异步发电机在风力发电中的应用

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。

双馈异步电机也可在海上大规模风电场应用，通常需要配合高压交流输电系统。

随着双馈异步电机为主体的大型风力发电机组容量不断加大，提高DFIG应对电网故障的能力日益重要，如低电压穿越技术等。

笼型异步电机与风电

笼型异步电机概述[10-11]

普通笼型异步电机的定子由铁心和定子绕组组成，转子采用笼型结构。早期的异步发电机首先要解决的问题是电机自励建压的问题，如在输出端连接适当大小的电容器给笼型感应发电机提供励磁，其缺点是无法连续调压，只能离散地调节励磁。随着电力电子技术的飞速发展，利用可控开关功率器件组成的电力电子变换器可以产生连续可调的无功功率，从而替代传统的单独的电容励磁，使得电力电子变换器与感应发电机相结合的发电技术得到了迅速的发展。

如基于背靠背变换器的并网型异步风力发电系统，其结构拓扑如图2所示。定子绕组通过整流器和逆变器与电网或者负载相连：前者工作在整流状态，输出一个稳定的直流电压;后者工作在逆变状态，输出恒频恒压的交流电。

将电机转子和风力机相连，通过风力机的升速齿轮驱动转子超过同步速，即可将风力机的机械功率转化为电功率，馈送电网或供给负载。对普通笼型异步电机而言，通常有如下优缺点：

1.笼型异步电机因坚固的无刷结构，而具有机械简单、效率高、价格低廉和维护要求低的特点;

2.可适用于恒速发电和变速发电，可通过电力电子变换器获得无功励磁功率;

3.电机本体适用于大功率容量，可高达几兆瓦，具有良好的经济性;

4.有功和无功相耦合，影响系统性能。

为克服普通笼型异步电机发电系统中有功和无功相耦合对系统性能的不利影响，进一步发挥笼型异步电机的优势，美国田纳西理工大学的Ojo教授于2000年提出一种新型笼型异步电机—定子双绕组异步电机(DWIG)，其定子上布置了两套绕组，一套为输出电能的功率绕组，一套为调节励磁的控制绕组，除容量不同外，它们的极数及绕组形式一样，且在电气上没有直接连接，仅通过磁场耦合。功率绕组，接有励磁电容，通过整流桥向负载供电;控制绕组，接有电力电子变换器，用于调节发电机内部磁场，使其在不同的工况下能稳定运行。

笼型异步电机在风电中应用广泛，如普通笼型异步电机可用于分布式风电场合;定子双绕组电机适用于海上风力发电等。

在分布式风电中的适用性

我国内陆有局部风能分布区，分布式风力发电具有较大市场。

在中小规模离网型、微网或并网式分布式风力发电中，普通笼型异步电机因价格优势、本体坚固和易实现变速恒频发电的特点，获得市场青睐。

特别是分布式系统中，通常整合多种资源，进行风光互补、风热互补能源开发，本身附带储能系统和电力电子变换器。笼型异步电机与电力电子变换器的优势配合，不仅可以提供励磁，还可以根据控制策略调控多端口(发电端、储能端、用电端)的功率流动，方便实现功率平衡以及自我控制、保护和管理，更可以充分发挥普通笼型异步电机性价比高的优势，从而具有更强的市场竞争力。

在未来，(风、光等)多资源整合是一大趋势，笼型异步发电系统或将发挥更大优势。

在海上风电的适用性

我国海岸线长，海上风电资源丰富，国家规划海上风电开采力度增强，为减小线损，高压直流输电系统具有一定优势，定子双绕组笼型异步电机可作为其发电机[12]。

定子双绕组笼型异步电机的结构有如下优点：

1.转子为笼型转子，继承普通笼型异步电机结构简单坚固，维护较少的特点;

2.定子两套绕组相互电隔离，磁耦合，可以方便励磁调速;

3.电机侧的变换器容量为系统额定输出容量的1/3左右;

4.在合适的控制策略下，发电机系统能够在宽转速全负载的工况下输出稳定的直流电压，且具有优良的动静态特性。

如图3所示为南京航空航天大学研究的DWIG风力发电系统相关拓扑。