双馈电机能量平衡关系及转子功率控制分析

双馈发电机定子有功功率为

无功功率为

式中 的共轭相量；

m——相数。

将式（8-7）代入式（8-9）得

双馈发电机的有功功率由两部分组成，一部分为定子电压所产生的异步功率，它只与定子电压大小、电机参数及转差率s有关，s＞0时，这部分功率为电动功率，s＜0时为发电功率，当励磁频率一定时，这部分功率为不可控部分；另一部分由定子、转子电压大小以及它们的相位决定，这部分功率实际上就是同步功率。在s一定时，双馈发电机定子有功功率随转子电压大小及相位变化而变化。通过控制转子电压大小及相位，可使双馈发电机在任何转差s下工作于发电状态或电动状态。

同理，可解得定子无功功率为

上式说明无功功率亦由两部分组成，一部分仅由定子电压大小、电机参数和转差率决定，它总是从电网吸收滞后无功，为不可控部分；另一部分取决于定、转子电压大小以及其相位差，它是无功功率的可控部分。交流励磁发电机定子无功功率在s一定时，随转子电压大小及相位变化，通过控制转子励磁电压大小及相位，可改变交流励磁发电机无功功率的大小和性质。

从等效电路出发（见图8-3），定量研究转子侧功率平衡关系。按异步电机分析方法，R′₂／s可分解为，可分解为，等效电路如图8-6所示。

图8-6 拆分后等效电路图

转子输出的电磁功率表示为

其中，转子绕组铜耗P_cu2＝－R′₂I′²₂，励磁系统输入转子方电功率，轴上机械功率，当0＜s＜1时，此项为负，表示消耗电磁功率并转化机械功率从轴上输出，当s＜0，此项为正，轴上的机械功率转化为电磁功率，也与轴上机械功率有关，此项为正，表示电机将轴的机械功率转化为电磁功率，此项为负则相反，因此对应轴上总的机械功率，此项为正，表示轴的机械功率转化为电磁功率，此项为负，电磁功率转化为轴的机械功率输出，由此可见，与感应电机不同，感应电机仅由正负决定其运行与电动状态还是发电状态，而双馈电机可以通过控制，使s为任何值时都可运行于电动或发电状态。(www.xing528.com)

假设广义铜耗为

则有

所以有

交流励磁系统输入电机的功率为

总之，在总的电磁功率中，当0＜s＜1，亚同步运行时，sP_em＞0，P_m＞0，发出的电磁功率分别由定子原动机、转子励磁提供，当s＜0，超同步运行时，sP_em＜0，P_m＞0，这时，转子和定子都从原动机吸收能量。无论那种情况下，转子励磁电源功率始终保持为sP_em。

由以上分析可知，双馈电机在四象限运行过程中的能流关系，如图8-7所示。

（1）转子运行在亚同步速的电动状态（1＞s＞0）。该种电动运行状态下，电磁转矩为拖动性转矩，机械功率由电机输出给机械负载，转差功率回馈给转子外接电源（见图8-7右下）。

（2）转子运行于亚同步速的定子回馈制动状态（1＞s＞0）。电磁功率由定子回馈给电网，机械功率由原动机输入电机，电磁转矩为制动性转矩（见图8-7左下）。

（3）转子运行于与超同步速的电动状态（s＜0）。电磁功率由定子输给电机，机械功率由电机输给负载，转差功率由电网输给负载，电磁转矩为拖动性转矩（见图8-7右上）。

（4）转子运行于超同步速的定子回馈制动状态（s＜0）。电磁功率由定子回馈给电网，机械功率由原动机输入电机，转差功率回馈给电网，电磁转矩为制动性转矩（见图8-7左上）。

图8-7 双馈电机不同运行状态下的能流关系

对于本书第六章介绍的电励磁同步发电机，其励磁的可调量只有直流励磁电流的幅值一个，所以同步发电机励磁只能对无功功率进行调节，而双馈发电机除了励磁电流的幅值可调外，励磁电流的频率和相位也可调，所以，在控制上更加灵活，可以通过改变励磁电流的频率来改变发电机的转速，以达到调速的目的，从而实现变速恒频运行；改变励磁电流的相位，使转子电流产生的转子磁场在气隙空间上有一个位移，改变了发电机电动势相量和电网电压相量的相对位置，调节了发电机的功率角，因此，通过调节励磁电流，不仅可以调节发电机的无功功率，也可以调节发电机的有功功率。