铁卫华 曹瀚天 张靖

摘 要：双馈式异步发电机是风力发电技术中采用的主要类型发电机，本文通过对双馈式异步发电机的原理和等值电路的研究，提出了仿真图形技术结合实体模型对双馈式异步发电机的分析方法。

關键词：仿真图形技术;实体模型;双馈式异步发电机;仿真运行;模拟运行;结合分析

中图分类号：TM315 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0183-02

1双馈式异步发电机的原理

风力发电是目前新能源技术的一个重要组成部分，双馈式异步发电机被广泛运用于风力发电技术中。双馈式异步发电机由定子和转子两个部分组成。其定子部分和其它交流发电机的定子部分结构基本相同，由三相对称交流绕组和定子铁心组成。其转子也是由三相对称交流绕组和转子铁心组成，转子的三相对称交流绕组上连接有专用的控制设备[1]。这种控制制备可以通过调节电压（电流）的频率、相位或幅值，达到控制功率流向的作用，对转子输出功率的正、负进行控制，实现转子功率向电网的馈入或馈出即“双馈”。

图1为双馈式异步发电机原理电路，由于工程实际中容量较大的风力发电机的转子绕组和定子绕组均采用星形连接，故图中也使用了星形连接。双馈式异步发电机的转子部分和风机采用同轴相连，当风力吹动风机旋转，风机同时带动双馈式异步发电机的转子旋转。当转子转速转低时，转子绕组向电网吸收功率即外功率馈入，转子电流方向为电网流向转子，形成外功率转子磁场，该磁场旋转切割定子三相对称绕组，产生三相对称感应电势，与电网相连后形成三相对称电流，该电流方向为定子流向电网，定子绕组向电网输出功率即定子内功率馈出。当转子转速转高时，转子绕组向电网输出功率即转子内功率馈出，转子电流方向为转子流向电网，形成内功率转子磁场，同前所述，定子绕组向电网输出功率即定子内功率馈出，这时候，转子绕组和定子绕组同时向电网馈出功率，实现另一意义上的“双馈”。在这两种状态之间还存在所谓双馈式异步发电机的同步发电状态，即当转子的旋转速度（转子旋转磁场速度）等于定子旋转磁场速度时，这种状态与同步电机的运行状态是一致的。

2双馈式异步发电机等值电路

根据双馈式异步发电机工作原理可以得到其等值电路图，图2为双馈式异步发电机等值电路，R1和L1为定子每一相绕组（三相完全对称）的等效电阻和等效电感，R2和L2为转子每一相绕组（三相完全对称）的等效电阻和等效电感，图中假定了各电压和电流的参考方向[2]。

当转子绕组向电网吸收功率即外功率馈入时，转子电流方向与图1中的参考方向相反;当转子绕组向电网输出功率即内功率馈入时，转子电流方向与图1中的参考方向相同。

由等值电路图可以得出如下的公式（1）即定子三相电压瞬时值公式和公式、（2）即转子三相电压瞬时值公式。

3仿真图形技术对双馈式异步发电机的仿真运行

Multisim、LabVIEW、Matlab的simulink系列等仿真图形软件，都可以被广泛应用于实际工程电路的研发之中，本文采用Multisim仿真图形软件完成对双馈式异步发电机的仿真[3-6]。如图3为双馈式异步发电机图形仿真电路。

在仿真电路中，使用三个相位互差120度、幅值为575V的交流电压电源，每个交流电源均串一个10Ω电阻和一个20mH电感，来仿真双馈式异步发电机运行中的定子三相对称绕组;使用三个相位互差120度、幅值为376V的三个交流电压信号发生器，每个信号发生器均串一个10Ω电阻和一个20mH电感，来仿真双馈式异步发电机运行中的转子三相对称绕组。由一组三相开关连接以上两组电源，开关打开时，只测量定子输出功率;开关闭合时，测量的是定子和转子输出的合成功率也就是双馈式异步发电机向电网发出的功率。

图3中，有功功率表的读数为9.736kW即为合成有功功率。打开开关，有功功率表的读数变为5.928kW即为定子输出有功功率，两个功率的差为3.808kW即为转子输出有功功率。此时的仿真的工作状态为风力高速时的超同步运行状态。利用电压信号发生器，改变电压，将电压幅值变为201V，开关闭合，有功功率表的的读数为5.919kW。转子输出有功功率为负的0.009kW即约为0，此时的仿真的工作状态为同步发电机运行状态。电压信号发生器输出电压低于201V时，转子输出有功功率总是负值，仿真的工作状态为风力低速时的亚同步运行状态。也可以改变信号发生器的频率，来仿真对应不同的转子转速。同样，可以同时改变输出电压和频率，来仿真两个量同时改变的情况。

4实体模型对双馈式异步发电机的模拟运行

为便于运行调试，实体模型的运行环境为三相低压动力电源系统。实际运行时，图4中的三组三相电压分别用三台三相调压器接同一个三相低压动力电源系统来模拟。根据工程实际中的电网和双馈式异步发电机的容量比来确定这三台三相调压器的容量比，由于工程实际中双馈式异步发电机的定子输出电压较高，如前述例中的电压为575V明显高于380V，这时可以用调压器调出57.5V即用十分之一的工程实际电际模拟，分析计算时以10的倍比计算即可。容量比对应的容量计算，也可以采用这样的方法。若工程实际中的电网容量很大时，则直接用三相低压动力电源系统来模拟。当运行时，可以使用单相有功功率表分别测量这三组电源的有功功率。从功率控制的角度，也可以在转子模拟电路中加入晶闸管控制功率电路，实现双向功率的自动调节控制功能。

5结合分析

目前的图形仿真软件对电源容量的描述并不突出，其主要强调的是电源的相位、频率、幅值和波形，并且不存在干扰，仿真数据精确度高，在进行仿真时，可以在这些方面的分析上建立侧重点。实体模型在进行实际设备选用时可以选择各种对应的容量，但由于运行时，由于实际设备的相互影响和线路存在一定损耗，这时模拟的数据存在相应的误差。二者相结合，正好互补。

6结语

利用仿真图形技术结合实体模型对双馈式异步发电机的运行分析，可以较好的在安全可靠的环境中完成对双馈式异步发电机同步、超同步、亚同步三种状态进行定性和定量的分析。

参考文献

[1] 杨跃.双馈异步发电机无源性功率智能控制技术研究[J].电子设计工程，2019，27（9）：6-9.

[2] 田君杨，柳影，黄超.双馈异步风力发电机稳态等值模型分析[J].电工技术，2016，37（12）：53+64.

[3] 郭春玲，田涛，刘永昌.基于LabVIEW的双馈式异步发电机仿真研究[J].系统仿真学报，2011，23（23）：126-127.

[4] 张照彦，马永光.双馈异步风力发电机建模与仿真研究[J].电力科学与工程，2010，26（1）：5-9.

[5] 阳锦钢，潘再平.级联式无刷双馈式异步发电机的仿真研究[J].太阳能学报，2008，29（8）：1014-1020.

[6] 王旭东，熊光煜.双馈式异步风力发电机功率控制扰动法仿真研究[J].计算机仿真，2008，25（11）：256-260.