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，深刻揭示双馈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s>0或n<n1时，异步电机为电动状态；当s<0或n>n1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，的超同步电动运行，也有s＞0,n＜n1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n1-n实际是转子和旋转磁场的相对运动速度，也是转子旋转时切割磁力线的速度；而分母n1可以理解为n1-0，即n=0转子静止，于是n1-0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。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（1）（2）式中，——发电机的轴机械功率；——电磁功率；——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的反作用，如以转速方向为参考正方向，则电磁转矩为负，即且电机稳定运行时，机械转矩与电磁转矩平衡，有（3）异步发电机的功率转换原理可普遍地表达为图1，其转子为绕线型，笼型转子封闭短路，可以视为是绕线转子的特例。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，——转子开路静止的感应电势，简称开路电势；——转子相数；——转子电流；——转子功率因数。——与相角的余弦。式（18）为电磁转矩的标量式，其要反映T的方向，应将理解为转子电流与转子开路电势相角的余弦，而不宜采用的标量表达，于是，T<0的问题就归结为与的相角大于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（19）式中，s——转差率，；r2——转子绕组的相电阻；x2——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<0，即n>n1，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，转子电流表达为（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，如果的方向与转子开路电势的方向相反，转子电流便和开路电势反向，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，s<0。对于转子有源情况，可在转子回路串入附加电势，并使合电势与开路电势的方向相反。具体是，当n<n1，s>0（亚同步）时，因与同相，故须使和反向，且；而当n>n1，s<0（超同步）时，因已经与反相，故仍可以和方向相反，但须使。图（）（）分别示出了相关的等效电路。异步电机的理想转速根据文献1的分析结论，电机发电的和T<0条件最终归结为n＞n0的转速条件，其中的n0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，转速均为机械功率与机械转矩之比，由于电机稳定运行时，机械转矩和电磁转矩数值相等，即，故异步电机的转速同为（21）其中，机械功率根据式（15）表达为，（22）所以异步发电机的转速可表为（23）假定，则有（24）其中，n0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，n0和同步转速属性完全不同，前者属于电磁运动；后者属于机械运动，二者并无直接联系。将式（4）和式（18）代入式（），异步机普遍的理想转速表达为（27）其中的Ce2为转子电势系数，。当转子无源时，，理想转速表为（28）如果不考虑（主磁通为常量）的恒转矩条件，可得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（29）只有在时，方可以此表达。转差功率与效率根据图（5）的转子电路，当与同轴时，其电压平衡方程式表为（30）如果忽略损耗压降，有（31）故有功率平衡式（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。问题在于状态，显然，发电机的目的是将机械能转换为电能，而是源于附加电源的电功率，所以，由附加电源——转子——定子——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。的无谓功率循环传输发生在n<n1，s>0的亚同步发电情况下，此时，为使T＜0，需要附加电势和转差电势反向，且，附加电势向转子输送电功率。至于附加功率为负（即），主要发生在n>n1，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。结论交、直流电机发电运行的普适条件为功率条件及Pem＜0；基于发电机的能量转换和守恒