異步發電機在風力發電中的應用

　　摘要：風力發電是當今新能源應用的重要方向。包含異步電機和電力電子變換器的風力發電系統具有良好的應用前景。本文介紹了我國風力產業的現狀與發展展望，分析了籠型異步電機和繞線型異步電機在大型風電基地、海上發電和離網式應用中的優勢。

　　引言

　　為了緩解能源危機、環境污染和發展低碳經濟，人們越來越重視新能源與可再生能源的應用。其中，風力發電是新能源技術中最成熟、最具規模開發條件和商業化發展最強勁的發電方式之一^[1-2]。

　　據中國風能協會發布的《2012年中國風電裝機容量統計》顯示，我國累計安裝風電機組53764臺，裝機容量75324.2MW。其中，風力資源主要集中在“三北”地區(東北、華北、西北)、沿海及海上風能豐富區以及內陸局部風能分布區^[1-3]。而風力發電本身也顯示出由小規模向大規模、小容量向大容量、恒速恒頻向變速恒頻、單一陸地向海陸兼顧的發展趨勢。

　　實際風能利用中，電勵磁同步機在并網時，會因風速的不穩定性造成功率的沖擊，不利于發電機和整個系統的安全穩定運行，因此不能用于齒輪驅動的直接并網風力發電系統;永磁式同步電機效率較高，只能通過整流逆變的變速恒頻的方式并網發電，還有永磁材料容量和強度的限制^[4-5]。根據轉子結構不同，一般可將異步電機分為繞線式和鼠籠式兩種。籠型異步電機方便變極，是最早應用的可直接并網的風力發電機;繞線式異步電機即雙饋電機，在背靠背變流器的控制下，可大范圍變速并網運行。因此，異步電機在國內外風力發電領域中具有明顯的應用優勢。

　　本文將結合風力發電的發展背景，對異步電機在風電場合的應用優勢進行說明，并指明高性能的異步電機風力發電系統離不開電力電子技術的支撐。

　　繞線型異步電機與風電

　　繞線型異步電機概述^[5-8]

　　繞線型異步電機的轉子可與外部連接，如雙饋異步發電機(DFIG)和OptiSlip感應發電機(OSIG)等。其中，DFIG在我國風電中應用較多。雙饋異步發電機定子繞組直接連接定頻三相電網，轉子外連電力電子變流器，以控制轉子的電氣特性，如轉子電壓和頻率。在超同步發電狀態，發電機的轉速變化時，可通過電力電子背靠背變換器調節轉子頻率使定子頻率與電網頻率相同，實現轉子側和定子側同時向電網饋電與變速恒頻發電控制。其基本拓撲如圖1所示。

　　繞線型雙饋異步電機的結構帶來的優缺點如下：

　　1. 流過轉子電路中的功率為轉差功率，一般只有發電機額定功率的1/4~1/3;
　　2. 可控制無功功率，通過獨立控制轉子勵磁電流來解耦有功和無功功率，無須從電網勵磁，而從轉子電路中勵磁;
　　3. 不可避免的要使用滑環和電刷。

　　在大型風電基地中的適用性

　　大型風電場中，如我國“三北”地區，按照集中建設的開發方式，建造千兆千瓦大型風能基地，將多臺并網型風力發電機組按照地形和主風向排成陣列，組成機組群向電網供電，是大規模利用風能的有效方式^[5~6]。

　　然而，風電場容量的增加，使風電并網對大電網系統的影響加大，也對電網潮流與網損、電能質量和穩定性等提出新的問題^[9]。

　　DFIG在大型并網風電基地中的優勢有：

　　1. 采用矢量控制可使風電系統實現最大風能追蹤和有功、無功解耦，易于調節，有助于電網的計劃和調度;
　　2. 變流器的容量較小，使系統成本降低，易實現變速恒頻發電，風能利用率高，變流器的優良特性也有助于減小輸出電壓諧波，提高電能質量;
　　3. 定子直接連接在電網上，在電網故障期間可提供持續的短路電流，有助于系統的穩定性和抗干擾性;
　　4. 風電并網時，可通過對轉子電流的控制實現電壓匹配、同步和相位的控制，并網時基本無電流沖擊。