电机的电压、电流的关系，根据对称原则，可以认为d轴方向此时电势Eq=0。
可以得到同步发电机的电磁转矩Te为：
其中p为多级永磁同步发电机的极对数。
从上式中可以看到，p为极对数是常数；永磁发电机的磁场认为是恒定值，发电机Ψf为常数；电感Ld、Lp是常数；Te的大小只与、相关。
综上所述，永磁发电机的电磁转矩只与d-q轴的电流分量相关；那么通过调节d-q轴的电流分量就可以控制发电机的转矩，从而达到功率控制的目标。
3 永磁发电机的弱磁控制
上节所述，永磁发电机的电磁扭矩控制只与d-q轴的电流分量相关，下面开始从公式推导角度描述弱磁控制的方式。
3.1 数学模型
首先以笔者公司采用的永磁发电机为例，2.5 MW自主变流器控制简***见***2所示。
从***2中可以看到，由背靠背2套变流器一起控制发电机运行，由于2套变流柜的功能、用途、算法等均相同，所以选取一个变流器的机侧单元做介绍。
PWM整流器的交流侧与交流电压电源（永磁发电机）；假设直流侧是直流负载，典PWM整流器的主电路拓扑***见***3所示。
假定：Si（i=a，b，c）分别是三相桥臂的开关函数，可以定义开关函数Si=（1=Sip有效，0=Sin有效）根据***3，根据电压、电流定律，可得PWM整流器的一般数学模型为：
假设三相电压平衡：ua+ub+uc=0；在三相无中线系统中，三相电流之和始终为零：ia+ib+ic=0。那么上式变为：
此时采用傅里叶变换进行求解，对发电机的控制不利。为了简化，变换三相对称静止坐标系的模型转换为d、q同步旋转坐标系下的表达式为：
3.2 控制策略
同步发电机的控制策略，是基于转子磁链的定向控制，采用了矢量控制策略；定子磁场的定向控制，采用了直接扭矩控制的控制方式。
而2.5 MW自主变流器采用的是PWM控制是一种矢量控制，那么控制方式为：基于转子磁链的定向控制；主要采用零d轴电流控制。
零d轴电流控制，就是控制同步发电机d轴电流是0，根据之前章节得到的扭矩公式（9）：
对于永磁同步发电机，其转子磁场可以认为是恒定的，这样Te与iq是成正比关系。
假设电机给定的转矩为Te*，可以推出给定的电流指令为iq*=0，iq=Te2*/（***Ψf），那么：
（11）
这样可以通过对id和iq的控制，使其跟踪给定的电流值 id和iq，则可以实现对同步发电机的转矩和转速的控制。 那么控制逻辑如***4所示。
如***4，对于电流分量id、iq，将其与给定的电流值id*、iq*做比较，将差量作为电流内环PI调节器的输入量，通过PI调节器跟踪给定值id*、iq*，PI调节器的输出电压分量ud、uq的，产生的调制电压park逆变换，得到电压矢量uα、uβ，最后通过SVPWM方法产生PWM波控制变流器上下臂的导通和关断。
综上所述，只要给定了一个Te*就可以计算出id*=0，iq*=Te2*/（***），与id、iq比较通过PI调节器和park逆变换得到电压矢量，然后通过SVPWM方法产生PWM波控制变流器上下臂的导通和关断，使永磁发电机正常运转。
3.3 机侧弱磁控制简***扩展
公式（8）为d、q同步旋转坐标系下的表达式，通过公式可以看到id、iq分别与机侧电流、发电机转子角速度ωr相关；而根据自主变流控制方式描述：扭矩给定Te*与发电机转子角速度ωr、变流器根据实际功率计算出来的ωq相关；那么将***4的控制简***进行扩展，可以得到扩展***（见***5所示）。
仔细看***，可以发现控制框***扩展后与机侧控制框***相差不多；通过***片可以看到机侧控制的3个闭环控制，其中：（1）紫线框内表示的部分为：电压闭环控制；（2）红色框内表示的部分为：电流闭环控制；（3）红色框外部分为：速度环闭环控制。
其中电压闭环控制、电流闭环控制的核心便是***5所示弱磁控制，所以弱磁控制在永磁发电机中的作用极为重要。
4 结语
通过弱磁控制的公式推导、框***的扩展最终推导出永磁发电机机侧控制的控制简***；这说明了弱磁控制的重要性。通过调节永磁发电机d-q轴的电流分量就可以控制发电机的转矩，从而达到功率控制的目标；可以使永磁发电机如同双馈发电机一样实现在不同转速的情况下，实现恒功率控制。
参考文献
[1] 吴浩烈.点机及电力拖动基础[M].重庆大学出版社，2008.
[2] 胡书举.直驱型风力发电系统概述[J].变频器世界，2009（10）：
55-59.
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