在能源短缺和环境污染日益严重的今天，充分开发、利用可再生能源是解决能源与环境问题的最优选择，其中水能的利用又是目前最具现实意义的方案之一[1]。对此，世界各国均高度重视、大力发展，使得水力发电机组的装机容量和在电能生产中所占比重均迅速增长。我国水力资源十分丰富，其中大部分的水头位于200-650m之间[2]，这样的高水头电站通常采用冲击式水轮机机型。冲击式水轮机具有结构简单、适用水头高、机组安装高程不受空蚀限制等优点，在国内外的高水头电站中都得到了较为普遍的应用。在传统的高水头冲击水轮发电机组中，为使水力发电的频率与电网电压的频率保持一致，普遍采用恒速恒频[3]发电。但是，当发电机负载等突变引起转速变化时，就会引起发电机功率角的摆动，造成发电机输出电流、功率震荡，甚至引起运行的不稳定。恒速恒频发电机组不仅造成水能利用低，而且适应工况的能力也不强。变速恒频[4-5]发电机组能克服上述的缺点。
用于水力发电的变速恒频发电系统的种类[6-7]有很多，其中交流励磁双馈型异步发电系统最具优势。
1 控制策略的研究
1.1 双馈型异步发电机的数学模型
因为双馈型异步发电机的动态数学模型是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，所以必须对其进行解耦控制。通过坐标变换可得到双馈型异步发电机在两相同步旋转（即d-q）坐标系上的数学模型[8]。电压和磁链方程如下：
（1）
（2）
电磁转矩方程：
（3）
运动方程：
（4）
式中：—电阻；—电感；—定子量；—转子量；—气隙相关量；—d-q坐标系中相应分量—电机定子角速度、转子角速度和转差角速度，且满足；—电机输出驱动转矩；—电机转动惯量；—微分算子。
2.2 励磁控制系统的控制策略
本文采用定子磁链矢量作为定向矢量，其控制方法是将d-q坐标系的d轴与定子磁链矢量重合，故q轴超前d轴90°，交流励磁矢量图如图1所示。
图1 交流励磁矢量图
采取定子磁链定向，有：，，，，代入式（1）~（2）。则：
（5）
（6）
（7）
根据，，定子输出功率为：
（8）
可以看出，有功功率、无功功率分别与定子电流在d、q轴上的分量、成正比，调节转矩电流分量和励磁电流分量可分别独立地调节和，实现功率解耦控制。
根据式（5）~（8），可确定发电机控制策略，其控制原理图如图2所示。

图2 控制原理图
该系统采用双闭环结构，外环为功率控制环，内环为电流控制环。在功率环中，由测量模块得到反馈值、与功率指令、进行比较，差值经PI型功率调节器运算，输出转子电流分量、，然后再与转子电流反馈信号比较，用比较信号对变频器进行控制从而实现对有功无功的独立调节。
2 仿真分析
根据双馈型异步发电机的数学模型、高水头冲击水轮发电系统的基本原理以及定子磁链定向的矢量控制策略，在Matlab/Simulink环境下建立了该系统仿真模型。仿真参数为：三相四极异步发电机；额定功率为2.1kW；额定电压为220V；定子电阻和漏感分别为0.435、2mH；转子电阻和漏感分别为0.816、2mH；互感为69.31mH；同步转速为1800r/min。

图3 理想最优转速与实际电机转速