異步發電機在風力發電中的應用

王龍 黃文新

摘要：風力發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電系統具有良好的應用前景。本文介紹了我國風力產業的現狀與發展展望，分析了籠型異步電機和繞線型異步電機在大型風電基地、海上發電和離網式應用中的優勢。本文網絡版地址：http：//www. eepw.com.cn/article/164381.htm

關鍵詞：風力發電；異步電機；籠型；繞線型；離網式

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.002

為了緩解能源危機、環境污染和發展低碳經濟，人們越來越重視新能源與可再生能源的應用。其中，風力發電是新能源技術中最成熟、最具規模開發條件和商業化發展最強勁的發電方式之一[1-2]。

據中國風能協會發布的《2012年中國風電裝機容量統計》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（東北、華北、西北）、沿海及海上風能豐富區以及內陸局部風能分布區[1-3]。而風力發電本身也顯示出由小規模向大規模、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展趨勢。

實際風能利用中，電勵磁同步機在并網時，會因風速的不穩定性造成功率的沖擊，不利于發電機和整個系統的安全穩定運行，因此不能用于齒輪驅動的直接并網風力發電系統；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發電，還有永磁材料容量和強度的限制[4-5]。根據轉子結構不同，一般可將異步電機分為繞線式和鼠籠式兩種。籠型異步電機方便變極，是最早應用的可直接并網的風力發電機；繞線式異步電機即雙饋電機，在背靠背變流器的控制下，可大范圍變速并網運行。因此，異步電機在國內外風力發電領域中具有明顯的應用優勢。

本文將結合風力發電的發展背景，對異步電機在風電場合的應用優勢進行說明，并指明高性能的異步電機風力發電系統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，如雙饋異步發電機（DFIG）和OptiSlip感應發電機（OSIG）等。其中，DFIG在我國風電中應用較多。雙饋異步發電機定子繞組直接連接定頻三相電網，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。在超同步發電狀態，發電機的轉速變化時，可通過電力電子背靠背變換器調節轉子頻率使定子頻率與電網頻率相同，實現轉子側和定子側同時向電網饋電與變速恒頻發電控制。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，無須從電網勵磁，而從轉子電路中勵磁；

3. 不可避免的要使用滑環和電刷。

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電機提供勵磁，其缺點是無法連續調壓，只能離散地調節勵磁。隨著電力電子技術的飛速發展，利用可控開關功率器件組成的電力電子變換器可以產生連續可調的無功功率，從而替代傳統的單獨的電容勵磁，使得電力電子變換器與感應發電機相結合的發電技術得到了迅速的發展。

如基于背靠背變換器的并網型異步風力發電系統，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或者負載相連：前者工作在整流狀態，輸出一個穩定的直流電壓；后者工作在逆變狀態，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，饋送電網或供給負載。對普通籠型異步電機而言，通常有如下優缺點：

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.可適用于恒速發電和變速發電，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，具有良好的經濟性；

4.有功和無功相耦合，影響系統性能。

為克服普通籠型異步電機發電系統中有功和無功相耦合對系統性能的不利影響，進一步發揮籠型異步電機的優勢，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，一套為調節勵磁的控制繞組，除容量不同外，它們的極數及繞組形式一樣，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，用于調節發電機內部磁場，使其在不同的工況下能穩定運行。

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，分布式風力發電具有較大市場。

在中小規模離網型、微網或并網式分布式風力發電中，普通籠型異步電機因價格優勢、本體堅固和易實現變速恒頻發電的特點，獲得市場青睞。

特別是分布式系統中，通常整合多種資源，進行風光互補、風熱互補能源開發，本身附帶儲能系統和電力電子變換器。籠型異步電機與電力電子變換器的優勢配合，不僅可以提供勵磁，還可以根據控制策略調控多端口（發電端、儲能端、用電端）的功率流動，方便實現功率平衡以及自我控制、保護和管理，更可以充分發揮普通籠型異步電機性價比高的優勢，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，國家規劃海上風電開采力度增強，為減小線損，高壓直流輸電系統具有一定優勢，定子雙繞組籠型異步電機可作為其發電機[12]。

定子雙繞組籠型異步電機的結構有如下優點：

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額定輸出容量的1/3左右；

4.在合適的控制策略下，發電機系統能夠在寬轉速全負載的工況下輸出穩定的直流電壓，且具有優良的動靜態特性。

如圖3所示為南京航空航天大學研究的DWIG風力發電系統相關拓撲。

D W I G系統中，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；系統可以在寬轉速下實現風能最大功率追蹤，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，通過控制策略可提高系統在低風速下的風能利用率。

在海上風力發電高壓直流輸電系統中，定子雙繞組發電系統優良的控制性能、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變速恒頻發電，可以減小電力電子設備的投入，良好的并網優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，中小功率風力發電中優勢較為明顯，主要體現在免維護性和經濟性，而定子雙繞組電機在海上高壓直流風力發電系統中優勢明顯。

我國的新能源政策與發展表明，風力發電正進一步走向大容量大規模海陸資源兼顧開發，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電系統離不開電力電子變換技術的支撐與發展，應重點開發相關的電力電子變換裝置及其控制技術。

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