CN102299676B - 一种调速同步电机机组 - Google Patents

Abstract

一种调速同步电机机组，包括同步电机和控制器，该同步电机包括转子和定子，定子线圈连接到外部电网用于输出或接收电能，转子线圈经常规方式引出后连接到控制器，所述控制器的输入接电网；其特征在于：所述转子具有两个励磁线圈，两个转子线圈在空间上相差α电角度布置；所述控制器输出两个交流励磁电压分别连接所述两个转子线圈形成两个交流励磁电流，两个交流励磁电流的相位差为(π-α)且角频率都是ω_f＝ω_s-ω_m(ω_s为电网角频率、ω_m为转子的电角速度)；两个交流励磁电流形成一个旋转磁场，旋转磁场相对于定子的转速是同步速ω_s。本发明的调速同步电机组的调速范围宽，用作风力发电机可拓宽适风范围，革除升速齿轮箱，提高风能利用率。

Description

一种调速同步电机机组

技术领域

本发明涉及调速电机技术，尤其是同步电机及其调速技术。

背景技术

风能可再生、清洁环保并且储量巨大，风力发电是新能源的主要发展方向之一。为了适应风速的不稳定性，传统的风力发电机采用异步电机，机头还设有升速齿轮箱，将低速旋转的叶片升速到异步电机的转速。异步发电机需要从电网吸收无功功率，这将增加网损并可能产生电网稳定性问题；升速齿轮箱造价高、效率低，加大了机头重量，限制了塔身高度；而且适风范围较窄，发电风速为5～25m/s，在网风速为3～30m/s。

传统同步电机定子侧的交直交变频调速成本高、损耗大。

异步电机分变频调速和双馈调速，变频调速与同步电机的定子侧调速一样，成本高、损耗大，不适于大型电机应用；双馈调速的电机工作在异步状态，受异步转矩M-滑差s特性的约束，调速范围有限，仍然不能革除风力发电机组的升速齿轮箱。

中国专利申请ZL200810054781.7(发明名称：一种单馈同步风力发电机组)，公开了一种风力发电机组的调速方案，该发明的同步发电机的转子绕组与定子绕组结构相同，定子绕组是三相的、转子绕组也是三相的，定子绕组是p对极，转子绕组也是p对极，结构复杂，不宜制造；转子绕组较多，从而逆变器输出回路也较多。该专利申请的方案中将双馈调速的控制器用于调速同步机的励磁控制，然而双馈控制器只能使得ω_f≈ω_s-ω_m，不能保证ω_f＝ω_s-ω_m，所以，该专利申请的方案在实践中是难于实施的。

针对上述技术和应用问题，本发明旨在提出一种新型的调速电机机组，不从电网吸收无功，调速范围宽，用作风力发电机时结构简化，革除升速齿轮箱，提高效率，降低机头重量，拓宽适风面和适风范围，提高风能利用率。

发明内容

为实现上述技术目的，本发明给出一种调速同步电机机组，包括同步机和控制器，同步电机包括转子和定子，定子线圈连接电网以向电网发送有功功率、无功功率或从电网输入有功功率，控制器输出励磁电压连接转子线圈形成励磁电流，励磁电流用于产生磁场，控制器的电源输入接电网；其特征在于：所述同步电机为双励磁绕组电机，包括两个转子线圈，所述的两个转子线圈在空间上呈α电角度布置；所述控制器输出两路交流励磁电压分别连接两个转子线圈中的一个，形成两个交流励磁电流；所述控制器的一个反馈输入接电机的机械转速Ω_m，另一个反馈输入连接电网接收电网电压信号用于测量电网角频率ω_s，第三个反馈输入为所述同步电机的机端电压，所述控制器的一路输出控制所述两个交流励磁电压的角频率ω_f达到ω_f＝ω_s-p·Ω_m和电流相位差等于(π-α)，另一路输出控制所述两个交流励磁电压的有效值使得机端电压趋于给定机端电压。

其中，p为电机的极对数，p＝1，2，3，...。电角度等于机械角度的p倍，电角速度等于机械转速的p倍，即其中，N为转子机械旋转的转速，单位是转/分钟。

励磁电压在转子绕组中形成励磁电流，励磁电流形成励磁磁场，本发明的控制器有两个作用，一个作用与普通同步机的励磁控制器作用一样，调整励磁电压的有效值使得机端电压与给定机端电压一致；另一个作用是调整励磁电压的频率ω_f，以保证交流励磁电流的相位差是(π-α)，从而，所形成的励磁磁场只有正向旋转分量，还保证ω_f＝ω_s-p·Ω_m和在不同的转速Ω_m下，正向旋转磁场相对于定子的转速ω_f+p·Ω_m仍然保持与电网频率ω_s同步运行。正是后一个作用，才能够允许本发明的同步电机以不同的转速运行。

所述的两个转子线圈的匝数W_D、W_Q和所述控制器的两个输出交流电流有效值I_fD、I_fQ之积相等，即W_D·I_fD＝F_D＝F_Q＝W_Q·I_fQ，特别地，W_D＝W_Q和I_fD＝I_fQ，以保证正向旋转磁势的幅值恒定。W_D和W_Q在制造电机时确定，满足W_D·I_fD＝W_Q·I_fQ的办法很多，如两个转子线圈的参数一样，即W_D＝W_Q、两个转子回路的电阻、电抗相等，于是，控制两个励磁电压有效值相等则两个励磁电流有效值相等；如果两个转子线圈的参数不同，依照下述方法，也不难控制I_fD和I_fQ满足上述等式。

所述的定子铁芯和转子铁芯360°全向均匀，以保证幅值恒定的旋转磁势产生的旋转励磁磁通恒定。

作为本发明的一个实用化改进，所述α为90°，即两个转子线圈空间上呈90°电角度布置，所述的两相交流电流的相位差也是90°。

所述控制器是多入多出MIMO结构，控制器输出控制交流励磁电压的频率和有效值，而频率的改变将引起转子回路阻抗的变化，导致励磁电流的变化；电压有效值的改变直接改变励磁电流有效值的变化；可见，控制是不解偶的，即多个单入单出SISO结构难于实现。

效果

尽管电网角频率ω_s基本恒定，通过本发明的实施，调整转子交流励磁电流的角频率ω_f能够调整同步电机的转速ω_m，并且，保持电机励磁磁场与电网同步。ω_f可以在0到ω_s之间变化，甚至超过ω_s，调速范围非常宽；输出功率与转速无关，当用于电动机调速时，启动力矩巨大，能够克服传统异步电机调速的启动力矩小的问题。

与同步机定子侧交直交调速相比，功率元件上的消耗降低，成本降低。所以，能够广泛用于大型电机的调速，尤其是替代交直交调速的同步电机。

与异步风力发电机相比，不仅不从电网中吸收无功，还可以根据要求向电网发送无功，有助于电网减少网损和提高电网稳定性；大范围调速，一方面革除升速齿轮箱，降低成本、提高效率，减轻机头重量，方便安装，允许加高搭架以提高风力利用；另一方面，还能够拓宽适风速度。

附图说明

图1为本发明的调速同步电机组的电路结构示意图。

图2是本发明控制器的原理示意图

图3为本发明的调速同步电机组的一种由半导体器件构成的控制器实施方案。

图4为本发明的调速同步电机组的一种由半导体器件构成的控制器另一实施方案。

图5为本发明的调速同步电机组的控制器的一种实施方案。

图6为本发明的调速同步电机组的一种带积分的控制器方案。

图7为本发明的调速同步电机组的一种带功角反馈的控制器实施方案。

图8为控制信号到逆变器受控输入的展开图。

具体实施例

图1给出本发明的调速同步电机机组，包括同步电机1和控制器2，同步电机1包括转子11和定子12，转子11有铁芯和转子线圈，定子12也有铁芯和定子线圈，三相定子线圈经电线3连接电网4从电网4输入有功功率或向电网4发送功率(包括有功和无功功率)；转子11接受或输出机械转矩，其特征在于：所述同步电机1包括两个转子线圈111和112，该两个转子线圈111和112在空间上呈α电角度布置，经滑环(未示出)引出后分别连接控制器2的两个交流励磁电压输出6，两个交流励磁电压在两个转子线圈中形成两个交流励磁电流，其角频率都是ω_f；控制器2的电源输入5接电网4；一个反馈输入接收同步电机1的机械转速Ω_m 7，另一个反馈输入电网4的电压用于测量电网角频率ω_s，第三个反馈输入接所述同步电机1的机端电压，控制器的输出控制交流励磁电压的角频率ω_f满足ω_f＝ω_s-p·Ω_m、两个交流励磁电流的相位差等于(π-α)，励磁线圈的匝数与励磁电流的有效值之积相等且铁芯均匀，于是，励磁电流产生的励磁磁通只有正向旋转分量，相对于定子的转速是ω_f+p·Ω_m与电网频率ω_s相同，且大小恒定；所述控制器输出还控制交流励磁电压的有效值使得机端电压趋于机端给定电压。其中，p为电机的极对数。

图2是本发明图1中控制器2的原理示意图。控制器2的两个交流励磁电压输出6(即

和)由分别由两个交流信号源产生，交流信号源的有效值、频率和相位可调。电网频率ω_s减去交流励磁电压频率ω_f、电机转速ω_m后的误差信号作为MIMO控制器的一个输入，给定机端电压U_g0减去机端电压U_g后的误差信号作为MIMO控制器的另一个输入，给定相位差β₀(＝π-α)减去交流励磁电流I_fD和I_fQ的相位差β后的误差信号作为第三个输入；MIMO控制器的输出控制两个交流信号源的频率ω_f，以满足ω_f＝ω_s-p·Ω_m；输出控制其中的一个交流信号源中的相位(也可以通过微调该信号源的频率达到调整相位的目的)使得电流相位差β等于β₀；输出控制两个交流信号源的有效值使得机端电压U_g趋于给定机端电压U_g0。

图3给出了一种由半导体器件构成的控制器2实施方案。整流器26A的电源输入以常规方式接电网4、输出经滤波器27后接逆变器28A的电源输入。逆变器28A的输出励磁电压和

作为控制器2的输出6。整流器26A将电网交流电压变成直流且直流电压可控，滤波器27将直流电压中的高频交流分量滤除，逆变器28A将直流变成交流，交流的频率和相位可控。控制器25的一个输入接电机的机械转速Ω_m 7，另一个输入接收以常规方式测量的电网电压频率ω_s，还有两个输入接所述控制器2的输出电流I_fD或I_fQ并测量它们的角差β，最后一个输入接图1电机1的机端电压8，控制器25的一路输出接逆变器28A的受控输入，控制输出的交流励磁电压角频率ω_f使得ω_f＝ω_s-p·Ω_m和交流励磁电流的角差β＝(π-α)；控制器25的另一路输出接整流器26A的受控输入，机端电压偏离给定电压将引起整流器26A输出的直流电压改变、交流励磁电压有效值改变、交流励磁电流有效值改变、从而将引起机端电压改变与给定机端电压趋于一致。

图4给出了一种由半导体器件构成的控制器2另一实施方案。图中，整流器26B采用二极管不可控整流；逆变器28B采用现代半导体技术，如VMOS、IGBT等；控制器25改为控制器29，机端电压8的改变将引起控制器29输出的脉冲宽度的变化，脉冲宽度即现代半导体的导通宽度，导通宽度的改变将引起逆变器28B输出的交流电压有效值的改变，从而改变机端电压；其它连接和作用同图3。

图5给出了控制器2的一种实施方案。普通两相交流发电机22由调速异步电动机21拖动，异步电动机21由变频器23供电，变频器23的电源以常规方式接电网4；两相交流发电机22的励磁绕组由副励磁控制器24供电，副励磁控制器24的电源以常规方式接电网4。两相交流发电机22的定子有2个相同的、角度差(π-α)的绕组；交流发电机22输出两相交流励磁电压

和

作为控制器2的输出6，变频器23用于异步电动机21的调速，即改变和的频率，副励磁控制器24输出直流电用于交流发电机22的励磁；变频器23的受控输入接控制器20的输出，比例积分控制器20的一个输入以常规方式接电网4并测量电网电压的频率ω_s，另一个输入接图1中电机1的机械转速Ω_m 7，第三个输入接交流励磁电压或

并测量其角频率ω_f(相当于异步电动机21的转速)，控制输出两相交流励磁电压的角频率ω_f使得ω_f＝ω_s-p·Ω_m；副励磁控制器24的受控输入接收图1电机1的机端电压8的信号，并以励磁电压的角频率ω_f作为前馈控制，控制输出使得机端电压8与给定机端电压趋于一致。

图5中的副励磁控制器24和控制器20是两个单入单出(SISO)结构，是因为励磁控制器24采用了带频率前馈的控制，比一个MIMO结构较简单，所以，图3的控制器25和图4的控制器29也可以简化成一个回路控制频率、另一个回路带前馈控制机端电压；带前馈控制机端电压的回路与励磁控制器24一样可以采用普通的比例控制或比例微分控制，而控制频率的回路与控制器20一样需要采用比例积分控制。图6给出了一种积分控制的实施方案。

图6给出了带积分的控制器一种方案。求和器201的输入接ω_s、ω_m和ω_f，获得误差e＝ω_s-ω_m-ω_f，求和器201的输出分别接积分器202、微分器204和放大器206的输入；求和器207的一个输入经放大器203接积分器202的输出、一个输入经放大器205接微分器204的输出、一个输入接放大器206的输出，获得误差e的比例微分和积分控制信号；求和器207的输出作为控制器的输出，其中，放大器203的放大倍数不为0，以保证ω_f＝ω_s-p·Ω_m，否则，如果没有积分控制，只有比例微分控制，则ω_f≈ω_s-p·Ω_m，将不能同步运行。

图7给出了一种用功角反馈以替代图6中积分部分的带功角反馈的控制器实施方案。测量的功角δ具有积分效果且比积分器准确，求和器208的输入接给定功角δ₀与功角δ的差、输出接放大器203的输入，其它同图6。

由《同步电机学》可知，功角δ可以通过测量机端电压U_g、定子电流I和功率因数角

由公式计算获得，

$\mathrm{tg}\left(\mathrm{\δ}\right)=\frac{x_q\·I\·\cos \left(\mathrm{\φ}\right)-r_a\·I\·\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}{U_g+r_a\·I\·\cos \left(\mathrm{\φ}\right)+x_q\·I\·\sin \left(\mathrm{\φ}\right)}$

其中r_a为电机1的定子电阻和x_q为电机1的同步电抗，但计算获得的δ误差较大。

本发明给出一种测量δ的办法。若θ₁为转子Dd绕组相对于定子AX绕组的夹角，θ₂为A相机端电压的相位角，θ₃为Dd绕组中交流电流的相位角，则功角δ：

δ＝θ₁+θ₃-θ₂-90°。

θ₁通过在电机1的转子12的轴上固定位置编码器而得到测量。机端电压和交流励磁电流都是交流信号，有很多电路能够测量交流电的相位角θ₂和相位角θ₃，即θ₁、θ₂和θ₃的测量都是常规手段。

图6和图7给出的控制器方案可以直接作为图5控制器20，其输出接图5变频器23的输入，控制变频器23改变输出电压的频率；而作为图3和图4逆变器28A或28B的受控输入，控制器25或29简化的比例积分控制器和逆变器28展开见图8。

图8给出了控制信号到逆变器受控输入的展开图。图6或图7的输出接到交流信号发生器(20A)和(20C)的调频输入端，以调整发生器(20A)和(20C)输出交流信号的频率；发生器(20A)和(20C)的输出分别接脉冲生成电路(20B)和(20C)的输入端，由交流信号按照PWM原理生成逆变器28的控制脉冲，脉冲生成电路(20B)和(20C)的输出分别接到两个逆变器28A或28B的输入端以产生交流励磁电压U_fD和U_fQ；交流发生器(20A)的相位不调整，但是交流信号发生器(20C)的相位受求和器(20E)的控制，两个转子线圈夹角电角度(π-α)减去交流励磁电流I_fD和I_fQ的角差β后作为求和器(20E)的输入，求和器(20E)的输出接交流信号发生器(20C)的相位输入端，以调整β＝(π-α)。可调幅度、频率和相位的交流信号发生器方案很多，逆变器的脉冲生成电路也很多，这里不再给出。

启动方法

办法一：与同步发电机相同，启动后，转子不断加速，励磁控制不断调节，机端电压U_g接近于电网电压U，ω_f接近于ω_s-ω_m且δ接近于0，准同期合闸并网；也可以跟踪同期并网，控制ω_f＝ω_s-ω_m和δ＝0，合闸并网。

办法二：首先启动励磁控制，控制ω_f＝ω_s-ω_m和δ＝0、机端电压U_g接近于电网电压U；其次合闸并网；最后，开动电机旋转。

办法三：首先令控制器2的输出电压为0，合闸并网，此时，电机将按照异步电机启动；之后，增加控制器2的输出，电机将由异步整步到同步运行。

作为调速同步电动机并网运行

作为调速的同步电动机，由本发明的控制器2能够维持机端电压在给定电压附近，如果要增减输出的无功功率，可以通过调整机端给定电压即可；要达到调速的目的，还需要增加调速控制器，与普通的同步电机一样，测量电机的机械转速Ω_m，通过调速控制器的控制作用，能够维持机械转速Ω_m与给定机械转速Ω_m0一致，励磁磁场的同步运行由所发明的控制器2完成。所需要的调速控制器与现有调速控制器相当，这里不再给出。

作为调速的同步发电机并网运行

作为调速的同步发电机，与调速的同步电动机基本一样，只是需要增加有功功率的调整。按照调度指令，人工或自动发电控制AGC改变给定机械转速Ω_m0即可实现调整有功出力。

作为风力发电机并网运行

与调速同步电机不同，由于风速的变化，风能在不断的变化。为了最大地利用风能，要求风力发电机的发电功率随风能的变化而变化，显然，不需要调速控制，反馈控制维持功率接近给定值也不可取。当风力加大时，引起转子加速，转速增加，在励磁动作之前ω_f+ω_m＞ω_s，引起功角δ加大，输出的电磁功率加大，多发电到电网，同时，由于输出功率的加大，当与风能相等时，转子停止加速，功角维持不变，输出的电磁功率也维持不变，处于稳定运行；同理，风速减小时，输出的电磁功率也将随之减少。当然，在风力加大的过程中，因为控制器2的调节作用，使得ω_f+ω_m→ω_s，δ不再加大，电磁功率也将保持，将部分风能转化为转子动能，同理，在风力减少时，能够将转子的部分动能转化为电磁功率输送到电网，这种特性既维持了电机的同步稳定运行，又减少了输出到电网功率的波动幅度，抑制了阵风引起的风力发电功率的脉动。

本发明的方案是完整的、可实现的。发明人曾将实验样机从0转/分钟持续调整到20000转/分钟。

本发明的技术方案并不局限于上述实施例。对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的构思的任何改变和变型都属于本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种调速同步电机机组，包括同步电机（1）和第一控制器（2），同步电机（1）包括转子（11）和定子（12），定子线圈连接电网（4）以向电网（4）发送有功功率、无功功率或从电网输入有功功率，所述第一控制器（2）输出励磁电压连接转子线圈形成励磁电流，励磁电流用于产生磁场，第一控制器（2）的电源输入接电网（4）；其特征在于：所述同步电机（1）为双绕组励磁电机，包括两个在空间上呈α电角度布置的转子线圈；所述第一控制器（2）输出的两路交流励磁电压分别接两个转子线圈中的一个，形成两个励磁交流励磁电流；所述第一控制器（2）的一个反馈输入接所述同步电机（1）的机械转速Ω_m，另一个反馈输入连接电网电压并测量电网角频率ω_s，第三个反馈输入为所述同步电机（1）的机端电压，所述第一控制器（2）一路输出控制两个交流励磁电压的角频率ω_f达到ω_f＝ω_s-p·Ω_m和电流相位差等于π-α，另一路输出控制所述励磁电压的有效值使得机端电压趋于给定机端电压;其中，p为所述同步电机（1）的极对数。 

2.根据权利要求1的同步电机机组，其特征在于，所述的两个转子线圈的匝数W_D、W_Q和所述第一控制器（2）的两个输出交流电流有效值I_fD、I_fQ之积相等W_D·I_fD＝W_Q·I_fQ；所述转子和定子的铁芯360°均匀。 

3.根据权利要求1的同步电机机组，其特征在于，所述α为90°。 

4.根据权利要求1的同步电机机组，其特征在于，所述第一控制器（2）包括：第二控制器（25）、整流器（26A）、滤波器（27）和逆变器（28A）；所述整流器（26A）的电源输入连接电网、输出经所述滤波器（27）后接所述逆变器（28A）的电源输入；所述逆变器（28A）输出励磁电压

和作为所述第一控制器（2）的交流励磁电压输出；所述第二控制器（25）的一个输入接电网并测量电网的频率ω_s，另一个输入接所述同步电机（1）的机械转速Ω_m，还有两个输入分别接所述第一控制器（2）的电流输出I_fD或I_fQ并测量它们的角差β，最后一个输入接所述同步电机（1）的机端电压，所述第二控制器（25）的一路输出接逆变器（28A）的受控输入控制输出频率ω_f使得ω_f＝ω_s-p·Ω_m和β＝π-α，另一路输出接所述整流 器（26A）的受控输入控制输出使得机端电压与给定机端电压趋于一致。 

5.根据权利要求4的同步电机机组，其特征在于，所述第二控制器（25）是多入多出MIMO结构。 

6.根据权利要求5的同步电机机组，其特征在于，所述第二控制器（25）能够分解成一路带前馈的比例控制或比例微分控制器控制机端电压与给定机端电压趋于一致；一路为比例积分控制器控制频率ω_f使得ω_f＝ω_s-p·Ω_m和相位差β＝π-α。 

7.根据权利要求6的同步电机机组，其特征在于，所述比例积分控制器包括第一求和器（201）、积分器（202）、第一放大器（203）、微分器（204）、第二放大器（205）、第三放大器（206）和第二求和器（207）；所述第一求和器（201）的输入接ω_s、和ω_m和ω_f，其输出e＝ω_s-ω_m-ω_f分别接所述积分器（202）、微分器（204）和第三放大器（206）的输入；所述第二求和器（207）的一个输入经所述第一放大器（203）接所述积分器（202）的输出、另一个输入经所述第二放大器（205）接所述微分器（204）的输出、第三个输入接所述第三放大器（206）的输出；所述第二求和器（207）的输出作为所述第一控制器(2)的输出，其中，第一放大器（203）的放大倍数不为0。 

8.根据权利要求6的同步电机机组，其特征在于，所述比例积分控制器采用功角反馈方式，包括第一求和器（201）、第三求和器（208）、第一放大器（203）、微分器（204）、第二放大器（205）、第三放大器（206）和第二求和器（207）；所述第一求和器（201）的输入接收ω_s和ω_m，其输出e＝ω_s-ω_m-ω_f分别接所述微分器（204）和第三放大器（206）的输入；所述第二求和器（207）的一个输入经所述第一放大器（203）接所述第三求和器（208）的输出、另一个输入经所述第二放大器（205）接所述微分器（204）的输出、第三个输入接所述第三放大器（206）的输出；所述第三求和器（208）的输入接给定功角δ₀与功角δ的差；所述第二求和器（207）的输出作为所述第一控制器（2）的输出，其中，第一放大器（203）的放大倍数不为0。 

9.根据权利要求8的同步电机机组，其特征在于，测量所述同步电机（1）的转子相对于定子的夹角θ₁、测量机端电压的相位角θ₂和交流励磁电流的相位角θ₃，所述功角 δ＝θ₁+θ₃-θ₂-90°。 

10.根据权利要求1的同步电机机组，其特征在于，所述第一控制器（2）包括：第三控制器（29）、不可控整流器（26B）、滤波器（27）和逆变器（28B）；所述不可控整流器（26B）的电源输入连接电网、输出经所述滤波器（27）后接所述逆变器（28B）的电源输入；所述逆变器（28B）输出励磁电压

和

作为所述第一控制器（2）的交流励磁电压输出；所述第三控制器（29）的一个输入接电网并测量电网的频率ω_s，另一个输入接所述同步电机（1）的机械转速Ω_m，还有两个输入分别接所述第一控制器（2）的电流输出I_fD或I_fQ并测量它们的角差β，最后一个输入接所述同步电机（1）的机端电压，所述第三控制器（29）的输出控制频率ω_f使得ω_f＝ω_s-p·Ω_m和β＝π-α，且控制输出脉冲宽度使得机端电压与给定机端电压趋于一致。 

11.根据权利要求10的同步电机机组，其特征在于，所述第三控制器（29）是多入多出MIMO结构。 

12.根据权利要求11的同步电机机组，其特征在于，所述第三控制器（29）能够分解成一路带前馈的比例控制或比例微分控制器控制机端电压与给定机端电压趋于一致；一路为比例积分控制器控制频率ω_f使得ω_f＝ω_s-p·Ω_m和相位差β＝π-α。 

13.根据权利要求12的同步电机机组，其特征在于，所述比例积分控制器包括第一求和器（201）、积分器（202）、第一放大器（203）、微分器（204）、第二放大器（205）、第三放大器（206）和第二求和器（207）；所述第一求和器（201）的输入接ω_s、和ω_m和ω_f，其输出e＝ω_s-ω_m-ω_f分别接所述积分器（202）、微分器（204）和第三放大器（206）的输入；所述第二求和器（207）的一个输入经所述第一放大器（203）接所述积分器（202）的输出、另一个输入经所述第二放大器（205）接所述微分器（204）的输出、第三个输入接所述第三放大器（206）的输出；所述第二求和器（207）的输出作为所述第一控制器(2)的输出，其中，第一放大器（203）的放大倍数不为0。 

14.根据权利要求12的同步电机机组，其特征在于，所述比例积分控制器采用功角反馈方式，包括第一求和器（201）、第三求和器（208）、第一放大器（203）、微分器（204）、第 二放大器（205）、第三放大器（206）和第二求和器（207）；所述第一求和器（201）的输入接收ω_s和ω_m，其输出e＝ω_s-ω_m-ω_f分别接所述微分器（204）和第三放大器（206）的输入；所述第二求和器（207）的一个输入经所述第一放大器（203）接所述第三求和器（208）的输出、另一个输入经所述第二放大器（205）接所述微分器（204）的输出、第三个输入接所述第三放大器（206）的输出；所述第三求和器（208）的输入接给定功角δ₀与功角δ的差；所述第二求和器（207）的输出作为所述第一控制器（2）的输出，其中，第一放大器（203）的放大倍数不为0。 

15.根据权利要求14的同步电机机组，其特征在于，测量所述同步电机（1）的转子相对于定子的夹角θ₁、测量机端电压的相位角θ₂和交流励磁电流的相位角θ₃，所述功角δ＝θ₁+θ₃-θ₂-90°。 

16.根据权利要求1的同步电机机组，其特征在于，所述第一控制器（2）包括：调速异步电动机（21）、两相交流发电机（22）、变频器（23）、副励磁控制器（24）和比例积分控制器（20）；所述两相交流发电机（22）由所述调速异步电动机（21）拖动，所述异步电动机（21）由所述变频器（23）供电，所述变频器（23）的电源连接电网；所述两相交流发电机（22）的励磁绕组由所述副励磁控制器（24）供电，所述副励磁控制器（24）的电源连接电网；所述两相交流发电机（22）的定子有2个相同的、电角度差π-α的绕组输出

和

作为第一控制器（2）的交流励磁电压输出；所述变频器（23）的受控输入接所述比例积分控制器（20）的输出，所述比例积分控制器（20）的一个输入接电网电压并测量电网的频率ωs，另一个输入接所述同步电机（1）的机械转速Ω_m，第三个输入接U_fD或U_fQ的测量频率ω_f，控制输出ω_f使得ω_f＝ω_s-p·Ω_m；所述副励磁控制器（24）的受控输入接所述交流发电机（22）的机端电压，并输入频率ω_f作为前馈控制，控制输出使得机端电压与给定机端电压趋于一致。 

17.根据权利要求16的同步电机机组，其特征在于，所述副励磁控制器（24）采用带交流励磁频率ω_f前馈控制的比例控制或比例微分控制器。 

18.根据权利要求16的同步电机机组，其特征在于，所述比例积分控制器（20）包括第一求和器（201）、积分器（202）、第一放大器（203）、微分器（204）、第二放大器（205）、 第三放大器（206）和第二求和器（207）；所述第一求和器（201）的输入接ω_s、和ω_m和ω_f，其输出e＝ω_s-ω_m-ω_f分别接所述积分器（202）、微分器（204）和第三放大器（206）的输入；所述第二求和器（207）的一个输入经所述第一放大器（203）接所述积分器（202）的输出、另一个输入经所述第二放大器（205）接所述微分器（204）的输出、第三个输入接所述第三放大器（206）的输出；所述第二求和器（207）的输出作为所述第一控制器(2)的输出，其中，第一放大器（203）的放大倍数不为0。 

19.根据权利要求16的同步电机机组，其特征在于，所述比例积分控制器（20）采用功角反馈方式，包括第一求和器（201）、第三求和器（208）、第一放大器（203）、微分器（204）、第二放大器（205）、第三放大器（206）和第二求和器（207）；所述第一求和器（201）的输入接收ω_s和ω_m，其输出e＝ω_s-ω_m-ω_f分别接所述微分器（204）和第三放大器（206）的输入；所述第二求和器（207）的一个输入经所述第一放大器（203）接所述第三求和器（208）的输出、另一个输入经所述第二放大器（205）接所述微分器（204）的输出、第三个输入接所述第三放大器（206）的输出；所述第三求和器（208）的输入接给定功角δ₀与功角δ的差；所述第二求和器（207）的输出作为所述第一控制器（2）的输出，其中，第一放大器（203）的放大倍数不为0。 

20.根据权利要求19的同步电机机组，其特征在于，测量所述同步电机（1）的转子相对于定子的夹角θ₁、测量机端电压的相位角θ₂和交流励磁电流的相位角θ₃，所述功角δ＝θ₁+θ₃-θ₂-90°。 

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