異步發(fā)電機在風(fēng)力發(fā)電中的應用

　　摘要：風(fēng)力發(fā)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(fēng)力發(fā)電系統具有良好的應用前景。本文介紹了我國風(fēng)力產(chǎn)業(yè)的現狀與發(fā)展展望，分析了籠型異步電機和繞線(xiàn)型異步電機在大型風(fēng)電基地、海上發(fā)電和離網(wǎng)式應用中的優(yōu)勢。

　　引言

　　為了緩解能源危機、環(huán)境污染和發(fā)展低碳經(jīng)濟，人們越來(lái)越重視新能源與可再生能源的應用。其中，風(fēng)力發(fā)電是新能源技術(shù)中最成熟、最具規模開(kāi)發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展最強勁的發(fā)電方式之一^[1-2]。

　　據中國風(fēng)能協(xié)會(huì )發(fā)布的《2012年中國風(fēng)電裝機容量統計》顯示，我國累計安裝風(fēng)電機組53764臺，裝機容量75324.2MW。其中，風(fēng)力資源主要集中在“三北”地區(東北、華北、西北)、沿海及海上風(fēng)能豐富區以及內陸局部風(fēng)能分布區^[1-3]。而風(fēng)力發(fā)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(fā)展趨勢。

　　實(shí)際風(fēng)能利用中，電勵磁同步機在并網(wǎng)時(shí)，會(huì )因風(fēng)速的不穩定性造成功率的沖擊，不利于發(fā)電機和整個(gè)系統的安全穩定運行，因此不能用于齒輪驅動(dòng)的直接并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統;永磁式同步電機效率較高，只能通過(guò)整流逆變的變速恒頻的方式并網(wǎng)發(fā)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(xiàn)式和鼠籠式兩種?；\型異步電機方便變極，是最早應用的可直接并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機;繞線(xiàn)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(wǎng)運行。因此，異步電機在國內外風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中具有明顯的應用優(yōu)勢。

　　本文將結合風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展背景，對異步電機在風(fēng)電場(chǎng)合的應用優(yōu)勢進(jìn)行說(shuō)明，并指明高性能的異步電機風(fēng)力發(fā)電系統離不開(kāi)電力電子技術(shù)的支撐。

　　繞線(xiàn)型異步電機與風(fēng)電

　　繞線(xiàn)型異步電機概述^[5-8]

　　繞線(xiàn)型異步電機的轉子可與外部連接，如雙饋異步發(fā)電機(DFIG)和OptiSlip感應發(fā)電機(OSIG)等。其中，DFIG在我國風(fēng)電中應用較多。雙饋異步發(fā)電機定子繞組直接連接定頻三相電網(wǎng)，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(fā)電狀態(tài)，發(fā)電機的轉速變化時(shí)，可通過(guò)電力電子背靠背變換器調節轉子頻率使定子頻率與電網(wǎng)頻率相同，實(shí)現轉子側和定子側同時(shí)向電網(wǎng)饋電與變速恒頻發(fā)電控制。其基本拓撲如圖1所示。

　　繞線(xiàn)型雙饋異步電機的結構帶來(lái)的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

　　1. 流過(guò)轉子電路中的功率為轉差功率，一般只有發(fā)電機額定功率的1/4~1/3;
　　2. 可控制無(wú)功功率，通過(guò)獨立控制轉子勵磁電流來(lái)解耦有功和無(wú)功功率，無(wú)須從電網(wǎng)勵磁，而從轉子電路中勵磁;
　　3. 不可避免的要使用滑環(huán)和電刷。

　　在大型風(fēng)電基地中的適用性

　　大型風(fēng)電場(chǎng)中，如我國“三北”地區，按照集中建設的開(kāi)發(fā)方式，建造千兆千瓦大型風(fēng)能基地，將多臺并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組按照地形和主風(fēng)向排成陣列，組成機組群向電網(wǎng)供電，是大規模利用風(fēng)能的有效方式^[5~6]。

　　然而，風(fēng)電場(chǎng)容量的增加，使風(fēng)電并網(wǎng)對大電網(wǎng)系統的影響加大，也對電網(wǎng)潮流與網(wǎng)損、電能質(zhì)量和穩定性等提出新的問(wèn)題^[9]。

　　DFIG在大型并網(wǎng)風(fēng)電基地中的優(yōu)勢有：

　　1. 采用矢量控制可使風(fēng)電系統實(shí)現最大風(fēng)能追蹤和有功、無(wú)功解耦，易于調節，有助于電網(wǎng)的計劃和調度;
　　2. 變流器的容量較小，使系統成本降低，易實(shí)現變速恒頻發(fā)電，風(fēng)能利用率高，變流器的優(yōu)良特性也有助于減小輸出電壓諧波，提高電能質(zhì)量;
　　3. 定子直接連接在電網(wǎng)上，在電網(wǎng)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(fēng)電并網(wǎng)時(shí)，可通過(guò)對轉子電流的控制實(shí)現電壓匹配、同步和相位的控制，并網(wǎng)時(shí)基本無(wú)電流沖擊。