交流勵磁變速恒頻雙饋型異步發電機的穩態功率關系

崔鳳明（華能新能源股份有限公司山西分公司，山西太原030006）

交流勵磁變速恒頻雙饋型異步發電機的穩態功率關系

崔鳳明（華能新能源股份有限公司山西分公司，山西太原030006）

早在四十年代初期，伴隨著電子科學技術與數控技術的迅猛發展，雙饋型異步發電機（Doubly-Fed Induction Gen?erator,DFIG）在交流勵磁變速恒頻發電應用中具有顯著優勢和巨大的潛力，目前在國內外備受關注。雙饋型異步發電機通過控制轉子的電壓、電流，從而實現定子有功功率、無功功率的控制。根據DFIG等效電路，揭露了雙饋型異步發電機（DFIG）定子、轉子有功功率、無功功率與電壓，電流之間存在的內在聯系，從而分析交流勵磁變速恒頻雙饋型異步發電機的穩態功率關系。

雙饋型異步發電機交流勵磁變速恒頻穩態功率關系

在傳統的直流勵磁恒速恒頻發電方式中，對原發動機的調速性能要求極高，這在技術上存在著一定的難度，所以很難使發電機運行于最佳狀態，降低發電效率。而變速恒頻作為新一代發電方式，改變了恒速才能恒頻的傳統發電方式，能更好的開發潮汐、風能、太陽能等綠色能源[1]。

雙饋式異步發電機在變速恒頻發電領域得到了廣泛的運用，發電機雙饋電力系統的界面包含定子側（Line side）與轉子側（Rotor side）[2]，具有定子、轉子雙套繞組，可從雙側反饋能量。雙饋式異步發電機同時兼具同步發電機和異步發電機的特點：

⑴控制靈敏度高，靈活，具有很強的無功調節能力；

⑵雙饋式異步發電機結構簡單且牢固，適用于高圓周速度發電機；

⑶由于發電機自身無集電環和碳刷，可靠性高，不受使用場所限制；

⑷無需水輪調速器，負荷控制簡單，操作簡便；

⑸異步發電機在發電過程中可能會出現功率搖擺的現象，但并不存在類似同步發電機的振蕩、失步問題。

1 雙饋型異步發電機的應用

通常情況下，風速難以控制，變化無常，使得風力的利用存在一定的困難。所以為了充分利用風能資源，必須改善風力發電技術，提高風力發電機組的效率。而雙饋型異步發電機作為一種在風力發電中運用廣泛的發電系統，其發展與應用對風力發電具有重要意義。

雙饋型異步發電機應用于風力發電中，可以有效解決傳統風力機轉速不可調節、機組效率低，操作冗雜等問題。除此之外，雙饋型異步發電機對無功功率、有功功率可調，從而對電網起到了穩壓、穩頻的作用，提高了發電質量。雙饋型異步發電機應用于風力發電的設想，在理論和實際技術上都是可行的。從經濟性和可靠性來講，具有無可替代的優勢，具有很強的市場競爭力，有利于風電機組國產化的進程，其發展前景十分廣闊。

2 雙饋型異步發電機工作原理與等效電路

雙饋型異步發電機類似于繞線式感應發電機，定子繞組是由具有固定頻率的對稱三相電源激勵，區別主要在于轉子繞組，其具有可調節頻率的三相電源激勵。雙饋型異步發電機可調變量一個是改變勵磁電流的頻率，另一個是改變勵磁電流的相位。所以，當定子通以某一頻率f1的交流電時，就會產生一個相對定子旋轉轉速ω1的磁場。轉子通過f2的三相對稱電流時，產生相對于轉子轉速ω2的磁場。由于電磁能量轉換的穩定性原理，所以實際的轉子角速度ω為定子與轉子轉速的差值，即：

轉差頻率[1]s作為發電機的一個重要參數指標，表示著發電機的運行區域，其取值決定了DFIG穩態功率的關系。DFIG的等效電路圖如下：（見圖1）

等效電路圖中，明確了各個變量的正方向，P1，Q1，P2，Q2分別為定子輸出有功功率，無功功率，轉子輸入有功功率，無功功率。U1，U2為定子、轉子的電壓，E1位磁場感應電動勢，I1，I2，Im為定子、轉子電流和勵磁電流，r1，r2位定子、轉子電阻，X1，X2，Xm為定子、轉子漏抗和互抗。結合等效電路可以很容易的得出以下方程式：

從能量流動的特性來看，雙饋式異步發電機除了可以調節勵磁電流、電壓外，還可以對勵磁電流、電壓的頻率和相位進行調節。改變勵磁電流、電壓的頻率可以改變異步發電機的轉速，從而實現調速；改變勵磁電流、電壓的相位，實現改變發電機功率角的改變，調節發電機的有效功率。

圖1 雙饋型異步發電機等效電路圖

3 雙饋型異步發電機的穩態功率關系

為了更好的進行設計應用，需要對雙饋型異步發電機的電流，電壓，中間變量，定子、轉子有功功率和無功功率的聯系進行分析。假如，設U1<00為基準相量，I1=Ir+Ii，Ir，Ii分別為定子電流的有、無功率分量。假設雙饋型異步發電機定子三相對稱勵磁繞組，那么：

同理，轉子的三相對稱勵磁繞組為：

由以上公式可得出：

結合公式（3）計算出雙饋型異步發電機（DFIG）定子、轉子的有功功率、無功功率的關系式：

結合公式（7）可以看出，由于雙饋型異步發電機的定子，轉子頻率存在著一定的差異，轉子輸入較小的無功功率等效于定子輸入較大的無功功率，這就是為什么雙饋型異步發電機無功功率調節能力很強的原理。

4 結語

本文從雙饋型異步發電機的工作原理，等效電路出發，對DFIG在交流勵磁變速恒頻發電領域中的應用，控制特性和運行進行說明。分析了雙饋型異步發電機定子、轉子有功、無功功率的特定關系。雙饋型異步發電機的研究，突破了傳統機電系統必須嚴格同步運行的觀念，使原動機轉速不在受限于發電機輸出頻率。此項研究成為了交流勵磁變速恒頻發電領域中的一個新篇章。

[1]劉其輝，賀益康，張建華.交流勵磁變速恒頻雙饋型異步發電機的穩態功率關系[J].華北電力大學電氣工程學院.北京.102206.

[2]劉大明.雙饋式感應發電機（DFIG）簡介[J].機械工程出版社.