双馈异步发电的P理论研究.doc

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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s>0或nn1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s<0，n＞n1的超同步电动运行，同时也有s＞0,n＜n1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，

2、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

3、时异步机的运行状态不能以转差率为标志,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＞→【（

4、转子＞→）——→（定子＞→）】→电源其中，为转子功率；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n＞n1的超同步情况下，方有＞，而在n＜n1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

5、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。1)双馈发电的功率转换原理所谓双馈（DoubleFed），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

6、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）

7、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。1)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