双馈水轮发电机工作机理分析

微机调速器

转子侧变流器网侧变流器

变压器

电力系统

光电编码器

驱动电路驱动电路

控制器

转速信号调理

导叶开度

定子电压

定子电流

图1双馈水轮发电机系统结构

文章编号：1005—7277（2009）05—0014—03

2009年第31卷第5期第14页电气传动自动化

ELECTRIC DRIVE AUTOMATION Vol．31，No．52009，31（5）：14～16

1引言

电能是人民生活和工业生产的主要能源，水

轮发电机是将水能转换为电能的设备，是水电站的核心单元，常规水轮发电机通常采用传统的同步发电机，只能在额定转速下运行，发电机转速固定不变，当水头变化时，单位转速也随之变化，机组运行工况恶化。而双馈水轮发电机系统是一种新型的水力发电系统，能满足在水头变化时，相应地调节发电机转速，同时兼顾出力要求并发出恒

频电能，实现发电机负荷优化调节［1-2］。

由于双馈发电机具有传统发电机无可比拟的优越性和广阔的应用前景，其理论研究和实践设计已成为国内外研究和关注的焦点。

2双馈水轮发电机组系统组成

双馈水轮发电机系统主要由水轮机、、双馈发电机、

变压器、双向变换器和控制器组成，其系统结构如图1所示。双馈发电机的定子绕组接工频电网，转子绕组用频率、相位、幅值可调的三相电源激励，其转速可以随水头的变化做相应的调整，使水轮机始终运行在单位转速附近，提高了水轮机的效率，减小了水轮机因气蚀等现象而造成的损害，同时通过控制馈入转子绕组的电流参数［3］，不仅可以保持定子输出的电压、频率不变，还可以

调节电网的功率因数，吸收电网过剩的无功功率，提高系统的稳定性。

3双馈水轮发电机运行原理

3．1转速关系

双馈发电机在稳定运行时，定子旋转磁场与转子旋转磁场相对静止，同步旋转，对双馈发电机有：

双馈水轮发电机工作机理分析*

吴蓉

（兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃兰州730070）

摘要：介绍了一种新型的双馈水轮发电机的系统构架。重点阐述了双馈水轮发电机的基本运行原理和工作特点。为双馈水轮发电机的系统研究和实践设计奠定了理论基础。关键词：双馈水轮发电机；转速；励磁；感应中图分类号：TM301.2

文献标示码：A

Analysis of working mechanism on doubly-fed hydro-generator

WU Rong

（School of Electronics and Information Engineering ，Lanzhou Jiaotong University ，Lanzhou 730070，China ）Abstract ：A novel frame systems on double-fed hydro-generator is introduced.Its basic operating principle and working features are expatiated emphatically.The theoretical principle for double-fed hydro-generator to be resear-ched systematically and devised practically is established.

Key words ：double-fed hydro-generator;rotational speed;excitation;induction

*甘肃省自然科学基金项目2008GS02629

f 1=

np

60

±f 2（1）

式中：f 1为定子绕组电流频率

（Hz ）；f 2为转子绕组电流频率（Hz ）；n 为转子旋转的转速；p 为电机的极对数。

由式（1）可知，当转速n 发生变化时，若调节f 2

相应变化，可使f 1保持恒定不变，即与电网频率保持一致，实现双馈水轮发电机的变速恒频控制。当n ＜n 1（发电机的同步转速）时，水轮发电机处于亚同步速运行，式（1）取“+”号；当n ＞n 1时，水轮发电机处于超同步速运行，式（1）取“-”号；当n=n 1时，f 2=0，变流器向转子提供直流励磁，此时，发电机作为同步电机运行［4］。3．2等效电路

当水轮机拖动电机转子以转速n 旋转，向转

子绕组通以转差频率f 2=sf 1的三相对称电源时，转

子电流产生的基波旋转磁势F

軋2相对于转子以转差速度n 2=sn 1旋转，

相对于定子以同步速旋转，该磁势与定子三相的电流产生的定子基波磁势F 軋1相对静止在气隙中形成合成磁势F

軋m =F 軋1+F 軋2。根据电磁感应原理，该合成磁势F 軋m 在气隙中产生合成磁场Φ軖m ，合成磁场将在定转子绕组中感应电势E 軑1、E 軑2，与感应电机相似，当定子方电压电流正方向取发

电机惯例，转子方电压电流按电动机惯例，电磁转矩与转向相反为正，转差率s 按转子速度小于同步速度为正，忽略定子铁耗，并将转子侧各物理量折算到定子侧时，可得双馈发电机的等效电路如图2所示。

根据图2，得双馈水轮发电机的基本方程式为：

U 觶1=-E 觶1-I 觶1R s +jX s 軑軑（2）

U 觶2＇s =-E 觶2＇+I 觶2＇R 觶r ＇s

+jX r 軑軑

＇

（3）

E 觶1=E 觶2＇=-I 觶m （jX m

）（4）

I 觶1=I 觶2＇-I 觶m

（5）式中：R s 、

X s 分别为定子侧的电阻和漏抗；R r ＇、X r ＇分别为转子侧折算到定子侧的电阻与漏抗；X m 为激磁电抗；U 觶1、E 觶1、I 觶1分别为定子侧的电压、感应电动势和电流。3．3相量图分析

根据式（2）-（5）可得双馈发电机的相量图，如图3所示。

Φ觶m

为双馈发电机的气隙磁通，θ为转子励磁

电压相量U 觶

2＇s

超前于定子电压相量的相角，Ψ1为

定子的功率因数角。对于传统的感应电机I 觶2＇的大小在定子电压一定时，仅取决于运行时的转差率s

和转子参数，也即当s 一定时对感应电机而言，

I 觶2＇的大小也就确定，从而定子电流I 觶1的大小和相位以及定子有功、无功功率也就确定［5］，对于双馈发电

机，I 觶2＇的大小不仅取决于s ，而且它将随着转子励磁电压相量U 觶

2＇s

的变化而变化。

4双馈水轮发电机组工作特点

（1）双馈异步发电系统可实现在宽流量范围内

的变速恒频发电；

（2

）改善水轮机效率和传输链的工作状况，发电机损耗小，运行效率高，是当前水力发电发展的趋势；

（3）

通过调节励磁电压的幅值、频率、相位和相序，可以控制发电机励磁磁场的大小及其相对转子的位置和电机转速，调节有功与无功功

-觶觶m

图3双馈水轮发电机相量图

R s I 觶1I 觶2＇R r ＇/s I 觶m

X m

-E

觶1=-E 觶2＇U

觶2＇/s X r ＇

U

觶1X s

图2双馈发电机等效电路

2009年第5期·15·

吴蓉双馈水轮发电机工作机理分析

率；

（4）通过对双馈发电机励磁和水轮机调节系统的联合控制，可使系统在水头、流量变化时运行于最优单位转速附近，提高水力效率，实现发电机负荷的优化调节［6］。

5结束语

双馈水轮发电机及其励磁系统的研究已成为国内外学者研究的热点。本文研究了双馈水轮发电机系统构架和工作特点，着重分析了双馈水轮发电机运行过程中的转速关系、等效电路、矢量相量关系，双馈水轮发电机的研制属于目前国际前沿项目，国内对双馈水轮发电机的研究尚处于地面模拟实验阶段，但其卓越的工作性能已成为电力行业的共识。因此，对双馈水轮发电机工作机理的研究显得犹为必要和紧迫。

参考文献：［1］陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京:机械工业出版社,2006，95-120.

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［6］黄守道.双馈电机的工业应用展望［J］.湖南大学学报（自然科学版）,1999,26（4）:67-70.

作者简介：

吴蓉（1968-），女，甘肃兰州人，副教授，硕士研究生，研究方向为电子科学与技术、智能仪器仪表。

收稿日期：2009-01-12

（上接第13页）

相电流含有较小的谐波分量，更趋于正弦波形，仿真结果证明，模糊控制的引入是改善系统响应的一种有效途径。如图5、6所示分别为直接转矩转速响应曲线和定子磁链轨迹。

4结论

在传统的异步电动机直接转矩控制中，低速运行时定子电流的谐波成分较大。这使电机在低速时存在较大的转矩脉动问题。针对这个问题，本文首先在传统直接转矩控制的基础上，设计了基于模糊逻辑的直接转矩控制系统。用模糊控制器替代了传统直接转矩控制系统中的滞环比较器。该模型把磁链相位角、磁链误差和转矩误差作为模糊变量，并对其进行合理的模糊分级，优化电压空间矢量的选择，实验结果表明该方法不仅能够提高转矩响应速度，而且能够有效地解决转矩脉动问题,具有较好的动静态性能，为了验证模糊控制策略的正确性，本文在Matlab/Simulink环境下建立了基于模糊逻辑的DTC系统仿真模型，对DTC系统进行了仿真研究，并对其仿真结果做出分析，验证了理论的正确性。

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作者简介：

韩竺秦男，汉族，硕士研究生，研究方向为交流传动及风力发电变流器。

收稿日期：2009-02-27

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