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(lì)磁變速恒頻雙饋型異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)功率關(guān)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(xué)技術(shù)與數(shù)控技術(shù)的迅猛發(fā)展，雙饋型異步發(fā)電機(jī)（Doubly-Fed Induction Gen?erator,DFIG）在交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢(shì)和巨大的潛力，目前在國(guó)內(nèi)外備受關(guān)注。雙饋型異步發(fā)電機(jī)通過控制轉(zhuǎn)子的電壓、電流，從而實(shí)現(xiàn)定子有功功率、無功功率的控制。根據(jù)DFIG等效電路，揭露了雙饋型異步發(fā)電機(jī)（DFIG）定子、轉(zhuǎn)子有功功率、無功功率與電壓，電流之間存在的內(nèi)在聯(lián)系，從而分析交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋型異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)功率關(guān)系。

雙饋型異步發(fā)電機(jī)交流勵(lì)磁變速恒頻穩(wěn)態(tài)功率關(guān)系

在傳統(tǒng)的直流勵(lì)磁恒速恒頻發(fā)電方式中，對(duì)原發(fā)動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能要求極高，這在技術(shù)上存在著一定的難度，所以很難使發(fā)電機(jī)運(yùn)行于最佳狀態(tài)，降低發(fā)電效率。而變速恒頻作為新一代發(fā)電方式，改變了恒速才能恒頻的傳統(tǒng)發(fā)電方式，能更好的開發(fā)潮汐、風(fēng)能、太陽能等綠色能源[1]。

雙饋式異步發(fā)電機(jī)在變速恒頻發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，發(fā)電機(jī)雙饋電力系統(tǒng)的界面包含定子側(cè)（Line side）與轉(zhuǎn)子側(cè)（Rotor side）[2]，具有定子、轉(zhuǎn)子雙套繞組，可從雙側(cè)反饋能量。雙饋式異步發(fā)電機(jī)同時(shí)兼具同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)：

⑴控制靈敏度高，靈活，具有很強(qiáng)的無功調(diào)節(jié)能力；

⑵雙饋式異步發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且牢固，適用于高圓周速度發(fā)電機(jī)；

⑶由于發(fā)電機(jī)自身無集電環(huán)和碳刷，可靠性高，不受使用場(chǎng)所限制；

⑷無需水輪調(diào)速器，負(fù)荷控制簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便；

⑸異步發(fā)電機(jī)在發(fā)電過程中可能會(huì)出現(xiàn)功率搖擺的現(xiàn)象，但并不存在類似同步發(fā)電機(jī)的振蕩、失步問題。

1 雙饋型異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

通常情況下，風(fēng)速難以控制，變化無常，使得風(fēng)力的利用存在一定的困難。所以為了充分利用風(fēng)能資源，必須改善風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的效率。而雙饋型異步發(fā)電機(jī)作為一種在風(fēng)力發(fā)電中運(yùn)用廣泛的發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)展與應(yīng)用對(duì)風(fēng)力發(fā)電具有重要意義。

雙饋型異步發(fā)電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電中，可以有效解決傳統(tǒng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)、機(jī)組效率低，操作冗雜等問題。除此之外，雙饋型異步發(fā)電機(jī)對(duì)無功功率、有功功率可調(diào)，從而對(duì)電網(wǎng)起到了穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的作用，提高了發(fā)電質(zhì)量。雙饋型異步發(fā)電機(jī)應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電的設(shè)想，在理論和實(shí)際技術(shù)上都是可行的。從經(jīng)濟(jì)性和可靠性來講，具有無可替代的優(yōu)勢(shì)，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，有利于風(fēng)電機(jī)組國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程，其發(fā)展前景十分廣闊。

2 雙饋型異步發(fā)電機(jī)工作原理與等效電路

雙饋型異步發(fā)電機(jī)類似于繞線式感應(yīng)發(fā)電機(jī)，定子繞組是由具有固定頻率的對(duì)稱三相電源激勵(lì)，區(qū)別主要在于轉(zhuǎn)子繞組，其具有可調(diào)節(jié)頻率的三相電源激勵(lì)。雙饋型異步發(fā)電機(jī)可調(diào)變量一個(gè)是改變勵(lì)磁電流的頻率，另一個(gè)是改變勵(lì)磁電流的相位。所以，當(dāng)定子通以某一頻率f1的交流電時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相對(duì)定子旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ω1的磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子通過f2的三相對(duì)稱電流時(shí)，產(chǎn)生相對(duì)于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω2的磁場(chǎng)。由于電磁能量轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性原理，所以實(shí)際的轉(zhuǎn)子角速度ω為定子與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的差值，即：

轉(zhuǎn)差頻率[1]s作為發(fā)電機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，表示著發(fā)電機(jī)的運(yùn)行區(qū)域，其取值決定了DFIG穩(wěn)態(tài)功率的關(guān)系。DFIG的等效電路圖如下：（見圖1）

等效電路圖中，明確了各個(gè)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(zhuǎn)子輸入有功功率，無功功率。U1，U2為定子、轉(zhuǎn)子的電壓，E1位磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，I1，I2，Im為定子、轉(zhuǎn)子電流和勵(lì)磁電流，r1，r2位定子、轉(zhuǎn)子電阻，X1，X2，Xm為定子、轉(zhuǎn)子漏抗和互抗。結(jié)合等效電路可以很容易的得出以下方程式：

從能量流動(dòng)的特性來看，雙饋式異步發(fā)電機(jī)除了可以調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流、電壓外，還可以對(duì)勵(lì)磁電流、電壓的頻率和相位進(jìn)行調(diào)節(jié)。改變勵(lì)磁電流、電壓的頻率可以改變異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速；改變勵(lì)磁電流、電壓的相位，實(shí)現(xiàn)改變發(fā)電機(jī)功率角的改變，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有效功率。

圖1 雙饋型異步發(fā)電機(jī)等效電路圖

3 雙饋型異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)功率關(guān)系

為了更好的進(jìn)行設(shè)計(jì)應(yīng)用，需要對(duì)雙饋型異步發(fā)電機(jī)的電流，電壓，中間變量，定子、轉(zhuǎn)子有功功率和無功功率的聯(lián)系進(jìn)行分析。假如，設(shè)U1<00為基準(zhǔn)相量，I1=Ir+Ii，Ir，Ii分別為定子電流的有、無功率分量。假設(shè)雙饋型異步發(fā)電機(jī)定子三相對(duì)稱勵(lì)磁繞組，那么：

同理，轉(zhuǎn)子的三相對(duì)稱勵(lì)磁繞組為：

由以上公式可得出：

結(jié)合公式（3）計(jì)算出雙饋型異步發(fā)電機(jī)（DFIG）定子、轉(zhuǎn)子的有功功率、無功功率的關(guān)系式：

結(jié)合公式（7）可以看出，由于雙饋型異步發(fā)電機(jī)的定子，轉(zhuǎn)子頻率存在著一定的差異，轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)能力很強(qiáng)的原理。

4 結(jié)語

本文從雙饋型異步發(fā)電機(jī)的工作原理，等效電路出發(fā)，對(duì)DFIG在交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電領(lǐng)域中的應(yīng)用，控制特性和運(yùn)行進(jìn)行說明。分析了雙饋型異步發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子有功、無功功率的特定關(guān)系。雙饋型異步發(fā)電機(jī)的研究，突破了傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)必須嚴(yán)格同步運(yùn)行的觀念，使原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不在受限于發(fā)電機(jī)輸出頻率。此項(xiàng)研究成為了交流勵(lì)磁變速恒頻發(fā)電領(lǐng)域中的一個(gè)新篇章。

[1]劉其輝，賀益康，張建華.交流勵(lì)磁變速恒頻雙饋型異步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)功率關(guān)系[J].華北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院.北京.102206.

[2]劉大明.雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)（DFIG）簡(jiǎn)介[J].機(jī)械工程出版社.