普通异步发电机的工作特性解析

图3-14所示为异步电机的等效电路，当图中I_s为输出方向时，电机即运行于发电模式。

图3-14 异步电机的等效电路

（一）机械特性

对于异步电机，由电机学公式可知，电磁转矩与转差率的关系如下：

式中 m——相数；

p——极对数；

f₁——电网频率；

s——转差率。

异步电机电磁转矩-转差率的关系曲线如图3-15所示。

由图3-15可见，异步电机在同步转速以上作发电机运行，在同步转速以下作电动机运行，在同步转速附近时，其转矩-转速曲线近似为直线。定桨恒速风力发电机组的实际运行区域为略高于同步转速的窄小范围，在此范围内转速越高则对应的发电机转矩也越高。对典型的4极750kW机型，其额定转速为1518r/min，也即额定转差率为-0.012。

图3-15 异步电机电磁转矩-转差率的关系曲线（750kW，4P）

由图3-15可见，在转差率很小时转矩曲线近似为直线，式（3-14）可近似为

可见，在转差率很小的情况下，电磁转矩与转差率近似为线性关系。(www.xing528.com)

（二）电气特性

定桨恒速风电机组中使用的笼型异步发电机具有以下特点：

1）发电机励磁消耗无功功率，皆取自电网。应选用较高功率因数的发电机，并在机端并联电容。

2）大部分时间处于轻载状态，要求在中低负载区效率较高，希望发电机的效率曲线平坦。

3）风速不稳，易受冲击机械应力，希望发电机的机械特性不能太硬，即图3-16中的直线部分有一定的斜度。

4）并网瞬间与电动机起动相似，存在很大的冲击电流，应在接近同步转速时并网，并加装软起动限流装置。

由等效电路可计算发电机对外阻抗Z_g=R_g+jX_g，进而计算有功和无功功率。显然在特定的电网电压和频率下，有功功率P和无功功率Q取决于转差率s，如图3-16所示。

图3-16 异步发电机功率和转差率的关系（750kW，4P）

可见，机组在发出有功功率时有从电网吸收无功功率的需求，所以在机组设计时要适当选配电容组或SVC进行无功补偿。

（三）转子电阻的调节

有限变速的全桨变距风电机组采用的发电机为绕线转子异步发电机，通过集电环/电刷结构在外部以电力电子器件调节转子电阻来调节发电机在工作区域的转矩/转速斜率，提高系统的控制柔性，这一点从式（3-15）也可以得到体现。

绕线转子异步发电机转矩-转速调节特性如图3-17所示。

图3-17 绕线转子异步发电机转矩-转速调节特性

有限变速的全桨变距风电机组可调速的范围在同步转速以上，通常为10%额定转速。虽然该方式可以获得较好的控制柔性，但也会带来转差功率损耗，增加转子电阻的发热量。