内馈发电的原理与特点.docVIP

一种新型风力发电技术 內馈发电的原理与特点 作者 屈维谦 （未经作者许可，请勿转载、引用） 绪言 异步电机双馈控制（简称双馈）是于上世纪中期发展起来的交流调速技术，当时主要用于异步电动机，直到上世纪末期，由于风力发电事业的发展，双馈调速才广泛用于异步发电机，现已经成为风力异步发电的主导。 双馈异步发电具有效率、功率因数高，调速范围宽，适应转速变化大等优点，但是，实践表明，双馈发电（包括电动）也存在一些不足和缺陷，其中主要有 附加电源外置，且和转子须电压相适配。如以定子主电源为附加电源，主电源须采用较低电压（例如目前普遍采用的690V），以兼顾转子和半导体变流控制装置的需要。低压发电电流增大，双馈发电机和输电线路的损耗按电流的平方率增高，导致发电效率降低；如主电源采用6—10KV高压，则要外附变压器，通过降压以产生所需的附加电源。由此导致系统体积庞大，成本增高，且安装不便。 在绝大多数的亚同步发电工况下，异步发电机的定子发电功率中含有附加电源供给的控制功率，该功率以电能形式在附加电源——双馈系统——主电源间无谓循环，造成损耗和发热。 异步发电机的滑环、电刷磨损率较高，可靠性较差，使得发电机的运行可靠性降低，维护量大，运行成本高，尤其对于风力发电的特殊环境，这一问题显得尤为突出。 以上的问题，技术上缘于异步发电机主体，由于双馈电机实际就是普通的绕线异步电机，在其设计时，并未虑及双馈发电（或电动）的附加电势需求，因此，附加电源只能由外部提供，并由此产生了上述的前两个问题。而深层次的问题缘于电机理论，究竟双馈发电的原理何在？目前众说纷纭，如传统的转差率说，转子变频说以及异步化同步电机说等，凡此种种，各抒己见，迄今尚未达成一致。由此可见，双馈风力发电在理论和技术方面尚且任重而道远。 显然，深入研究双馈发电的理论和技术不仅具有重要的学术价值，而且对于风力发电产业的发展具有重大的意义。为此，本文在近二十多年的“内馈电动机调速”实践和理论研究基础之上，提出一种新的“内馈风力发电”技术以及相关的理论，希望引起有关学术、技术和产业的关注和讨论，以推动我国的风力发电事业发展。 內馈发电的基本原理 內馈和双馈的发电（以及电动）运行原理同属于异步电机的附加电势控制，两者的基本原理是一致的。关于附加电势控制的发电原理，文献1、2已有较为详尽的论述，为了方便阅读，将其主要结论简述如下。 异步发电机的功率流程为：转子功率—→电磁功率—→定子功率，故按照能量守恒，必然有＞,以及＞。鉴于亚同步时，转子输入的机械功率小于其电磁功率，电机只能电动而不能发电；而超同步时，机械功率可能过大于电磁功率，导致发电过载。为此，转子除了要输入机械功率之外，还要通过附加电源输入或输出一定的控制功率，以使 即 （1） 转子发电的电磁功率则为 （2） 其中， 对应于亚同步发电，对应于超同步发电，为转子回路的总损耗功率。 机——电能量转换必须通过机械转矩的作用和电磁转矩的反作用方能实现，据此，双馈发电须满足普适的 ＜0 （3） 条件，即电磁转矩和转速、机械转矩的方向相反，为此，须使转子电流与开路电势的相角大于90○，即的有功电流和反相。而且当发电机稳定运行时，电磁转矩和机械转矩相平衡，即。 以上是异步机附加电势发电的核心原理，归结二者，有 n＞n0K （4） 即电机转速n须大于对应的理想转速n0K，且 （5） 即异步发电机的转速为理想转速与转速降之和。 以上的正定理和逆定理均成立，结论具有可逆性。图1是按照上述原理得出的双馈发电的功率转换模型和系统原理。 图1a 双馈发电的功率转换模型 图1b 双馈发电的系统原理 內馈发电机的绕组功率与电压 内馈发电系统的原理如图2所示。 图2a 内馈发电的功率转换模型 图2b 内馈发电的系统原理 对比双馈发电系统，内馈发电的典型特点是附加电源（电势）内置于电机内部，即内置附加电势（电源）。 参考图3的內馈电机， 图3 內馈电机的绕组原理 电机除了具有普通绕线型异步机的定子W1和转子W2之外，定子铁芯上还具有“內馈绕组”W3。內馈绕组通常和定子绕组通槽嵌放并相互绝缘，从而形成变压器的电磁感应，当定子绕组接通电源时，內馈绕组即产生感应电势，且 （6） 其中，、分别为定子绕组和內馈绕组的绕组系数；、分别为定子绕组和內馈绕组的有效串联匝数，可见，当內馈电机确定之后，即为基本不变的常量，且频率恒为工频。 內馈绕组和