异步发电机在风力发电中的应用

　　摘要：风力发电是当今新能源应用的重要方向。包含异步电机和电力电子变换器的风力发电系统具有良好的应用前景。本文介绍了我国风力产业的现状与发展展望，分析了笼型异步电机和绕线型异步电机在大型风电基地、海上发电和离网式应用中的优势。

　　引言

　　为了缓解能源危机、环境污染和发展低碳经济，人们越来越重视新能源与可再生能源的应用。其中，风力发电是新能源技术中最成熟、最具规模开发条件和商业化发展最强劲的发电方式之一^[1-2]。

　　据中国风能协会发布的《2012年中国风电装机容量统计》显示，我国累计安装风电机组53764台，装机容量75324.2MW。其中，风力资源主要集中在“三北”地区(东北、华北、西北)、沿海及海上风能丰富区以及内陆局部风能分布区^[1-3]。而风力发电本身也显示出由小规模向大规模、小容量向大容量、恒速恒频向变速恒频、单一陆地向海陆兼顾的发展趋势。

　　实际风能利用中，电励磁同步机在并网时，会因风速的不稳定性造成功率的冲击，不利于发电机和整个系统的安全稳定运行，因此不能用于齿轮驱动的直接并网风力发电系统;永磁式同步电机效率较高，只能通过整流逆变的变速恒频的方式并网发电，还有永磁材料容量和强度的限制^[4-5]。根据转子结构不同，一般可将异步电机分为绕线式和鼠笼式两种。笼型异步电机方便变极，是最早应用的可直接并网的风力发电机;绕线式异步电机即双馈电机，在背靠背变流器的控制下，可大范围变速并网运行。因此，异步电机在国内外风力发电领域中具有明显的应用优势。

　　本文将结合风力发电的发展背景，对异步电机在风电场合的应用优势进行说明，并指明高性能的异步电机风力发电系统离不开电力电子技术的支撑。

　　绕线型异步电机与风电

　　绕线型异步电机概述^[5-8]

　　绕线型异步电机的转子可与外部连接，如双馈异步发电机(DFIG)和OptiSlip感应发电机(OSIG)等。其中，DFIG在我国风电中应用较多。双馈异步发电机定子绕组直接连接定频三相电网，转子外连电力电子变流器，以控制转子的电气特性，如转子电压和频率。在超同步发电状态，发电机的转速变化时，可通过电力电子背靠背变换器调节转子频率使定子频率与电网频率相同，实现转子侧和定子侧同时向电网馈电与变速恒频发电控制。其基本拓扑如图1所示。

　　绕线型双馈异步电机的结构带来的优缺点如下：

　　1. 流过转子电路中的功率为转差功率，一般只有发电机额定功率的1/4~1/3;
　　2. 可控制无功功率，通过独立控制转子励磁电流来解耦有功和无功功率，无须从电网励磁，而从转子电路中励磁;
　　3. 不可避免的要使用滑环和电刷。

　　在大型风电基地中的适用性

　　大型风电场中，如我国“三北”地区，按照集中建设的开发方式，建造千兆千瓦大型风能基地，将多台并网型风力发电机组按照地形和主风向排成阵列，组成机组群向电网供电，是大规模利用风能的有效方式^[5~6]。

　　然而，风电场容量的增加，使风电并网对大电网系统的影响加大，也对电网潮流与网损、电能质量和稳定性等提出新的问题^[9]。

　　DFIG在大型并网风电基地中的优势有：

　　1. 采用矢量控制可使风电系统实现最大风能追踪和有功、无功解耦，易于调节，有助于电网的计划和调度;
　　2. 变流器的容量较小，使系统成本降低，易实现变速恒频发电，风能利用率高，变流器的优良特性也有助于减小输出电压谐波，提高电能质量;
　　3. 定子直接连接在电网上，在电网故障期间可提供持续的短路电流，有助于系统的稳定性和抗干扰性;
　　4. 风电并网时，可通过对转子电流的控制实现电压匹配、同步和相位的控制，并网时基本无电流冲击。