▲關(guān)于雙饋發(fā)電的功率轉(zhuǎn)換與控制原理

1、雙饋發(fā)電的功率轉(zhuǎn)換與控制原理The power conversion and control principle of doubly-fed generator屈維謙Qu Weiqian河北省電機工程學(xué)會副理事長Vice President of Hebei Society for Electrical Engineering關(guān)鍵詞 P理論 雙饋發(fā)電 轉(zhuǎn)子有源 附加電源 附加功率 電磁功率Keywords P theory Doubly-fed generator Rotor active Additional power supply Additional power Electromagn

2、etic power摘要傳統(tǒng)電機學(xué)理論以及近來的“異步化同步發(fā)電機”（Asynchronized Synchronous Generator）均未能科學(xué)地揭示異步機雙饋發(fā)電原理，而且與工程實踐不符。為此，本文根據(jù)普適的能量守恒原理，從功率轉(zhuǎn)換角度提出詮釋雙饋發(fā)電原理的P理論，其核心觀點為：1. 按照能量轉(zhuǎn)換及其作用與反作用原理，發(fā)電機的核心標(biāo)志在于其電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反，數(shù)學(xué)上表達(dá)為負(fù)值（以轉(zhuǎn)速方向為參考正方向），即Pem0，及T0。雙饋發(fā)電的電路原理便基于此。2. 基于能量轉(zhuǎn)換守恒，發(fā)電機的輸入功率必須大于相應(yīng)的電磁功率（絕對值）。對于轉(zhuǎn)子無源的異步發(fā)電，由于輸入單純?yōu)闄C械功率P

3、M，故只有在nn1的超同步條件下，方能滿足PMPem，電機得以發(fā)電運行。3. 雙饋發(fā)電屬于轉(zhuǎn)子有源發(fā)電，其典型特點是，轉(zhuǎn)子功率為機械功率PM和附加電功率PK的合成，即。發(fā)電機的電磁功率方程為。其中，對應(yīng)于亞同步發(fā)電；對應(yīng)于超同步發(fā)電。4. 雙饋發(fā)電的關(guān)鍵問題在于附加電源外置，并由此導(dǎo)致以下缺陷：1) 亞同步發(fā)電時，定子功率中含有與轉(zhuǎn)差率成正比的無謂附加功率，致使損耗、溫升增大，發(fā)電效率降低。2) 發(fā)電電壓低（690V），導(dǎo)致電流及其損耗增大。3) 系統(tǒng)需要附設(shè)變壓器，成本增高。4) 變流器與電源間無電磁隔離，諧波電流增大，導(dǎo)致電源電壓畸變。Abstract（Asynchronized Sync

4、hronous Generator）Traditional machine learning theory and the recent "asynchronized synchronous generator", failed to reveal scientifically the asynchronous machine principle of doubly-fed generator, and do not tally with the engineering practice. For this, based on the universal principle

5、 of conservation of energy, from the perspective of power conversion interpretation principle of doubly-fed generator P theory is put forward, its core idea :1. According to the energy conversion and function and reaction principle of generator's core lies in its electromagnetic power and electr

6、omagnetic torque and rotational speed in the opposite direction, the mathematical express negative reference positive direction (in direction of rotation speed), namely Pem < 0, and T < 0. Doubly-fed generator circuit and based on this principle.2. Based on the conservation of energy conversio

7、n, the input power of the generator must be greater than the corresponding electromagnetic power (absolute value). For asynchronous generator rotor passive, because the input for the pure mechanical power PM, therefore, only under the condition of n > n1 supersynchronous, can meet the PM > Pem

8、, motor power operation. (The doubly-fed generator belongs to the rotor of active power, its typical characteristic is that the rotor of the electrical power to mechanical power PM and additional PK synthesis)即。 (For the electromagnetic power of the generator equations)。 (among)， (Corresponding to t

9、he synchronous power generation)；。(Corresponding in synchronization to generate electricity) The doubly-fed generator is the key problem of additional external power supply, and thus lead to the following defects:1) (when the synchronous power generation, the deadweight of the stator power is propor

10、tional to the slip is contained in the additional power, cause loss, increasing temperature, lower efficiency).2) (low power voltage (690 v), which resulted in increased current and its losses)3) (the system requires the attached transformer, higher costs)4) (converter and the power supply, no elect

11、romagnetic isolation between harmonic current increase, lead to the power voltage distortion)序言問題的提出由于能源的緊迫，以異步機雙饋為代表的風(fēng)力發(fā)電正在迅速發(fā)展。顯然，準(zhǔn)確把握雙饋發(fā)電的原理，對于其技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。關(guān)于雙饋發(fā)電的原理，目前較為流行的是國外提出的“異步化同步發(fā)電機”理論。該理論的核心觀點是：雙饋發(fā)電的原理可歸結(jié)為轉(zhuǎn)子的交流勵磁，與同步電機相比，二者的區(qū)別僅在于，同步電機為直流勵磁，而雙饋電機則為交流勵磁，其余原理均與同步電機相同。然而，按照電機學(xué)的基本理論，電機勵磁是

12、為了建立主磁場，而主磁場只是機電功率轉(zhuǎn)換的媒介，其磁場能量并不參與機電轉(zhuǎn)換，也不產(chǎn)生有功消耗。電機理論同時表明，電機的運行狀態(tài)（包括電動、發(fā)電、調(diào)速和制動等）取決于機電功率轉(zhuǎn)換的量值和方向，而和勵磁以及勵磁主體無關(guān)。由此可見“異步化同步發(fā)電機”的理論有悖于基本的電機原理，有待商榷。傳統(tǒng)電機學(xué)對于異步機的運行原理分析，是以轉(zhuǎn)子無源為前提條件，即轉(zhuǎn)子單純含有感應(yīng)電勢而不含附加電源，所得出的異步機運行結(jié)論l 當(dāng)s>0或n<n1時，異步機為電動狀態(tài)；l 當(dāng)s<0或n>n1時，異步機為發(fā)電狀態(tài)。l 異步機的轉(zhuǎn)速表達(dá)為并不適用于轉(zhuǎn)子有源（轉(zhuǎn)子除感應(yīng)電勢之外還含有附加電源）的雙饋發(fā)電

13、。事實上，雙饋既存在s0,nn1的亞同步發(fā)電運行，也存在s<0，nn1的超同步電動運行，顯然，這些事實與上述的結(jié)論相反，說明傳統(tǒng)電機學(xué)的理論具有局限，對于雙饋、內(nèi)饋、串級等轉(zhuǎn)子有源的異步機并不適用。雙饋發(fā)電的準(zhǔn)確原理究竟何在？本文就此提出分析和討論，其核心觀點為：雙饋發(fā)電從屬于異步機，其原理在于轉(zhuǎn)子有源條件下的機、電功率轉(zhuǎn)換與控制。1. 異步發(fā)電機的功率轉(zhuǎn)換原理P理論能量轉(zhuǎn)換與守恒是電機普遍遵守的基本原理，分析表明，電機的所有運行狀態(tài)（包括發(fā)電、電動、調(diào)速、制動等）實質(zhì)都是能量轉(zhuǎn)換的具體表現(xiàn)。功率是能量度量的物理量，能量轉(zhuǎn)換及守恒具體表現(xiàn)為功率的轉(zhuǎn)換與守恒，所謂的P理論，即是電機運行的功

14、率轉(zhuǎn)換與控制原理的簡稱。1) 異步發(fā)電的電磁功率及功率轉(zhuǎn)換原理異步機由定、轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其定子與電源相聯(lián)（簡稱定子有源），轉(zhuǎn)子則與機械系統(tǒng)相聯(lián)。異步機既可作為電動機，亦可作為發(fā)電機，二者的區(qū)別僅在于能量轉(zhuǎn)換方向相反，電機的結(jié)構(gòu)和基本原理完全一致。發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)換為電能，按照能量轉(zhuǎn)換的作用與反作用原理，發(fā)電機的普適原理集中體現(xiàn)為：l 從功率轉(zhuǎn)換角度觀察，發(fā)電機的機械功率為作用功率，方向與轉(zhuǎn)速方向相同；而電磁功率則為反作用功率，方向與轉(zhuǎn)速方向相反。l 從力學(xué)角度觀察，發(fā)電機的機械轉(zhuǎn)矩為作用轉(zhuǎn)矩，方向與轉(zhuǎn)速方向相同；電磁轉(zhuǎn)矩則為反作用轉(zhuǎn)矩，方向與轉(zhuǎn)速方向相反。l 鑒于習(xí)慣上以轉(zhuǎn)速方向為參考方向，故發(fā)

15、電機反作用的電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩均為負(fù)值，即Pem0和T0，這也是發(fā)電機原理的標(biāo)志所在。電磁功率是電機磁場中的機、電轉(zhuǎn)換功率，并集中體現(xiàn)于轉(zhuǎn)子。按照電機學(xué)，異步機電磁功率的力學(xué)表達(dá)形式為 （1）式中的T電磁轉(zhuǎn)矩，n1同步轉(zhuǎn)速，且，其中f1為電源頻率，p為電機極對數(shù)。電機發(fā)電運行時，電磁轉(zhuǎn)矩T0，而同步轉(zhuǎn)速n1與轉(zhuǎn)速n同向，故機械電磁功率亦為負(fù)值。又，異步機的電磁轉(zhuǎn)矩表為 （2）其中，CT轉(zhuǎn)矩系數(shù)，為一常數(shù)；m主磁通量；I2轉(zhuǎn)子電流；cos2轉(zhuǎn)子功率因數(shù)，即轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)子開路電勢相角的余弦。由此可見，要使異步發(fā)電機的機械電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，其相角2須大于90，換言之，轉(zhuǎn)子的有功電流必須和轉(zhuǎn)子開路電勢的方

16、向相反，而異步發(fā)電原理的實質(zhì)即源于此。另外，根據(jù)電機學(xué)，異步機電磁功率的電學(xué)表達(dá)形式為 （3）式中，E2轉(zhuǎn)子額定（折算成轉(zhuǎn)子靜止）感應(yīng)電勢（相）；I2轉(zhuǎn)子相電流；cos2轉(zhuǎn)子功率因數(shù)；m2轉(zhuǎn)子相數(shù)。可見，轉(zhuǎn)子的有功電流必須和轉(zhuǎn)子開路電勢的方向相反的發(fā)電條件，同時滿足了式（3）的電氣電磁功率為負(fù)的要求。2) 異步機轉(zhuǎn)子無源的發(fā)電原理電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)是異步發(fā)電的定性原理，為了工程的需要，還須對異步發(fā)電作量化分析，其理論依據(jù)即為電機的功率轉(zhuǎn)換平衡原理。按照轉(zhuǎn)子是否存在附加電源，異步機有轉(zhuǎn)子無源（無附加電源）和轉(zhuǎn)子有源（有附加電源）兩種運行。前者的特點是，轉(zhuǎn)子電勢單純?yōu)楦袘?yīng)電勢；后者不然，轉(zhuǎn)子既

17、有定子的感應(yīng)電勢又有附加電源的傳導(dǎo)電勢。兩種運行存在較大的差別，必須引起注意。異步機轉(zhuǎn)子無源發(fā)電的典型的代表為籠形異步發(fā)電機，其功率轉(zhuǎn)換原理可表達(dá)為圖2。圖1 轉(zhuǎn)子無源的異步發(fā)電原理轉(zhuǎn)子無源的異步發(fā)電機的典型特點是轉(zhuǎn)子的輸入功率只能是機械功率。其功率轉(zhuǎn)換流程為：原動機向轉(zhuǎn)子輸入機械功率PM，并在磁場的耦合作用下，轉(zhuǎn)子將PM轉(zhuǎn)化為電功率P2，扣除損耗功率p2，形成電磁功率Pem。然后，轉(zhuǎn)子通過電磁感應(yīng)將電磁功率傳輸至定子（故將電磁感應(yīng)等效為感應(yīng)通道），扣除損耗p1，定子將其余的發(fā)電功率P1饋入電網(wǎng)。根據(jù)上述，轉(zhuǎn)子的功率轉(zhuǎn)換方程為 （4）且P2=PM。需要說明，為了方便表達(dá)，方程中的功率均采用絕對

18、值。根據(jù)力學(xué)原理，轉(zhuǎn)子輸入的機械功率表為 （5）式中的n為電機轉(zhuǎn)速，T為電磁轉(zhuǎn)矩，電機穩(wěn)態(tài)運行時，有T=TM（機械轉(zhuǎn)矩）。對比式（1）與式（5）可見，如果發(fā)電機單純輸入機械功率，則只有在nn1的超同步條件下，方有PMPem，異步機實現(xiàn)有源發(fā)電。顯然，這將使異步發(fā)電的應(yīng)用受到極大的局限。轉(zhuǎn)子通過電磁感應(yīng)將電磁功率傳輸至定子，其表達(dá)式為 （6）式中的E1定子電勢；I1定子相電流；m1電源相數(shù)；定子功率因數(shù)。扣除定子損耗，定子的發(fā)電功率則為 （7）2. 轉(zhuǎn)子有源的雙饋發(fā)電原理對于雙饋（Double Fed）的含義，目前主要有l(wèi) 電機的定子和轉(zhuǎn)子都和電源相聯(lián)，形成雙端饋能。l 系統(tǒng)中的變流器具有雙向可

19、逆的控制功能。等多種解讀。顯然前者更為貼切。雙饋發(fā)電的原理如圖2和圖3所示，由圖可見，雙饋采用繞線轉(zhuǎn)子的異步機，其定轉(zhuǎn)子均和電源相聯(lián)，其中，定子電源稱為主電源，轉(zhuǎn)子電源則稱為附加電源，因此，雙饋在原理上屬于異步機的轉(zhuǎn)子有源運行。應(yīng)該注意，定、轉(zhuǎn)子的電源電壓應(yīng)該與對應(yīng)的繞組額定電壓相匹配，并且要兼顧變流控制的要求。如果不能直接匹配，則需要設(shè)置變壓器。雙饋發(fā)電的目的是克服轉(zhuǎn)子無源發(fā)電的局限性，以實現(xiàn)nn1和nn1的全范圍發(fā)電。圖2 雙饋轉(zhuǎn)子有源的發(fā)電原理圖3 雙饋發(fā)電系統(tǒng)的電氣原理1) 亞同步發(fā)電的功率轉(zhuǎn)換原理前已敘及，雙饋亞同步發(fā)電時，須使轉(zhuǎn)子有功電流與轉(zhuǎn)子電勢反相，為此，必須引入附加電勢EK，

20、其等效電路如圖4所示。圖4 亞同步發(fā)電的轉(zhuǎn)子等效電路另外從功率角度觀察，由于轉(zhuǎn)子無源的異步發(fā)電機只能輸入機械功率，因此只有在超同步時，方有PMPem實現(xiàn)發(fā)電，而在nn1的亞同步時，由于PMPem，電機則不能發(fā)電，只能作電動運行。為了實現(xiàn)亞同步發(fā)電，異步機須采用轉(zhuǎn)子有源控制，即轉(zhuǎn)子除了輸入機械功率PM之外，還要輸入一定的附加電功率PK（以下簡稱附加功率），以彌補機械功率的不足。此時，轉(zhuǎn)子的輸入功率為 （8）須要指出，由于機、電功率在磁場中可以相互轉(zhuǎn)換，故PM與PK可以疊加?？刂芇K的大小，使P2略大于所對應(yīng)的電磁功率，則P2將轉(zhuǎn)化為發(fā)電的電磁功率，其功率平衡方程為 （9）式中的p2為轉(zhuǎn)子電損耗。

21、于是，異步機實現(xiàn)亞同步發(fā)電。轉(zhuǎn)子通過電磁感應(yīng)將等量的電磁功率傳輸至定子，定子扣除其損耗p1，將其余的功率饋入電網(wǎng)，定子的發(fā)電功率為 （10）特別要注意，定子發(fā)電功率中的PK原本就是電功率，而非機械功率PM所轉(zhuǎn)換，所以不應(yīng)計入有效的發(fā)電功率之內(nèi)。亞同步的有效發(fā)電功率則為 （11）其發(fā)電效率表達(dá)為 （12）2) 超同步發(fā)電的功率原理當(dāng)異步機的轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速時，由于轉(zhuǎn)差率s0，實際的轉(zhuǎn)差電勢E2s與轉(zhuǎn)子靜止的感應(yīng)電勢E2反相，故其等效電路如圖5所示，其中要點是轉(zhuǎn)子電流與轉(zhuǎn)差電勢方向相同，而與靜止的感應(yīng)電勢方向相反。圖5 超同步發(fā)電的轉(zhuǎn)子等效電路從功率角度觀察，由于nn1，以及T=TM，故有PMPe

22、m。此時，似乎無須附加功率控制異步機即可實現(xiàn)發(fā)電，但是事情并非如此。當(dāng)PM過大于Pem時，由于電機的磁場能量不能存儲，PM和Pem的差值功率將轉(zhuǎn)換為損耗，導(dǎo)致電機損耗嚴(yán)重增大，無法維持正常的運行。因此，超同步發(fā)電仍需要附加功率的控制。另外，亞同步發(fā)電也同樣存在這一問題，為此，要控制附加功率PK，以使PM+PK與Pem處于正常的發(fā)電平衡，避免發(fā)生上述的問題。雙饋超同步發(fā)電時，轉(zhuǎn)子的機械功率轉(zhuǎn)換為發(fā)電功率，然后，將部分功率PK通過變流器饋入附加電源，形成分流發(fā)電，此時的轉(zhuǎn)子輸入功率為 （13）電磁功率則為 （14）轉(zhuǎn)子通過電磁感應(yīng)將等量的電磁功率傳輸至定子，扣除定子損耗，定子發(fā)給電網(wǎng)的功率則為 （

23、15）可見雙饋超同步發(fā)電時，發(fā)電的總功率為 （16）可見，超同步發(fā)電不存在附加功率的無謂循環(huán)問題，其發(fā)電效率則為 （17）3) 小結(jié)綜合上述，亞同步和超同步雙饋發(fā)電的功率轉(zhuǎn)換原理和流程分別為：l 亞同步發(fā)電原動機PM （）（） + 轉(zhuǎn)子 定子附加電源PK l 超同步發(fā)電原動機PM （）（） - 轉(zhuǎn)子 定子附加電源PK l 雙饋發(fā)電的電磁功率方程可綜合表達(dá)為 （18）l 定子的發(fā)電功率方程表達(dá)為 （19）其中，PM+PK對應(yīng)于亞同步；PM-PK對應(yīng)于超同步。3. 雙饋系統(tǒng)的變流控制基本功能雙饋發(fā)電的變流控制器介于轉(zhuǎn)子和附加電源之間，電路如圖6所示，圖6 變流器與轉(zhuǎn)子及附加電源的聯(lián)接變流器的作用是

24、服務(wù)并控制轉(zhuǎn)子與附加電源之間的功率交換，其主要功能為：1) 控制附加功率的大小及方向。由于雙饋發(fā)電的轉(zhuǎn)速和機械功率變化，所以要使輸入功率大于發(fā)電所需的電磁功率，必須要根據(jù)轉(zhuǎn)速和機械功率變化，調(diào)節(jié)控制附加功率的大小及方向，以滿足方程式（12）和（15）的要求，使雙饋完成一定范圍內(nèi)的亞同步和超同步發(fā)電。2) 通過頻率變換，使轉(zhuǎn)子與附加電源間接同頻。鑒于只有在頻率相同的條件下，交流電源之間方能進(jìn)行有功功率交換。而轉(zhuǎn)子感應(yīng)電源的頻率，隨轉(zhuǎn)速而變化，顯然無法與附加電源同頻，二者不能直接進(jìn)行有功交換。3) 改善功率因數(shù)，實現(xiàn)感性無功發(fā)電。雙饋發(fā)電在向電網(wǎng)提供有功功率的同時，還要提供感性無功功率，以滿足負(fù)載

25、的需求。為此，變流器須通過轉(zhuǎn)子電流相位超前的控制，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子勵磁?？刂妻D(zhuǎn)子勵磁的無功功率大小，可使定子的無功功率呈容性，即向電網(wǎng)提供感性無功功率。限于主題和篇幅不加詳述。4. 雙饋發(fā)電的主要缺點雙饋發(fā)電系統(tǒng)的缺點是由轉(zhuǎn)子的附加電源外置所導(dǎo)致的，主要有：1) 亞同步發(fā)電的定子附加功率及效率問題前已敘及，雙饋在亞同步發(fā)電時，定子功率P1中含有附加功率PK，由于PK本身就是電功率，因此PK發(fā)電是沒有意義的。問題是PK在定子電源間往復(fù)循環(huán)，不可避免地在定子上產(chǎn)生相應(yīng)的損耗并造成發(fā)熱，既減小亞同步發(fā)電的效率，又降低電機運行的可靠性。分析可知，PK與機械功率PM近似互補，即有，其中電磁功率Pem正比于電磁轉(zhuǎn)

26、矩T，當(dāng)T確定之后，Pem即為定值。于是，當(dāng)電機轉(zhuǎn)速n和機械功率PM降低時、附加功率PK相應(yīng)增大，由此引起的無謂損耗和定子發(fā)熱問題愈加突出。2) 系統(tǒng)的電源電壓與變壓器問題系統(tǒng)的電源電壓選擇應(yīng)該基于以下原則：l 減小發(fā)電和輸電損耗，提高效率；l 減小經(jīng)濟(jì)投資，降低成本；l 運行安全。綜合以上原則，對于容量為1.5MW以上的雙饋發(fā)電機，合理的發(fā)電電壓宜選擇610KV。然而，目前的雙饋發(fā)電，為了將主電源與附加電源合二而一，并考慮到與轉(zhuǎn)子額定電壓匹配，以及變流器的耐壓能力，其機端電源電壓選擇為690V。為了避免大電流產(chǎn)生的損耗，每臺發(fā)電機都要附設(shè)一臺升壓變壓器，將電壓升至1035KV輸電。顯然，690V的低壓雙饋發(fā)電l 需要附加變壓器，使系統(tǒng)成本增大；l 定子電流增大，導(dǎo)致定子繞組的損耗和發(fā)熱加劇，影響發(fā)電機的效率；l 由于大電流產(chǎn)生的電動力，易使定子繞組損壞，發(fā)電機的可靠性降低。3) 諧波問題半導(dǎo)體變流器的網(wǎng)端與附加電源直接相聯(lián)，無電磁隔離，致使網(wǎng)端電流畸變較大，且諧波電流直接饋入電源，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變。5. 結(jié)論1) 根據(jù)能量轉(zhuǎn)換的作用與反作用原理，發(fā)電機的普適原理在于其電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩均為負(fù)值，即Pem0，及T0，