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1、双馈异步发电的P理论研究作者 屈维谦（未经作者许可，请勿转载、引用）绪言问题的提出双馈异步发电是目前风力发电的主导，准确把握双馈以及异步机的发电原理，对于其技术进步和产业发展具有重要的意义。异步机发电的传统理论主要依据电机学的转差率说，即l 当s0或nn1时，异步机为电动状态；l 当sn1时，异步机为发电状态。然而，该结论与双馈电动和发电的实际并不完全相符，例如，双馈调速既有s0，nn1的超同步电动运行，同时也有s0,nn1的亚同步发电运行。如此矛盾,问题究竟何在？首先应该准确理解异步机的转差率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
2、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，转差率所能反映的仅是异步机电磁感应的状况。显然，如果异步机的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异步机的运行状态，传统的结论是正确的。但是，当异步机有附加电势的参与和作用时，转子既有定子的电磁感应作用,又有附加电源的电传导作用, 异步机电机的运行便不单纯取决于电磁感应，而是二者的综合作用。电传导与电磁感应是互不相干的，所以,此时异步机的运行状态不能
3、以转差率为标志,自然也不能用转差率解释其原理。“异步化同步发电机”是上个世纪七十年代国外针对双馈提出的另外理论，很多观点也有待商榷。那么双馈发电的原理究竟何在？本文结合作者的电机发电运行的普遍原理与判据1和内馈调速的P理论研究2论文对此加以分析，从而对双馈发电原理给出新的诠释，希望有助于双馈等风力发电技术的发展。1. 双馈发电的P理论电机的各种运行状态（包括发电、电动）都是能量转换的表现，并且服从能量守恒原理，所谓P理论，即是以功率转换和守恒分析电机运行原理的简称。1) 异步发电机的功率转换原理根据异步机的基本原理,异步发电机应遵循如下的能量转换流程机械功率【（转子）（定子）】电源其中，为转子
4、功率；为转子定子通过电磁感应传输的电磁功率；为定子的发电功率；为大于号，是考虑到功率转换中必然产生的损耗。异步发电机原理的关键在于转子功率电磁功率的转换，即 （1）以及机电功率关系 （2）其中，转子的输入损耗功率。显然，只有满足式（1）（2），异步机方能发电运行，所以式（1）（2）是异步发电机普遍原理的表达。通常，发电机的电磁功率本应源于机械功率，自然有以及。但是异步发电机却不然，受旋转磁场电磁感应的作用，异步机只有在nn1的超同步情况下，方有，而在nn1的情况下，则有，异步机非但不发电运行，反而是作电动运行，这是要重点注意的（详见后叙）。另外重要的问题是如何实现发电机的机电能量转换。按照力学
5、原理，必经的途径是通过机械转矩的作用与电磁转矩的反作用，即发电机的电磁转矩与转速方向相反，如以转速方向为参考正方向，则且电机稳定运行时，按照转矩平衡原理，机械转矩与电磁转矩平衡，有 。 （3）综合上述，是发电机的核心原理，而则是实现原理的必需措施。2) 双馈发电的功率转换原理所谓双馈（Double Fed），是指异步机的定、转子都和电源联接，从而形成双端馈电。双馈电机有电动机和发电机，二者的基本原理相同，互为可逆，其中双馈发电的功率转换和系统原理如图1、2所示。图1 异步发电的功率转换原理图2 普遍的异步发电系统原理如上所述，电磁功率是判断异步机运行状态的参照标志，所以，深入理解异步机的电磁功
6、率十分重要。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。转子开路电势取决于定子电势,且,故为一定值，而转子有功电流只取决于电磁（或负载）转矩，与基本无关，由此可见，异步机的电磁功率正比于，并不取决于机械功率。从机械角度观察，按照电机学，异步机的电磁功率表达为 （5）即电磁转矩与同步角转速的乘积。电磁转矩与机械转矩相平衡，异步发电机稳定运行时，其输入机械功率为 （6）为电机的角转速。对比（5）（6）两式，在亚同步时，故，异步机非但不能发电，反而处于电动状态。另外，在超同步时，虽
7、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？方法是借助附加电源的电势和功率,即附加电势和附加功率。3) 附加功率与亚同步、超同步的发电所谓附加功率，即是异步机转子与附加电源通过电传导交换的功率。根据前述的异步发电机能量转换原理，异步发电机的功率条件应广义地表达为转子合功率大于电磁功率，即之中既必须有机械功率，也可以有附加电源的附加功率，这样，异步发电机就可不受限于，即使也能发电运行，异步机发电的工作领域大为扩展。鉴于亚同步时，为了使，转子除了输入机械功率之外，还要从附加电源输入附加功率，于是转子的合功率表达为 （7）这样，尽管，但 （8）异步机便可
8、在亚同步时发电运行。转子扣除的总损耗，将其余的大部分功率转化为电磁功率，转子发电的电磁功率为 （9） 需要指出,发电机的目的是将机械能转换为电能，而亚同步发电时,附加功率源于附加电源最终馈入主电网，显然是无谓的循环传输，而且，传输经由转子和定子，由此引起相应的损耗，使发电效率降低。另外，定子的发电功率中除了机械功率之外，还含有无谓的附加功率，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。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。但是为了避免过大于而导致过载，此时，应使转子向附加电源分流出一定的附加功率，此时转子的合功率为 （10）
9、转子定子的电磁功率则为 （11）综合式（9）（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 （12）其中：+表示转子从附加电源吸收的附加功率，对应于亚同步发电；-表示转子向附加电源供出的附加功率，对应于超同步发电。附加电势控制的异步机发电功率条件综合表达为 （13）对于笼型异步机，由于转子自身短路而封闭，故，且有 （14）及 （15） 可见，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。4) 定子的发电功率参照图1，转子将其电磁功率等量地传输给定子（注意，转子定子的电
10、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。可见，定子的发电功率中除了应有的机械功率之外，而且还有无谓的附加功率，这是双馈发电附加电源外置的必然结果。综合上述，双馈亚同步和超同步的功率流程分别为：l 亚同步发电原动机PM （）（） + 转子 定子附加电源PK l 超同步发电原动机PM （）（） - 转子 定子附加电源PK 2. 异步发电机的电磁转矩前已叙
11、及，电磁转矩为负(T0)是发电机的必须条件。按照电机学，异步机的电磁转矩表达为 （18）其中，CT转矩系数，； 主磁通量； 转子电流； 与转子开路电势相角的余弦。式（18）为电磁转矩的标量式，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T0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。由于转子电流产生于转子合电势，所以，又可归结为转子运行的合电势与静止的开路电势的方向相反（相角大于90），这是实现T0的重要措施，应该引起注意。 当s0时，转差电势与同向，因此，附加电势不仅要和反向，而且幅值须大于后者，其转子等效电路如图所示。图
12、3 亚同步发电的转子等效电路当s0时，转差电势已经与反向，此时与反向(即与同向)，以使合电势不宜过大而导致过流和过载，其转子等效电路如图所示。图4 超同步发电的转子等效电路总结以上分析，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,实现异步机发电T0的主要方法计有二种：l 对于转子无源的情况，须使电机转速高于同步转速，s0。l 对于转子有源情况，可在转子回路串入附加电势，并使转子合电势与开路电势的方向相反。具体是，当n0（亚同步）时，因与同相，故须使和反向，且；而当nn1，s0（超同步）时，因已经与反相，故仍可以和方向相反，但须使。3. 异步发电机的转速关系与理想转速由式（12），双馈发电的机械功率表达为 （21）将上式两边同时除以电磁转矩T，可得转速方程 （22）式中，机械功率的转速为 （23）电磁功率的转速为 （24）附加功率的转速为 （25）损耗功率的转速降为 (26)令 （27）即电磁功率与附加功率之和的转速，其中的-号对应于亚同步发电，而+号则对应于超同步发电。结合式（22
