仿真圖形技術(shù)結(jié)合實(shí)體模型對(duì)雙饋式異步發(fā)電機(jī)的分析

鐵衛(wèi)華 曹瀚天 張靖

摘 要：雙饋式異步發(fā)電機(jī)是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中采用的主要類型發(fā)電機(jī)，本文通過(guò)對(duì)雙饋式異步發(fā)電機(jī)的原理和等值電路的研究，提出了仿真圖形技術(shù)結(jié)合實(shí)體模型對(duì)雙饋式異步發(fā)電機(jī)的分析方法。

關(guān)鍵詞：仿真圖形技術(shù);實(shí)體模型;雙饋式異步發(fā)電機(jī);仿真運(yùn)行;模擬運(yùn)行;結(jié)合分析

中圖分類號(hào)：TM315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0183-02

1雙饋式異步發(fā)電機(jī)的原理

風(fēng)力發(fā)電是目前新能源技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，雙饋式異步發(fā)電機(jī)被廣泛運(yùn)用于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中。雙饋式異步發(fā)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)部分組成。其定子部分和其它交流發(fā)電機(jī)的定子部分結(jié)構(gòu)基本相同，由三相對(duì)稱交流繞組和定子鐵心組成。其轉(zhuǎn)子也是由三相對(duì)稱交流繞組和轉(zhuǎn)子鐵心組成，轉(zhuǎn)子的三相對(duì)稱交流繞組上連接有專用的控制設(shè)備[1]。這種控制制備可以通過(guò)調(diào)節(jié)電壓（電流）的頻率、相位或幅值，達(dá)到控制功率流向的作用，對(duì)轉(zhuǎn)子輸出功率的正、負(fù)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子功率向電網(wǎng)的饋入或饋出即“雙饋”。

圖1為雙饋式異步發(fā)電機(jī)原理電路，由于工程實(shí)際中容量較大的風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組均采用星形連接，故圖中也使用了星形連接。雙饋式異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分和風(fēng)機(jī)采用同軸相連，當(dāng)風(fēng)力吹動(dòng)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，風(fēng)機(jī)同時(shí)帶動(dòng)雙饋式異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)低時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組向電網(wǎng)吸收功率即外功率饋入，轉(zhuǎn)子電流方向?yàn)殡娋W(wǎng)流向轉(zhuǎn)子，形成外功率轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)切割定子三相對(duì)稱繞組，產(chǎn)生三相對(duì)稱感應(yīng)電勢(shì)，與電網(wǎng)相連后形成三相對(duì)稱電流，該電流方向?yàn)槎ㄗ恿飨螂娋W(wǎng)，定子繞組向電網(wǎng)輸出功率即定子內(nèi)功率饋出。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)高時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組向電網(wǎng)輸出功率即轉(zhuǎn)子內(nèi)功率饋出，轉(zhuǎn)子電流方向?yàn)檗D(zhuǎn)子流向電網(wǎng)，形成內(nèi)功率轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)，同前所述，定子繞組向電網(wǎng)輸出功率即定子內(nèi)功率饋出，這時(shí)候，轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組同時(shí)向電網(wǎng)饋出功率，實(shí)現(xiàn)另一意義上的“雙饋”。在這兩種狀態(tài)之間還存在所謂雙饋式異步發(fā)電機(jī)的同步發(fā)電狀態(tài)，即當(dāng)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度（轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度）等于定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)速度時(shí)，這種狀態(tài)與同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是一致的。

2雙饋式異步發(fā)電機(jī)等值電路

根據(jù)雙饋式異步發(fā)電機(jī)工作原理可以得到其等值電路圖，圖2為雙饋式異步發(fā)電機(jī)等值電路，R1和L1為定子每一相繞組（三相完全對(duì)稱）的等效電阻和等效電感，R2和L2為轉(zhuǎn)子每一相繞組（三相完全對(duì)稱）的等效電阻和等效電感，圖中假定了各電壓和電流的參考方向[2]。

當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組向電網(wǎng)吸收功率即外功率饋入時(shí)，轉(zhuǎn)子電流方向與圖1中的參考方向相反;當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組向電網(wǎng)輸出功率即內(nèi)功率饋入時(shí)，轉(zhuǎn)子電流方向與圖1中的參考方向相同。

由等值電路圖可以得出如下的公式（1）即定子三相電壓瞬時(shí)值公式和公式、（2）即轉(zhuǎn)子三相電壓瞬時(shí)值公式。

3仿真圖形技術(shù)對(duì)雙饋式異步發(fā)電機(jī)的仿真運(yùn)行

Multisim、LabVIEW、Matlab的simulink系列等仿真圖形軟件，都可以被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程電路的研發(fā)之中，本文采用Multisim仿真圖形軟件完成對(duì)雙饋式異步發(fā)電機(jī)的仿真[3-6]。如圖3為雙饋式異步發(fā)電機(jī)圖形仿真電路。

在仿真電路中，使用三個(gè)相位互差120度、幅值為575V的交流電壓電源，每個(gè)交流電源均串一個(gè)10Ω電阻和一個(gè)20mH電感，來(lái)仿真雙饋式異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的定子三相對(duì)稱繞組;使用三個(gè)相位互差120度、幅值為376V的三個(gè)交流電壓信號(hào)發(fā)生器，每個(gè)信號(hào)發(fā)生器均串一個(gè)10Ω電阻和一個(gè)20mH電感，來(lái)仿真雙饋式異步發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的轉(zhuǎn)子三相對(duì)稱繞組。由一組三相開關(guān)連接以上兩組電源，開關(guān)打開時(shí)，只測(cè)量定子輸出功率;開關(guān)閉合時(shí)，測(cè)量的是定子和轉(zhuǎn)子輸出的合成功率也就是雙饋式異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)發(fā)出的功率。

圖3中，有功功率表的讀數(shù)為9.736kW即為合成有功功率。打開開關(guān)，有功功率表的讀數(shù)變?yōu)?.928kW即為定子輸出有功功率，兩個(gè)功率的差為3.808kW即為轉(zhuǎn)子輸出有功功率。此時(shí)的仿真的工作狀態(tài)為風(fēng)力高速時(shí)的超同步運(yùn)行狀態(tài)。利用電壓信號(hào)發(fā)生器，改變電壓，將電壓幅值變?yōu)?01V，開關(guān)閉合，有功功率表的的讀數(shù)為5.919kW。轉(zhuǎn)子輸出有功功率為負(fù)的0.009kW即約為0，此時(shí)的仿真的工作狀態(tài)為同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。電壓信號(hào)發(fā)生器輸出電壓低于201V時(shí)，轉(zhuǎn)子輸出有功功率總是負(fù)值，仿真的工作狀態(tài)為風(fēng)力低速時(shí)的亞同步運(yùn)行狀態(tài)。也可以改變信號(hào)發(fā)生器的頻率，來(lái)仿真對(duì)應(yīng)不同的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。同樣，可以同時(shí)改變輸出電壓和頻率，來(lái)仿真兩個(gè)量同時(shí)改變的情況。

4實(shí)體模型對(duì)雙饋式異步發(fā)電機(jī)的模擬運(yùn)行

為便于運(yùn)行調(diào)試，實(shí)體模型的運(yùn)行環(huán)境為三相低壓動(dòng)力電源系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，圖4中的三組三相電壓分別用三臺(tái)三相調(diào)壓器接同一個(gè)三相低壓動(dòng)力電源系統(tǒng)來(lái)模擬。根據(jù)工程實(shí)際中的電網(wǎng)和雙饋式異步發(fā)電機(jī)的容量比來(lái)確定這三臺(tái)三相調(diào)壓器的容量比，由于工程實(shí)際中雙饋式異步發(fā)電機(jī)的定子輸出電壓較高，如前述例中的電壓為575V明顯高于380V，這時(shí)可以用調(diào)壓器調(diào)出57.5V即用十分之一的工程實(shí)際電際模擬，分析計(jì)算時(shí)以10的倍比計(jì)算即可。容量比對(duì)應(yīng)的容量計(jì)算，也可以采用這樣的方法。若工程實(shí)際中的電網(wǎng)容量很大時(shí)，則直接用三相低壓動(dòng)力電源系統(tǒng)來(lái)模擬。當(dāng)運(yùn)行時(shí)，可以使用單相有功功率表分別測(cè)量這三組電源的有功功率。從功率控制的角度，也可以在轉(zhuǎn)子模擬電路中加入晶閘管控制功率電路，實(shí)現(xiàn)雙向功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制功能。

5結(jié)合分析

目前的圖形仿真軟件對(duì)電源容量的描述并不突出，其主要強(qiáng)調(diào)的是電源的相位、頻率、幅值和波形，并且不存在干擾，仿真數(shù)據(jù)精確度高，在進(jìn)行仿真時(shí)，可以在這些方面的分析上建立側(cè)重點(diǎn)。實(shí)體模型在進(jìn)行實(shí)際設(shè)備選用時(shí)可以選擇各種對(duì)應(yīng)的容量，但由于運(yùn)行時(shí)，由于實(shí)際設(shè)備的相互影響和線路存在一定損耗，這時(shí)模擬的數(shù)據(jù)存在相應(yīng)的誤差。二者相結(jié)合，正好互補(bǔ)。

6結(jié)語(yǔ)

利用仿真圖形技術(shù)結(jié)合實(shí)體模型對(duì)雙饋式異步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析，可以較好的在安全可靠的環(huán)境中完成對(duì)雙饋式異步發(fā)電機(jī)同步、超同步、亞同步三種狀態(tài)進(jìn)行定性和定量的分析。

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