異步發(fā)電機在風力發(fā)電中的應(yīng)用

　　摘要：風力發(fā)電是當今新能源應(yīng)用的重要方向。包含異步電機和電力電子變換器的風力發(fā)電系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景。本文介紹了我國風力產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)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(fā)電和離網(wǎng)式應(yīng)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，人們越來越重視新能源與可再生能源的應(yīng)用。其中，風力發(fā)電是新能源技術(shù)中最成熟、最具規(guī)模開發(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(jù)中國風能協(xié)會發(fā)布的《2012年中國風電裝機容量統(tǒng)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(qū)(東北、華北、西北)、沿海及海上風能豐富區(qū)以及內(nèi)陸局部風能分布區(qū)^[1-3]。而風力發(fā)電本身也顯示出由小規(guī)模向大規(guī)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。

　　實際風能利用中，電勵磁同步機在并網(wǎng)時，會因風速的不穩(wěn)定性造成功率的沖擊，不利于發(fā)電機和整個系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，因此不能用于齒輪驅(qū)動的直接并網(wǎng)風力發(fā)電系統(tǒng);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(wǎng)發(fā)電，還有永磁材料容量和強度的限制^[4-5]。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，一般可將異步電機分為繞線式和鼠籠式兩種?；\型異步電機方便變極，是最早應(yīng)用的可直接并網(wǎng)的風力發(fā)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(wǎng)運行。因此，異步電機在國內(nèi)外風力發(fā)電領(lǐng)域中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢。

　　本文將結(jié)合風力發(fā)電的發(fā)展背景，對異步電機在風電場合的應(yīng)用優(yōu)勢進行說明，并指明高性能的異步電機風力發(fā)電系統(tǒng)離不開電力電子技術(shù)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(zhuǎn)子可與外部連接，如雙饋異步發(fā)電機(DFIG)和OptiSlip感應(yīng)發(fā)電機(OSIG)等。其中，DFIG在我國風電中應(yīng)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(zhuǎn)子外連電力電子變流器，以控制轉(zhuǎn)子的電氣特性，如轉(zhuǎn)子電壓和頻率。在超同步發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速變化時，可通過電力電子背靠背變換器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子頻率使定子頻率與電網(wǎng)頻率相同，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)同時向電網(wǎng)饋電與變速恒頻發(fā)電控制。其基本拓撲如圖1所示。

　　繞線型雙饋異步電機的結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)缺點如下：

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

　　在大型風電基地中的適用性

　　大型風電場中，如我國“三北”地區(qū)，按照集中建設(shè)的開發(fā)方式，建造千兆千瓦大型風能基地，將多臺并網(wǎng)型風力發(fā)電機組按照地形和主風向排成陣列，組成機組群向電網(wǎng)供電，是大規(guī)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(wǎng)對大電網(wǎng)系統(tǒng)的影響加大，也對電網(wǎng)潮流與網(wǎng)損、電能質(zhì)量和穩(wěn)定性等提出新的問題^[9]。

　　DFIG在大型并網(wǎng)風電基地中的優(yōu)勢有：

　　1. 采用矢量控制可使風電系統(tǒng)實現(xiàn)最大風能追蹤和有功、無功解耦，易于調(diào)節(jié)，有助于電網(wǎng)的計劃和調(diào)度;
　　2. 變流器的容量較小，使系統(tǒng)成本降低，易實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，風能利用率高，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(xù)的短路電流，有助于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾性;
　　4. 風電并網(wǎng)時，可通過對轉(zhuǎn)子電流的控制實現(xiàn)電壓匹配、同步和相位的控制，并網(wǎng)時基本無電流沖擊。