简述双馈异步发电机的基本工作原理及其功率流向要点

题目：简述双馈异步发电机的基本工作原理及其功率流向

一、双馈异步发电机及其工作原理

1、双馈异步发电机

双馈异步风力发电机是一种绕线式感应发电机，是变频风力发电机组的核心部分，也是风力发电机组国产化的关键部件之一。该发电机主要有电机本体和冷却系统两大部分组成。电机本体有定子、转子和轴承系统组成，冷却系统分为水冷、空空冷和空水冷三种结构。

双馈异步发电机的定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频发电，满足用电负载和并网的要求。由于采用了交流励磁，发电机和电力系统构成“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和发电机的转速来调节励磁电流，精确的调节发电机输出电压，使其能满足要求。

2、双馈异步发电机的工作原理

根据电机学理论，在转子三相对称绕组中通入三相对称的交流电，将在电机气隙间产生磁场，此旋转此磁场的转速与所通入的交流电的频率及电机的极对数p有关。

（1-1）

式（1-1）中，为转子中通入频率为的三相对称交流励磁电流后所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度（r/min）。

从式（1-1）中可知，改变频率,即可改变。因此若设为对应于电网频率50Hz（）时发电机的同步转速，而为发电机转子本身的旋转速度，只要转子旋转磁场的转速与转子本身的机械速度相加等于定子磁场的同步旋转速度,即

（1-2）

则定子绕组感应出的电动势的频率将始终维持为电网频率不变。式（1-2）中，当与旋转方向相同时，取正值，当与旋转方向相反时，取负值。

由于

（1-3）

将式（1-1），式（1-3）代入式（1-2）中，式（1-2）可另写为

（1-4）

式（1-4）表明不论发电机的转子速度随风力机如何变化，只要通过转子的励磁电流的频率满足式（1-4），则双馈异步电动机就能够发出与电网一致的恒定频率的50Hz交流电。

由于发电机运行时，经常用转差率描述发电机的转速，根据转差率

，将式（1-4）中的转速用转差率替换，则式（1-4）可变为

（1-5）

需要说明，当<1时，为负值，可通过转子绕组的相序与定子绕组懂的相序相反实现。

通过式（1-5）可知，在双馈异步发电机转子以变化的转速运行时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定。只要在转子的三相对称绕组中通入转差率

（）的电流，双馈异步发电机可实现变速恒频运行的目的。

2、双馈异步发电机的功率流向

根据双馈异步发电机转子转速的变化，双馈异步发电机可以有以下三种运行状态：

（1）亚同步状态当发电机的转速小于同步转速时，由转差率为的电流产出的旋转磁场转速与转子方向相同，此时励磁变流器向发电机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给电网。

（2）超同步状态当发电机的转速大于同步转速时，由转差率为的电流产生的旋转磁场转速与转子转动方向相反，此时发电机同时由定子和转子发出电能电网，励磁变流器的能量流向逆向。

（3）同步运行状态当发电机的转速等于同步转速时，处于同步状态。此时状态下转差率，这表明此时通入转子绕组的电流的频率为0，即励磁变换器向转子提供直流励磁，以此与普通同步发电机一样。

在不计铁耗和机械损耗的情况下，转子励磁双馈发电机的能量流动关系可以写为

式中，为转子轴上输入的机械功率；为转子励磁变流器输入的电功率；

为定子输出的电功率；为定子绕组铜耗；为转子绕组铜耗；为转差率。

当发电机的铜耗很小，上诉公式可近似理解为

转子上所带的变流器是双馈异步发电机的重要部件。根据上式可知，双馈异步发电机构成的变速恒频风力发电系统，其变流器的容量取决于发电机变速运行时最大转差率。一般双馈电机的最大转差率为，因此变频器的最大容量仅为发电机额定容量的1/3~1/4，能较多地降低系统成本。