双馈异步发电原理的P理论研究

1、双馈异步发电原理的P理论研究双馈异步发电原理的研究绪言问题的提出双馈异步发电是目前风力发电的主导，深刻揭示双饿以及异步电机的发电原 理，对于其技术进步和发展具有重要的意义。异步机发电的理论主要依据传统电机学的转差率说，即当s0或n<ni时，异步电机为电动状态；当K0或n>iii时，异步电机为发电状态。然而，该结论与双馈电动和发电的实际并不完全相符，例如，双馈调速就有s<0,A的超同步电动运行，也有s>0, n<m的亚同步发电运行。问题究竟何在？首先应该准确理解异步电机的转差率s。在电机学中，转差率定义为其中的in-1）实际是转子和旋转磁场的相对运动速度，也是转子旋

2、转时切割磁力 线的速度；而分母ill可以理解为ni-O,即n=0转子静止，于是i】lO表示转子静 止时的切割磁力线的速度。由此可见，s所反映的是电机旋转与电机静止时的切 割磁力线速度比，鉴于电磁感应的参数都和切割磁力线速度密切相关，所以转 差率能够反映的是异步机的电磁感应情况。显然，如果异步机转子只有电磁感 应的作用，而没有外部附加电势的参与，转差率即可全面反映电机运行状态， 传统的结论是正确的。但是，当转子有外部附加电势的参与和作用时，异步机的运行状态就不能完 全取决于电磁感应，而是二者的综合作用，于是，转差率便不能全面反映电机 的运行状态，因此不能转差率来判断异步机的运行。那么异步机的发电

3、原理究竟何在？本文将结合作者的发电机的普适原理 论文加以分析，从而得出相关的结论，希望有助于双馈等风力发电技术的发展。 1.异步发电机的功率转换与附加功率作为发电机的一种，异步发电机必然遵守普遍的能量转换和转矩平衡原理, 其中，能量转换原理表现为P" 一4=P*(1)式中，Pm发电机的轴机械功率;Pem电磁功率；功一一发电机的输入损耗功率。转矩平衡原理主要是机械转矩的作用与电磁转矩7的反作用，如以转速方向 为参考正方向，则电磁转矩为负，即r yO且电机稳定运行时，机械转矩与电磁转矩平衡，有T“=T异步发电机的功率转换原理可普遍地表达为图L其转子为绕线型，笼型转 子封闭短路，可以视为是

4、绕线转子的特例。1）电磁功率异步机的电磁功率是耦合磁场的媒介功率，从电的角度观察，转子的电磁功 率表达为(4)其中，E2一一转子开路静止的感应电势，简称开路电势;/2转子相数；卜转子电流；COS2转子功率因数。而从机械角度观察，按照电机学，其电磁功率表达为Pcm=e即电磁转矩与同步角转速5的乘积。需要指出，式（5）只有在转子无源（没 有附加电源）的条件下方才成立，而在转子有源情况下则不成立，有关论述见 后。异步发电机稳定运行时，其输入机械功率为乙=7X1（5）Q为电机的角转速，如果在亚同步时，CVQj将有乙V匕，异步机非但不 能发电，反而处于电动状态。另外，如果在超同步时，Q>a，>

5、;pem,虽 然电机可以发电运行，但如果。过大于乙也将过大于匕/这将导致发电 机严重过载。如何解决以上的问题？方法是借助附加电势。2）附加功率首先说明，异步发电机的功率条件应广义地表达为转子电功率大于电磁功 率，即P? > 匕”E之中既包含机械功率PM所转化的电功率，也可以有附加电源交换的的电功率 外,这样，异步机发电的工作范围便可得到扩展。鉴于亚同步时% >匕“，为了使转子电功率大于电磁功率，转子除了有机械 功率均输入之外，还从附加电源输入队的电功率，此时，转子的合功率P2表 达为PH（7）转子扣除的总损耗将其余的大部分功率转化为电磁功率匕/转子的电磁 功率为Pem= 切2/ D

6、 D x v（8）=（4+&）% 2(9)这样，尽管为 Y七.，但转子的合功率却满足Pm + Pk > Pen.异步机便可在亚同步时发电运行。如果在n>m的超同步状态下，将有乙 > 匕“，既使转子没有附加电势也能 发电运行。但是为了解决过载问题，此时应使转子向附加电源馈出一定的电功 率Pk,分析表明，如果机械原动机具有较软的机械特性，这样同时可以降低原 动机的转速和功率，于是避免了超同步可能产生的过载。采用馈出Pk的转子合 功率为PH（1。）转子的电磁功率则为Pe=（PmPk） Ep（11）综合式（8） （11）,采用附加电势控制的异步发电机，转子的功率方程可表达 为

7、Pem=PEP=（4士&）-功（12）其中：+尸人表示转子从附加电源吸收的电功率，对应于亚同步发电；一心表 示转子向附加电源供出的电功率，对应于超同步发电。附加电势控制的异 步机发电功率条件为Pm 土 PkF（13）从而不必单纯的%> Pem ,异步机便可实现亚同步和超同步的发电运行。上述具有附加电源的异步发电机，转子既有和定子电磁感应的发电，又有和 附加电源电传导的功率交换，故称为异步机双馈发电，或简称双馈发电。(14)对于笼型异步电机，由于转子自身短路而封闭，故心=0,式（11）、（12） 可表达为P2 = Pm- PmP,P2(15)P" A Pem可见，式(14

8、) (15)是式(11) (12)的特例，笼型异步机只有机械功率大 于电磁功率时方能发电运行，这要求n>m, s<0,只有超同步时方可实现。另 外，由于转子只有通过定子的电磁感应发电，故可称为异步机单馈发电。3)定子的发电功率转子将其电磁功率等量地传输给定子(注意，转子一一定子的电磁功率传输 不存在损耗问题，功率损耗已经在转子和定子侧计及)，如果忽略定子的激磁损 耗，定子侧的电磁功率表达为Pem = cosj(16)其中，叫一一电源相数；用一 定子感应相电势；/,一一定子电流；cos*1八与臼相角的余弦。定子将大部电磁功率输送至电网，其发电功率为A = Pern - P= (Pm

9、土尸Q-Pi(17)= Pai 土 &-功其中Pl为定子侧的损耗，为转子侧的损耗，功为定、转子的总损耗。2.异步发电机的电磁转矩按照电机学，异步电机的电磁转矩表达为7 = G ,COS02(18)其中，Ct一一转矩系数，孰=勺'¥"；J2中,”主磁通量；k一一转子电流； cos%1?与E?相角的余弦。式（18）为电磁转矩的标量式，其要反映T的方向，应将cos已理解为转子电流A与转子开路电势良相角的余弦，而不宜采用8S%的标量表达，+ X2s于是，T<0的问题就归结为/；与人的相角大于90。，或转子有功电流与转子开 路电势的方向相反。从电路角度观察，转子

10、电流产生于转子合电势，故在转子无源（无附加电势） 的条件下，转子电流方向恒与转差电势方向一致，并表达为Jr； +（1sx2）式中，S转差率，5 = &二；n转子绕组的相电阻；X2一一转子开路（静止）的漏抗。可见，要使转子电流和开路电势反向，唯一的方法是使s<o,即电机转速 超过同步转速。显然，笼型异步电机的转子短路而封闭，无法加入附加电势， 因此，只有在超同步条件下才能实现有源（并网）发电，而亚同步时只能作无 源发电，应用领域受到限制。有鉴于此，异步发电广泛采用绕线转子型的电机，目的是采用附加电势控制, 使异步电机在任意转速下都能实现有源的并网发电。在转子有源条件下，转子电流表达

11、为；一/I（20）式中为外附的附加电势，此时，转子电流取决于转子合电势而不是单 纯的转差电势sK,如果£区的方向与转子开路电势上的方向相反，转子电流 人便和开路电势码反向，于是电磁转矩T<0,异步电机作发电运行。总结以上分析，转子无源时，转子电流的方向取决于转差电势方向（而非开 路电势方向），而转子有源时，转子电流的方向取决于转子合电势方向。当转 子电流与开路电势同向时，电机为电动态；当转子电流与与开路电势反向时，电 机为发电态。由此，实现异步电机发电T<0的主要方法计有二种：对于转子无源的情况，须使电机转速高于同步转速 A %,对于转子有源情况，可在转子回路串入附加电势

12、3k,并使合电势与 开路电势K的方向相反。具体是，当n<m, s>0 （亚同步）时，因S3与 氏同相，故须使和sE?反向，且以之双；而当n>ni, s<0 （超同步） 时，因sL已经与K反相，故l仍可以和$3方向相反，但须使 Ek < sE2。图。O分别示出了相关的等效电路。3 .异步电机的理想转速根据文献1的分析结论，电机发电的乙 A以,和T<0条件最终归结为n>no 的转速条件，其中的no为电机的理想转速。但是，传统电机学并没有建立异步 电机理想转速的概念，异步电机是否存在理想转速？其物理意义何在？这是首 先要回答的问题。根据力学原理，凡是旋转电机

13、，转速均为机械功率“与机械转矩G之比， 由于电机稳定运行时，机械转矩和电磁转矩数值相等，即 =丁，故异步电机 的转速同为(21)(22)=竺殳2乃T其中，机械功率根据式（15）表达为，pm =匕“+班所以异步发电机的转速可表为假定Z2=。，则有(24)=竺02兀T其中，no即为异步发电机的理想转速，其物理意义是：在理想的无损耗条件下, 机械功率全部转换为电磁功率，发电机所具有的转速。可见，异步电机和其它 电机一样具有理想转速。鉴于损耗必然存在，故产生转速降(25)异步发电机的转速方程亦为(26)应该特别注意，no和同步转速小="属性完全不同，前者属于电磁运动；后 P者属于机械运动，二

14、者并无直接联系。将式（4）和式（18）代入式（），异步机普遍的理想转速表达为(27) _E2±EK OK 一_一 C*2桁其中的C.2为转子电势系数，.文吟P。60当转子无源时，石k=。，理想转速表为(28)E,"o = =-如果不考虑,”=c （主磁通为常量）的恒转矩条件，可得n . 60fl 0nP说明在转子无源的条件下，异步机的理想转速和同步转速数值相等。由此可 见，按照力学原理，电机学的式（5）应该写成儿=75(29)只有在O°=Qi时，方可以此表达。4 .转差功率与效率根据图（5）的转子电路，当以与K同轴时，其电压平衡方程式表为sE） ± Ek

15、 - I>八=0（30）如果忽略损耗压降，有sE2 =Ek（31）故有功率平衡式|Z|=5 777j£2/2 COS。?=叱,”（32）说明无论附加功率Pk方向如何，其数值都和转差功率（近似）相等。回顾式（22）,对于附加电势控制的异步发电机，定子发电功率中除了机械 功率之外，还含有附加电源的控制功率。问题在于+ 为状态，显然，发电机的 目的是将机械能转换为电能，而+ 4是源于附加电源的电功率，所以，+也由 附加电源转子定子一电网是无谓的功率循环传输，此时,，定子的发 电功率中除了机械功率之外，还含有无谓的电转差功率，这将增大定子的功率 负荷和损耗，使发电效率降低，特别是在转差率s较大时，问题更为突出。+外的无谓功率循环传输发生在n<ni, s>0的亚同步发电情况下，此时，为使TV0,需要附加电势和转差电势反向，且EG，附加电势向转子输送 电功率。至于附加功率为负（即-心），主要发生在n>ni, s<0的超同步发电情况下， 此时，转子一方面通过电传导将功率Pk发电给附加电源，另一方面通过电磁感 应将其余部分功率发电给定子，由于Pk是Pm的一部分，故Pk属于机电功率转 换，于是不存在转差功率的无谓循环以及损耗问题。5 .结论交、直流电机发电运行的普适条件为1） 功率条件 外,8匕”及P.V0；基于发电机的能量转换和守恒。2） 转矩条件