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異步發(fā)電機(jī)在風(fēng)力發(fā)電中的應(yīng)用
摘要：風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今新能源應(yīng)用的重要方向。包含異步電機(jī)和電力電子變換器的風(fēng)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(fēng)力產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展展望，分析了籠型異步電機(jī)和繞線型異步電機(jī)在大型風(fēng)電基地、海上發(fā)電和離網(wǎng)式應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www. eepw.com.cn/article/164381.htm
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；異步電機(jī)；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(jī)、環(huán)境污染和發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，人們?cè)絹碓街匾曅履茉磁c可再生能源的應(yīng)用。其中，風(fēng)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(qiáng)勁的發(fā)電方式之一[1-2]。
據(jù)中國風(fēng)能協(xié)會(huì)發(fā)布的《2012年中國風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)》顯示，我國累計(jì)安裝風(fēng)電機(jī)組53764臺(tái)，裝機(jī)容量75324.2MW。其中，風(fēng)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(fēng)能豐富區(qū)以及內(nèi)陸局部風(fēng)能分布區(qū)[1-3]。而風(fēng)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(shì)。
實(shí)際風(fēng)能利用中，電勵(lì)磁同步機(jī)在并網(wǎng)時(shí)，會(huì)因風(fēng)速的不穩(wěn)定性造成功率的沖擊，不利于發(fā)電機(jī)和整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此不能用于齒輪驅(qū)動(dòng)的直接并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)；永磁式同步電機(jī)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(qiáng)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(jī)分為繞線式和鼠籠式兩種�；\型異步電機(jī)方便變極，是最早應(yīng)用的可直接并網(wǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)；繞線式異步電機(jī)即雙饋電機(jī)，在背靠背變流器的控制下，可大范圍變速并網(wǎng)運(yùn)行。因此，異步電機(jī)在國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。
本文將結(jié)合風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展背景，對(duì)異步電機(jī)在風(fēng)電場(chǎng)合的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行說明，并指明高性能的異步電機(jī)風(fēng)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(jī)概述[5-8]
繞線型異步電機(jī)的轉(zhuǎn)子可與外部連接，如雙饋異步發(fā)電機(jī)（DFIG）和OptiSlip感應(yīng)發(fā)電機(jī)（OSIG）等。其中，DFIG在我國風(fēng)電中應(yīng)用較多。雙饋異步發(fā)電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速變化時(shí)，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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)和定子側(cè)同時(shí)向電網(wǎng)饋電與變速恒頻發(fā)電控制。其基本拓?fù)淙鐖D1所示。
繞線型雙饋異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)缺點(diǎn)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(jī)額定功率的1/4～1/3；
2. 可控制無功功率，通過獨(dú)立控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流來解耦有功和無功功率，無須從電網(wǎng)勵(lì)磁，而從轉(zhuǎn)子電路中勵(lì)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
普通籠型異步電機(jī)的定子由鐵心和定子繞組組成，轉(zhuǎn)子采用籠型結(jié)構(gòu)。早期的異步發(fā)電機(jī)首先要解決的問題是電機(jī)自勵(lì)建壓的問題，如在輸出端連接適當(dāng)大小的電容器給籠型感應(yīng)發(fā)電機(jī)提供勵(lì)磁，其缺點(diǎn)是無法連續(xù)調(diào)壓，只能離散地調(diào)節(jié)勵(lì)磁。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，利用可控開關(guān)功率器件組成的電力電子變換器可以產(chǎn)生連續(xù)可調(diào)的無功功率，從而替代傳統(tǒng)的單獨(dú)的電容勵(lì)磁，使得電力電子變換器與感應(yīng)發(fā)電機(jī)相結(jié)合的發(fā)電技術(shù)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D2所示。定子繞組通過整流器和逆變器與電網(wǎng)或者負(fù)載相連：前者工作在整流狀態(tài)，輸出一個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)子和風(fēng)力機(jī)相連，通過風(fēng)力機(jī)的升速齒輪驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子超過同步速，即可將風(fēng)力機(jī)的機(jī)械功率轉(zhuǎn)化為電功率，饋送電網(wǎng)或供給負(fù)載。對(duì)普通籠型異步電機(jī)而言，通常有如下優(yōu)缺點(diǎn)：
1.籠型異步電機(jī)因堅(jiān)固的無刷結(jié)構(gòu)，而具有機(jī)械簡單、效率高、價(jià)格低廉和維護(hù)要求低的特點(diǎn)；
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(lì)磁功率；
3.電機(jī)本體適用于大功率容量，可高達(dá)幾兆瓦，具有良好的經(jīng)濟(jì)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(jī)發(fā)電系統(tǒng)中有功和無功相耦合對(duì)系統(tǒng)性能的不利影響，進(jìn)一步發(fā)揮籠型異步電機(jī)的優(yōu)勢(shì)，美國田納西理工大學(xué)的Ojo教授于2000年提出一種新型籠型異步電機(jī)—定子雙繞組異步電機(jī)（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(diào)節(jié)勵(lì)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(chǎng)耦合。功率繞組，接有勵(lì)磁電容，通過整流橋向負(fù)載供電；控制繞組，接有電力電子變換器，用于調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)，使其在不同的工況下能穩(wěn)定運(yùn)行。
籠型異步電機(jī)在風(fēng)電中應(yīng)用廣泛，如普通籠型異步電機(jī)可用于分布式風(fēng)電場(chǎng)合；定子雙繞組電機(jī)適用于海上風(fēng)力發(fā)電等。
在分布式風(fēng)電中的適用性
我國內(nèi)陸有局部風(fēng)能分布區(qū)，分布式風(fēng)力發(fā)電具有較大市場(chǎng)。
在中小規(guī)模離網(wǎng)型、微網(wǎng)或并網(wǎng)式分布式風(fēng)力發(fā)電中，普通籠型異步電機(jī)因價(jià)格優(yōu)勢(shì)、本體堅(jiān)固和易實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電的特點(diǎn)，獲得市場(chǎng)青睞。
特別是分布式系統(tǒng)中，通常整合多種資源，進(jìn)行風(fēng)光互補(bǔ)、風(fēng)熱互補(bǔ)能源開發(fā)，本身附帶儲(chǔ)能系統(tǒng)和電力電子變換器�；\型異步電機(jī)與電力電子變換器的優(yōu)勢(shì)配合，不僅可以提供勵(lì)磁，還可以根據(jù)控制策略調(diào)控多端口（發(fā)電端、儲(chǔ)能端、用電端）的功率流動(dòng)，方便實(shí)現(xiàn)功率平衡以及自我控制、保護(hù)和管理，更可以充分發(fā)揮普通籠型異步電機(jī)性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)，從而具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競爭力。
我國海岸線長，海上風(fēng)電資源豐富，國家規(guī)劃海上風(fēng)電開采力度增強(qiáng)，為減小線損，高壓直流輸電系統(tǒng)具有一定優(yōu)勢(shì)，定子雙繞組籠型異步電機(jī)可作為其發(fā)電機(jī)[12]。 定子雙繞組籠型異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)有如下優(yōu)點(diǎn)：
1.轉(zhuǎn)子為籠型轉(zhuǎn)子，繼承普通籠型異步電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單堅(jiān)固，維護(hù)較少的特點(diǎn)；
2.定子兩套繞組相互電隔離，磁耦合，可以方便勵(lì)磁調(diào)速；
3.電機(jī)側(cè)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(jī)系統(tǒng)能夠在寬轉(zhuǎn)速全負(fù)載的工況下輸出穩(wěn)定的直流電壓，且具有優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)特性。
如圖3所示為南京航空航天大學(xué)研究的DWIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)拓?fù)洹?/p>
D W I G系統(tǒng)中，控制繞組側(cè)控制勵(lì)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(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)風(fēng)能最大功率追蹤，能夠有效地利用海上風(fēng)能豐富、風(fēng)速較高、無靜風(fēng)期的特點(diǎn)；若進(jìn)一步將控制側(cè)直流母線與功率側(cè)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(fēng)速下的風(fēng)能利用率。
在海上風(fēng)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(zhuǎn)速范圍的風(fēng)能利用率和結(jié)實(shí)可靠的轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)有很好的應(yīng)用前景。
結(jié)論
雙饋異步電機(jī)容易實(shí)現(xiàn)變速恒頻發(fā)電，可以減小電力電子設(shè)備的投入，良好的并網(wǎng)優(yōu)勢(shì)使其在大型風(fēng)電基地中應(yīng)用廣泛；普通籠型異步電機(jī)堅(jiān)固可靠，中小功率風(fēng)力發(fā)電中優(yōu)勢(shì)較為明顯，主要體現(xiàn)在免維護(hù)性和經(jīng)濟(jì)性，而定子雙繞組電機(jī)在海上高壓直流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)明顯。
我國的新能源政策與發(fā)展表明，風(fēng)力發(fā)電正進(jìn)一步走向大容量大規(guī)模海陸資源兼顧開發(fā)，異步電機(jī)因自身特性將在未來的風(fēng)能利用中得到更多應(yīng)用；高性能的異步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)離不開電力電子變換技術(shù)的支撐與發(fā)展，應(yīng)重點(diǎn)開發(fā)相關(guān)的電力電子變換裝置及其控制技術(shù)。
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