4. 发电机与变流器控制基础
风电机组要控制转矩与功率，最终都要落到发电机和变流器上。发电机把机械转矩转换为电磁转矩，变流器则通过调节电流的频率、幅值和相位，间接控制电磁转矩和有功、无功功率。理解这一层，需要先分清两种主流机型的电磁结构差异，再理解转矩与电流的关系，最后看功率解耦控制是如何实现的。
一、永磁同步发电机（PMSG）：全功率变流器路径
永磁同步发电机的转子采用永磁体建立励磁磁场，不需要额外的励磁绕组和滑环。定子三相绕组感应出的交流电频率与转子转速严格同步，即 f = n·p/60（n 为转速 r/min，p 为极对数）。由于风速变化导致转速变化，定子输出频率也随之变化，因此不能直接并网，必须经过“发电机侧变流器（MSC）—直流母线—电网侧变流器（GSC）”的全功率变换路径。
在这种结构中，发电机侧变流器控制电磁转矩（从而控制转速），电网侧变流器控制直流母线电压和无功功率。全部功率都经过变流器，因此变流器容量需按发电机额定功率设计，这是 PMSG 直驱或半直驱机组的典型特征。
二、双馈感应发电机（DFIG）：部分功率变流器路径
双馈感应发电机的定子直接并网，转子通过滑环接入部分功率变流器。定子频率固定为电网频率，转子频率为转差频率 f₂ = s·f₁，其中转差率 s = (n₁ - n)/n₁，n₁ 为同步转速。转子变流器只需处理转差功率，容量约为发电机额定功率的 25%～30%，这是 DFIG 的显著优势。
DFIG 的转矩控制通过转子电流的 d、q 分量实现。在定子磁链定向的矢量控制下，定子有功功率与转子 q 轴电流成正比，无功功率与转子 d 轴电流相关。因此，调节转子电流即可控制定子侧输出的有功和无功，实现功率解耦。
三、转矩与电流的关系
无论哪种机型，电磁转矩的本质都是定子磁场与转子磁场相互作用的结果。在矢量控制中，通常把电流分解为励磁分量（d 轴）和转矩分量（q 轴）。对于表贴式永磁同步发电机，d 轴电感与 q 轴电感近似相等，电磁转矩可简化为：
T_e = (3/2) · p · ψ_f · i_q其中 p 为极对数，ψ_f 为永磁磁链，i_q 为 q 轴电流。可见转矩与 i_q 成正比，控制 i_q 即可线性控制转矩。对于 DFIG，在定子磁链定向条件下，转矩近似为：
T_e = -(3/2) · p · (L_m / L_s) · ψ_s · i_rq其中 L_m 为互感，L_s 为定子电感，ψ_s 为定子磁链，i_rq 为转子 q 轴电流。负号表示转矩方向与转子电流方向的关系，具体符号取决于坐标系定义。关键结论是：转矩由 q 轴电流主导，d 轴电流主要用于励磁或无功调节。
四、功率解耦控制
功率解耦的目标是让有功功率和无功功率可以独立调节，互不干扰。在 dq 坐标系下，通过定向控制将定子磁链（或电网电压）定向到 d 轴，使得 q 轴分量主要对应有功，d 轴分量主要对应无功。以 DFIG 定子磁链定向为例，定子有功和无功分别为：
P_s ≈ -(3/2) · (L_m / L_s) · U_s · i_rq
Q_s ≈ (3/2) · (U_s² / (ω₁·L_s)) - (3/2) · (L_m / L_s) · U_s · i_rd可以看到，P_s 主要由 i_rq 决定，Q_s 主要由 i_rd 决定，两者在稳态下近似解耦。实际控制中，转子侧变流器采用双闭环结构：外环为功率环（或转矩环），内环为电流环。外环根据功率指令生成 i_rd* 和 i_rq*，内环通过 PI 调节器输出转子电压指令，再经 SVPWM 调制驱动转子侧变流器。
五、两种机型的控制对比
| 对比项 | PMSG | DFIG |
|---|---|---|
| 变流器容量 | 100% 额定功率 | 约 25%～30% 额定功率 |
| 并网方式 | 全功率变流器并网 | 定子直接并网，转子经变流器 |
| 转矩控制变量 | 定子 q 轴电流 i_q | 转子 q 轴电流 i_rq |
| 无功控制变量 | 定子 d 轴电流 i_d | 转子 d 轴电流 i_rd |
| 转速范围 | 宽范围变速（直驱可 0～额定） | 同步转速 ±30% 左右 |
| 滑环与电刷 | 无 | 有，需维护 |
六、实际控制中的关键点
在变流器控制实现中，有几个容易出问题的环节。第一，角度定向的准确性。DFIG 需要精确的定子磁链角度，PMSG 需要精确的转子位置角，角度偏差会直接导致 dq 轴耦合，使功率解耦失效。第二，电流环带宽。电流环带宽通常设为开关频率的 1/10～1/5，带宽不足会导致转矩响应迟滞，带宽过高则容易受噪声干扰。第三，限幅与保护。变流器输出电流受 IGBT 热容量限制，必须设置电流限幅，同时直流母线电压也需限制在安全范围内。
以 DFIG 转子侧变流器为例，一个典型的电流环 PI 参数整定思路是：先根据转子电感 L_r 和转子电阻 R_r 计算 PI 增益，使电流环闭环带宽达到约 500 Hz～1 kHz（对应开关频率 5 kHz～10 kHz）。整定后，通过阶跃响应观察超调量和调节时间，若超调过大则减小比例增益，若响应过慢则增大比例增益或减小积分时间。
总结来看，PMSG 和 DFIG 在转矩与功率控制上的核心逻辑是一致的：通过 dq 分解把转矩和无功解耦，用 q 轴电流控制转矩，用 d 轴电流控制无功。区别在于 PMSG 控制定子电流，DFIG 控制转子电流，且 DFIG 的变流器容量更小、控制对象更间接。理解这一层，才能在实际调试中判断问题是出在角度定向、电流环参数，还是限幅保护环节。