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1、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l 当s0或nn1时,异步电机为电动状态;l 当sn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,的超同步电动运行,也有s0，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n1n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n0,即n=0转子静止，于是n0表示转
2、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
3、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 （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。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,转子开路静止的感应电势，简称
4、开路电势;-转子相数； -转子电流； 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 （5)即电磁转矩与同步角转速的乘积。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 (）为电机的角转速,如果在亚同步时，将有,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，虽然电机可以发电运行,但如果过大于，也将过大于，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，即之中既包含机械功率
5、所转化的电功率，也可以有附加电源交换的的电功率,这样，异步机发电的工作范围便可得到扩展。鉴于亚同步时，为了使转子电功率大于电磁功率，转子除了有机械功率输入之外,还从附加电源输入的电功率，此时，转子的合功率P2表达为 （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，转子的电磁功率为 （)这样,尽管，但转子的合功率却满足 (9)异步机便可在亚同步时发电运行。如果在nn1的超同步状态下，将有，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K，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
6、生的过载.采用馈出的转子合功率为 ()转子的电磁功率则为 （1)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 (2）其中：+表示转子从附加电源吸收的电功率,对应于亚同步发电;-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 (13)从而不必单纯的，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.对于笼型异步电机，由于转子自身短路而封闭，故,式(1）、（2）可表达为 （14）及 （15) 可见，式（14）（1
7、）是式（1)(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nn1，s0，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 （16）其中,-电源相数； -定子感应相电势; 定子电流； -与相角的余弦。定子将大部电磁功率输送至电网，其发电功率为 （17） 其中为定子侧的损耗,为转子侧的损耗，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
8、电磁转矩表达为 （18）其中，CT转矩系数，； -主磁通量； -转子电流; 与相角的余弦.式（1)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，0的问题就归结为与的相角大于0，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,即nn，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
9、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,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
10、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（亚同步)时,因与同相,故须使和反向，且;而当nn，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。3. 异步电机的理想转速根据文献1的分析结论,电机发电的和T条件最终归结为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
11、（2)其中，机械功率根据式(1）表达为, （2）所以异步发电机的转速可表为 (23）假定，则有 (4)其中，0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 （5）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（）和式（1）代入式（),异步机普遍的理想转速表达为 (27）其中的e2为转子电势系数，。当转子无源时,，理想转速表为 （)如果不考虑（主磁通为常量）的恒转矩条件，可
12、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。4. 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 （3)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nn，s0的亚同步发电情况下,此时，为使T0,需要附加电势和转差电势反向，且，附加电势向转子
