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異步發(fā)電機在風力發(fā)電中的應用
摘要：風力發(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力發(fā)電系統(tǒng)具有良好的應用前景。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)式應用中的優(yōu)勢。本文網(wǎng)絡版地址：http：//www. eepw.com.cn/article/164381.htm
關鍵詞：風力發(fā)電；異步電機；籠型；繞線型；離網(wǎng)式
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.002
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用。其中，風力發(fā)電是新能源技術中最成熟、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)轉子結構不同，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，異步電機在國內外風力發(fā)電領域中具有明顯的應用優(yōu)勢。
本文將結合風力發(fā)電的發(fā)展背景，對異步電機在風電場合的應用優(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的支撐。
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(fā)電機（DFIG）和OptiSlip感應發(fā)電機（OSIG）等。其中，DFIG在我國風電中應用較多。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，可通過電力電子背靠背變換器調節(jié)轉子頻率使定子頻率與電網(wǎng)頻率相同，實現(xiàn)轉子側和定子側同時向電網(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構帶來的優(yōu)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(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
普通籠型異步電機的定子由鐵心和定子繞組組成，轉子采用籠型結構。早期的異步發(fā)電機首先要解決的問題是電機自勵建壓的問題，如在輸出端連接適當大小的電容器給籠型感應發(fā)電機提供勵磁，其缺點是無法連續(xù)調壓，只能離散地調節(jié)勵磁。隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，利用可控開關功率器件組成的電力電子變換器可以產(chǎn)生連續(xù)可調的無功功率，從而替代傳統(tǒng)的單獨的電容勵磁，使得電力電子變換器與感應發(fā)電機相結合的發(fā)電技術得到了迅速的發(fā)展。
如基于背靠背變換器的并網(wǎng)型異步風力發(fā)電系統(tǒng)，其結構拓撲如圖2所示。定子繞組通過整流器和逆變器與電網(wǎng)或者負載相連：前者工作在整流狀態(tài)，輸出一個穩(wěn)定的直流電壓；后者工作在逆變狀態(tài)，輸出恒頻恒壓的交流電。
將電機轉子和風力機相連，通過風力機的升速齒輪驅動轉子超過同步速，即可將風力機的機械功率轉化為電功率，饋送電網(wǎng)或供給負載。對普通籠型異步電機而言，通常有如下優(yōu)缺點：
1.籠型異步電機因堅固的無刷結構，而具有機械簡單、效率高、價格低廉和維護要求低的特點；
2.可適用于恒速發(fā)電和變速發(fā)電，可通過電力電子變換器獲得無功勵磁功率；
3.電機本體適用于大功率容量，可高達幾兆瓦，具有良好的經(jīng)濟性；
4.有功和無功相耦合，影響系統(tǒng)性能。
為克服普通籠型異步電機發(fā)電系統(tǒng)中有功和無功相耦合對系統(tǒng)性能的不利影響，進一步發(fā)揮籠型異步電機的優(yōu)勢，美國田納西理工大學的Ojo教授于2000年提出一種新型籠型異步電機—定子雙繞組異步電機（DWIG），其定子上布置了兩套繞組，一套為輸出電能的功率繞組，一套為調節(jié)勵磁的控制繞組，除容量不同外，它們的極數(shù)及繞組形式一樣，且在電氣上沒有直接連接，僅通過磁場耦合。功率繞組，接有勵磁電容，通過整流橋向負載供電；控制繞組，接有電力電子變換器，用于調節(jié)發(fā)電機內部磁場，使其在不同的工況下能穩(wěn)定運行。
籠型異步電機在風電中應用廣泛，如普通籠型異步電機可用于分布式風電場合；定子雙繞組電機適用于海上風力發(fā)電等。
在分布式風電中的適用性
我國內陸有局部風能分布區(qū)，分布式風力發(fā)電具有較大市場。
在中小規(guī)模離網(wǎng)型、微網(wǎng)或并網(wǎng)式分布式風力發(fā)電中，普通籠型異步電機因價格優(yōu)勢、本體堅固和易實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電的特點，獲得市場青睞。
特別是分布式系統(tǒng)中，通常整合多種資源，進行風光互補、風熱互補能源開發(fā)，本身附帶儲能系統(tǒng)和電力電子變換器�；\型異步電機與電力電子變換器的優(yōu)勢配合，不僅可以提供勵磁，還可以根據(jù)控制策略調控多端口（發(fā)電端、儲能端、用電端）的功率流動，方便實現(xiàn)功率平衡以及自我控制、保護和管理，更可以充分發(fā)揮普通籠型異步電機性價比高的優(yōu)勢，從而具有更強的市場競爭力。
我國海岸線長，海上風電資源豐富，國家規(guī)劃海上風電開采力度增強，為減小線損，高壓直流輸電系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢，定子雙繞組籠型異步電機可作為其發(fā)電機[12]。 定子雙繞組籠型異步電機的結構有如下優(yōu)點：
1.轉子為籠型轉子，繼承普通籠型異步電機結構簡單堅固，維護較少的特點；
2.定子兩套繞組相互電隔離，磁耦合，可以方便勵磁調速；
3.電機側的變換器容量為系統(tǒng)額定輸出容量的1/3左右；
4.在合適的控制策略下，發(fā)電機系統(tǒng)能夠在寬轉速全負載的工況下輸出穩(wěn)定的直流電壓，且具有優(yōu)良的動靜態(tài)特性。
如圖3所示為南京航空航天大學研究的DWIG風力發(fā)電系統(tǒng)相關拓撲。
D W I G系統(tǒng)中，控制繞組側控制勵磁，功率繞組輸出整流后的直流電能，適用于高壓直流輸電系統(tǒng)；系統(tǒng)可以在寬轉速下實現(xiàn)風能最大功率追蹤，能夠有效地利用海上風能豐富、風速較高、無靜風期的特點；若進一步將控制側直流母線與功率側直流母線通過二極管并聯(lián)，通過控制策略可提高系統(tǒng)在低風速下的風能利用率。
在海上風力發(fā)電高壓直流輸電系統(tǒng)中，定子雙繞組發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)良的控制性能、寬轉速范圍的風能利用率和結實可靠的轉子設計有很好的應用前景。
結論
雙饋異步電機容易實現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，可以減小電力電子設備的投入，良好的并網(wǎng)優(yōu)勢使其在大型風電基地中應用廣泛；普通籠型異步電機堅固可靠，中小功率風力發(fā)電中優(yōu)勢較為明顯，主要體現(xiàn)在免維護性和經(jīng)濟性，而定子雙繞組電機在海上高壓直流風力發(fā)電系統(tǒng)中優(yōu)勢明顯。
我國的新能源政策與發(fā)展表明，風力發(fā)電正進一步走向大容量大規(guī)模海陸資源兼顧開發(fā)，異步電機因自身特性將在未來的風能利用中得到更多應用；高性能的異步風力發(fā)電系統(tǒng)離不開電力電子變換技術的支撐與發(fā)展，應重點開發(fā)相關的電力電子變換裝置及其控制技術。
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