双馈发电的电机原理研究

作者  屈维谦

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关键词

双馈发电 P理论 转子有源 附加电源 附加功率  附加转速 理想转速 作用 反作用

摘要

 “异步化同步发电机” （Asynchronized Synchronous Generator）和传统电机学理论未能科学揭示双馈发电的原理，并与事实不符，为此，本文根据能量转换与守恒，从功率、转矩、转速等三个角度提出双馈发电的P理论，其核心观点为：

1.从功率角度，双馈发电基本原理在于，或，即通过附加电源向转子提供附加功率，以使转子输入的合功率大等于发电所必需的临界电磁功率。

2.从力学角度，异步机双馈发电必须满足电磁转矩与转速方向相反的条件，即T＜0，为此，要求转子有功电流和转子开路电势反相。这为双馈发电的电路原理提供了理论依据。

3.从转速角度，双馈发电的转速n必须高于所对应的理想转速n0K，即n＞n0K，并且，n0K应随n的变化而调节。转子有源的理想转速方程可表达为，改变附加电势EK的大小及方向即可改变理想转速n0K。

绪言——问题的提出

由于能源的紧迫，以异步电机双馈为代表的风力发电正在迅速发展，显然，准确把握双馈发电的原理，对于其技术进步和产业发展具有重要的意义。

关于双馈发电的原理，目前较为流行的是国外提出的“异步化同步发电机”理论。该理论的核心观点是将双馈发电的原理归结为转子激磁，然而，电机激磁归根结底是感性无功的问题，而发电和电动则是有功的问题，两者在坐标上成正交，物理上属性完全不同，因此，以无功激磁来诠释双馈发电原理，有悖于基本的能量转换定律。另外，按照本文原理的双馈发电实验表明，即使双馈不采用转子激磁，异步电机仍由定子激磁，双馈依然可以实现发电，只是功率因数较低而已。可见，“异步化同步发电机”理论不仅原理上有待商榷，而且与事实不符。

双馈发电原理的传统诠释为电机学的转差率s（）理论，即

●当s>0或n●当s<0或n>n1时，异步机为发电状态。

然而事实上，双馈既存在s＞0,n＜n1的亚同步发电运行，也存在s<0，n＞n1的超同步电动运行，该事实与传统结论完全相反，证明传统电机理论并不适用于双馈原理。深入分析表明，传统电机学的异步电机理论也同样存在一些问题，其中的转差率理论——包括上面的运行状态判别，以及调速表达式等，只适用于转子无源的条件，而当转子有源时并不适用。

双馈发电的科学原理究竟何在？作者在《交流调速的P理论研究1》的论文基础之上对此进行了研究，从而对双馈发电原理给出了全新的诠释。限于篇幅，对于双馈发电的转子激磁以改善发电功率因数问题，以及系统的变流控制分析，本文未能涉及，拟另文阐述。

1.异步发电机的功率转换原理——P理论

能量转换与守恒是电机普遍遵守的基本原理，电机的所有运行状态（包括发电、电动、调速、制动等）实质都是能量转换的具体表现，功率是能量度量的物理量，能量转换及守恒具体表现为功率的转换与守恒，文中所谓的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)异步电机的电磁功率

电磁功率是电机极为重要的物理量。根据电机原理，电——机能量转换必须在磁场的媒介作用下方能实现，所以，电机的气隙主磁场如同一个图1所示的能量耦合器，其中一端和机械系统相联，另一端和电源系统相联，两端的功率通过磁场耦合器实现相互转换和传输。

图1 电机的功率转换系统原理

电机磁场耦合器所转换和传输的功率称为电磁功率，记为Pem，其表现形式有机、电两种，其中，机械形式普遍表达为，式中的n0为电机的理想转速；电气形式则普遍表达为，即电枢感应电势与电流之积。对于异步电机，其理想转速即旋转磁场的同步转速，故电磁功率的机械表达式为

                           （1）

式中的

T——电磁转矩；

n1——同步转速。

而电气表达形式为

                      （2）

式中的

E2——折算成静止的转子相电势；

I2——转子相电流；

cosφ2——转子功率因数；

m2——转子相数。

异步电机转子的电磁功率通过电磁感应反映到定子，如果不考虑激磁电流的影响，电磁功率在定子侧表达为

                       （3）

式中的参数与上式对应，不再另外说明。注意，式1、2是电磁功率的不同表达形式，对于同一电磁功率，两种表达的数值相等。

2)异步发电机的功率转换不等式

基于能量守恒，并考虑到能量转换必然产生损耗，当异步电机发电运行时，其能量转换流程方向与电动运行相反，且必须满足

P2＞Pem＞P1                           （4）

的功率转换不等式，其中

P2——异步电机转子输入功率；

P1——异步电机定子的输出功率；

Pem——异步电机的电磁功率，即气隙主磁场的耦合功率。

不等式4是基于能量守恒而得出的发电机普遍原理，也是异步发电机核心原理的体现。

对于异步电机有源发电，发电机输入的机械功率表达为

                           （5）

式中的n为电机转速。对比式1的电磁功率，由于旋转磁场的转速（同步转速）为电源频率所确定，即有

                           （6）

式中，f1——定子电源频率；

      p——电机的极对数。

对比式（5）与式（1），考虑到稳定运行时的转矩平衡，即机械转矩与电磁转矩大小相等，方向相反，方程表达为

                           （7）

可见，如果异步电机单纯输入机械功率，那么只有在

n≥n1                                          （8）

的超同步条件下方能发电。

另外从异步发电的Pem＞P1条件观察，由于

                       （9）

式中，U1——定子侧电源电压，为一既定常量；

——定子的有功相电流。

所以只有在

E1＞U1                            （10）

即定子感应电势高于电源电压时方可发电（按照电路定律也可以得出同样结论）。由于

                          （11）

式中的E’2为折算到定子侧的转子电势，故有

E’2＞U1                           （12）

可见，要使异步电机有源发电，必须满足式10和12的条件，否则，电机非但不能发电，反而变为电动运行。

综上所述，在定子有源运行条件下，式1和式3是决定异步电机电动或发电的临界电磁功率，只有在输入功率大于临界电磁功率的条件下，即P2＞Pem，电机方可实现发电，这是异步发电的核心问题所在。

至于无源发电，由于发电负载不含具有反作用的电源电压，任何量值的电磁功率都可以转换为相应的电功率，即恒有Pem＞P1；另外，电机的电磁功率Pem完全由输入机械功率PM转换而得，即恒有PM＞Pem，说明发电机对输入机械功率没有量值的。但要注意，无源发电的电压和频率都将随转速而变化，如不经变换，不能将所发电能直接并入电网。

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，从而形成双端馈电的运行方式。通常，定子电源称为主电源，转子电压称为附加电源。应该注意，由于定、转子绕组的额定电压不同，与之相联的电源电压也应该不同，为使附加电源的电压和转子电压相适配，系统通常需要附设变压器。另外，异步电机双馈有电动机和发电机之分，二者除了能量转换方向相反之外，基本原理完全相同。

异步电机双馈发电的目的在于拓宽发电条件，以使其在亚同步及超同步的较宽转速范围内都能发电运行。为此，异步发电机须打破转子单一输入机械功率的，即P2不仅限于机械功率PM，同时还可以包含部分附加电功率PK，这样，便可以根据PM的大小，通过变流控制来调节PK，从而使不等式4成立，电机实现发电运行。其系统的功率转换和电气原理如图2、3所示。

图2 双馈发电系统的功率转换原理

图3  双馈发电系统的电气原理

1)亚同步发电的功率原理

前已叙及，当n＜n1时，异步发电机的输入机械功率将小于发电所需的电磁功率，此时电机非但不能发电，相反将作为电动机运行。为此，转子除了输入机械功率之外，还必须输入一定的附加电功率PK（简称附加功率），以满足发电不等式4的要求。

双馈发电的附加功率必须由电机外部的附加电源提供，此时，转子合功率为输入的机、电功率之和，即

                         （13）

另外使

                        （14）

写成功率平衡方程式则为

                   （15）

式中的p2为转子损耗。转子借助于附加功率实现了P2＞Pem，双馈因此实现了亚同步发电。

根据异步电机的电磁感应原理，转子将等量的电磁功率传输至定子，定子扣除其损耗p1，将其余的功率馈入电网，其发电功率为

                     （16）

于是定子将大部电磁功率（机械功率与附加功率之和）馈入电网。

综上所述，双馈亚同步发电时

●由于机械功率小于发电所需的临界电磁功率，故须向转子馈入一定的附加电功率，以满足不等式2的要求。

●定子发电功率中含有附加功率，该功率以电能形式在附加电源——转子——定子——电源间无谓地循环传输，所产生的损耗使发电机效率降低。附加功率同时增大了定子负荷和发热，而且转差率s愈大，问题愈加突出。

2)超同步发电的功率原理

异步电机在超同步的n＞n1状态下，自然有＞，说明即使没有附加功率也可以实现发电运行。但是，出于控制发电载荷和转子激磁的需要，双馈发电仍需要附加电源的功率控制。

超同步发电时，应按图2或3所示，使转子通过电传导向附加电源分流（发电）一定的附加功率，此时的转子合功率为

                        （17）

转子发电的电磁功率则为

                   （18）

转子通过电磁感应将等量的电磁功率传输至定子，扣除定子损耗，定子发给电网的功率则为

                     （19）

可见双馈超同步发电时，电机的定子和转子分别向各自的电源发电，定子的发电功率为机械功率与附加功率之差，而转子发电功率为定子功率与附加功率之和，故转子功率大于定子功率，电机过载与否，应以转子负载情况为判断依据。

3)小结

综合上述，亚同步和超同步双馈发电的功率转换原理和流程分别为：

●亚同步发电

原动机PM （→→）—→（→）

            +                转子                            定子

附加电源PK →

●超同步发电

原动机PM  （→→）—→（→）

            -                转子                            定子

附加电源PK ←

其电磁功率方程可综合表达为

                    （20）

定子功率方程表达为

                  （21）

其中，PM+PK对应于亚同步；PM-PK对应于超同步。

3.双馈发电的力学原理

按照力学原理，机、电能量转换必须通过转矩的作用和反作用才能实现。对于电动机，作用转矩为电磁转矩，反作用转矩则是机械转矩；而对于发电机，作用转矩为机械转矩，反作用转矩为电磁转矩。为了便于分析，通常以转速n的方向为参考正方向，所以，对于发电机，必有电磁转矩

T＜0                              （22）

即电磁转矩与转速方向相反，数值为负。按照电机学，异步机的电磁转矩表达为

                    （23）

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。由于转子电流产生于转子合电势，所以，又可归结为转子合电势与静止的开路电势的方向相反（相角大于90○）。

当s＞0（即n＜n1）时，转差电势与同向，因此，要使T＜0，须使转子电流I2的方向如图4所示，附加电势不仅要和反向，而且幅值须大于后者。

图4  亚同步发电的转子等效电路

当s＜0（n＞n1）时，其转子等效电路如图5所示。此时，转差电势自然和方向相反，即使没有附加电势，转子电流I2也与反向，于是T＜0。所以加入与方向相反的附加电势，目的是使转子合电势不宜过大而导致过流。

图5  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的方向（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（）的方向。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。

4.双馈发电的调速与理想转速

1)调速原理

和双馈电动机一样，双馈发电必须具有无级调速性能，以满足原动机转速变化的发电需要。双馈发电的调速原理实际是前述功率原理在转速上的体现。根据式20，其输入机械功率可综合表达为

                   （24）

式中的±号中，-号对应于亚同步；+号对应于超同步。考虑到转矩平衡方程式7，将上式两边同时除以电磁转矩T，可得双馈发电的转速方程

                    （25）

式中的

                        （26）

为机械功率对应的转速；

                       （27）

为转子无源时电磁功率对应的转速；

                      （28）

为附加功率对应的转速；

                        (29)

为损耗功率对应的转速降。

令

                   （30）

即转子合功率对应的理想转速，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），显然有

                     （31）

以及不等式

                         （32）

即双馈发电时，其转速必须高于所对应的理想转速，这是异步发电功率原理的必然结果。

应该特别注意，以上引入了传统异步电机文献中所没有的理想转速概念，即转子无源和有源的n0及n0K。其中的“理想”，系指假定的无损耗条件，因此，异步发电机理想转速是客观存在的物理量，其物理意义是：在理想的无损耗条件下，发电机将机械功率全部转换为电磁功率所应具有的机械转速，双馈调速的实质就是通过附加功率来调节n0K。

2)理想转速的控制方法与方程

另外，可以证明（见文献1），在转子无源的条件下，n0在数值上和同步转速n1相等，即，但二者的属性完全不同，n0是力学中的机械运动，而n1则是电磁学的磁场变化速率，并不服从力学定律。

为了便于技术实施，应求得具体实现调速的方法，即要导出双馈发电机的理想转速与转子电势和附加电势的关系。根据电机学，根据式30，结合式2、23，可得异步机转子有源的理想转速

                       （33）

其中的Ce2为转子电势系数，。

可见，通过控制附加电势的大小及方向便可改变电机的理想转速。

异步电机的转速与电磁转矩的关系称为机械特性，图6定性示出了异步机发电运行的调速特性曲线。由图可见，异步机发电的特性曲线与电动曲线依转速纵轴而对称，发电曲线位于第Ⅱ象限，其电磁转矩相对于转速方向为负。

图6  异步发电机的机械特性

5.结论

根据能量守恒所决定的P理论，双馈发电基本原理在于，或，即通过附加电源向转子提供附加功率，以使转子输入的合功率大等于发电所必需的临界电磁功率。

从力学角度，异步机双馈发电必须满足电磁转矩与转速方向相反的条件，即T＜0，为此，要求转子有功电流和转子开路电势反相。这为双馈发电的电路原理提供了理论依据。

从转速角度，双馈发电的转速n必须高于所对应的理想转速n0K，即n＞n0K，并且，n0K应随n的变化而调节。转子有源的理想转速方程可表达为，改变附加电势EK的大小及方向即可改变理想转速n0K。

以上的观察角度虽然不同，但原理是完全一致的。

参考文献

1.《异步电机调速的“P理论”及其公式研究》屈维谦 刘建辉

2.《电机学》许实章 

3.《电机学》章明涛