異步發電機在風力發電中的應用

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（diàn）子變（biàn）換器（qì）的風力發電係統具有良好的應用前景。本文（wén）介紹了我國風力產業的（de）現狀與發展展（zhǎn）望，分析了籠型（xíng）異步電機和繞線型異步電機在大（dà）型風電基地、海上發電和離網式應用中的優勢。

　　為了緩解能（néng）源危機（jī）、環境汙染和發展低碳經濟，人們越來越重視新能源與可再生能源的應用。其（qí）中，風力發電是新能源技術中最成熟、最（zuì）具規模開發條件和商業化發展最強勁的（de）發電方式之一。
　　據中國（guó）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台，裝機容量75324.2MW。其中，風力（lì）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（fēng）能分布區（qū）。而風力發電本身也顯示出由小規模（mó）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（cí）同步機在並網（wǎng）時，會因風速的不（bú）穩定（dìng）性造成功率的衝擊，不利於發電機和整個（gè）係統（tǒng）的安全穩定運（yùn）行，因此不能用於齒輪驅動的直接並網風力發電係統；永磁式同步電機效率較高（gāo），隻能（néng）通過整流逆變的變速恒頻的方式並網發（fā）電，還有（yǒu）永磁材料容量和（hé）強度的限製。根據轉子結構不同，一般可將異（yì）步（bù）電機分為繞線式和（hé）鼠籠式兩種。籠型異步電機方便變極，是最早應用的可直接並網的風力（lì）發電機；繞線式異步（bù）電機即雙饋電機，在背靠（kào）背變（biàn）流（liú）器的控製下，可大範圍變速並網（wǎng）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（běn）文將結合風（fēng）力發（fā）電的發展背景，對異步電機（jī）在風電場合的應用優（yōu）勢進行（háng）說明，並指明（míng）高（gāo）性能（néng）的（de）異步電機風力發電係統離不開電力電子技（jì）術（shù）的支撐。
　　繞線型（xíng）異步電機概述
　　繞線型異步電機的轉子可與外（wài）部連（lián）接，如（rú）雙饋異步（bù）發電機（DFIG）和OptiSlip感應發電機（OSIG）等。其中，DFIG在我（wǒ）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，轉子外連電力電子變流器，以（yǐ）控製轉（zhuǎn）子的電氣特性，如轉子電壓和頻率。在超同步發電狀態，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（jiē）轉子頻率使定子頻率（lǜ）與電網頻率相同，實（shí）現轉子側和定子側同時向電網饋電與變速恒頻發電控製（zhì）。
　　繞線型雙饋異步電機的結構帶來的優缺點（diǎn）如下：
　　1. 流過轉子電路中的功率為轉差功率，一般隻有發電機額定功率的1/4～1/3；
　　2. 可控製無功功率（lǜ），通過獨立控製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（zhuǎn）子電路（lù）中（zhōng）勵磁；
　　3. 不可避（bì）免的要使用滑環和電刷（shuā）。
　　在大型風電基地（dì）中的適用性
　　普通籠型異（yì）步電機的定子由鐵心和定子繞組組（zǔ）成，轉子采用籠型結構。早期的異（yì）步發電機首先（xiān）要解決的（de）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（róng）器給籠型感應發電機提供勵磁（cí），其缺（quē）點是無法連續調壓，隻能離散地調節勵磁。隨著電力電（diàn）子技術的飛速發展，利用可控開關功率器件（jiàn）組成的電（diàn）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（yǔ）感應發電機相結合的發電（diàn）技術得到了迅速（sù）的發展。
　　如（rú）基於背靠背變換器的並（bìng）網型異步（bù）風力發電係（xì）統，其結構拓。定子繞組通過整流器和逆變（biàn）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（liú）電壓；後者工作在逆（nì）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（shēng）速齒輪驅動轉子超過同步速，即可將風力機的機械功率（lǜ）轉化為電功率，饋送電網或供給負載（zǎi）。對普（pǔ）通籠型異步電機而言，通常有如下優缺點：
　　1.籠型異步電（diàn）機因堅固的無刷結（jié）構，而具（jù）有機械簡單、效率高、價格低廉和維護要求（qiú）低的（de）特點；
　　2.可適用於恒速發電和變速（sù）發電，可通過電力電子變換器獲得無功勵（lì）磁功率；
　　3.電機本體適用於大（dà）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（gōng）相耦合，影響係統性能。
　　為克服（fú）普通（tōng）籠型異步電機發電係統中有功和無功相耦合對（duì）係統性能的不（bú）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教授於2000年提出（chū）一（yī）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製繞組，除容量不同外，它們的極數（shù）及（jí）繞組形式一樣，且在電氣（qì）上沒有直接連接，僅通過（guò）磁場耦合。功率繞組，接有勵（lì）磁電容，通過整流橋向負載供電；控製繞組（zǔ），接有電力（lì）電（diàn）子變換器，用於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（diàn）中應用廣泛（fàn），如普通籠型異步電機可用於分布式風電（diàn）場合（hé）；定子雙繞組電（diàn）機適用（yòng）於海上風力發電等。
　　在分布式風電中的適用性（xìng） 我國內陸（lù）有局部風能分布區（qū），分布式風力發電具有（yǒu）較大市場（chǎng）。
　　在中小規模離網型、微網或並網式分布式風（fēng）力發電中，普通籠型（xíng）異步電機因價格（gé）優（yōu）勢、本體堅固和易實現變速恒頻發電的特（tè）點，獲得市場青睞。
　　特別是分布（bù）式係統中，通常整（zhěng）合多種資源，進行風（fēng）光（guāng）互補（bǔ）、風熱互補能源開發，本（běn）身附帶儲能係統和電力電子變換器。籠型（xíng）異步電機與電力電子變換器的優勢配合，不僅可以（yǐ）提（tí）供勵磁，還可以根據控製策略調控多端口（kǒu）（發電端、儲能端、用電端）的功率流動（dòng），方便實現功率平衡以及自我（wǒ）控製、保護（hù）和管理，更可以充分發（fā）揮普（pǔ）通籠型（xíng）異步電機性價比高的優勢，從而具有（yǒu）更強的（de）市場競爭力。
　　我國海岸線長，海上風電資源豐富，國（guó）家規劃海上（shàng）風電開采力度增強，為減小線損，高壓（yā）直流輸電係統具有一定優勢，定子雙繞組籠型異步電機（jī）可作為其發電機。
　　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（zǐ），繼承普通籠型異步電機結構簡（jiǎn）單堅固，維護較少的（de）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係統額定輸出容量的1/3左右；
　　4.在合適的控製策略下，發電機係統能夠在寬轉（zhuǎn）速全負載的工（gōng）況下輸出穩定（dìng）的直流電壓（yā），且具有優良的動靜態特性。
　　DWIG係統中，控（kòng）製繞組側控製（zhì）勵磁，功（gōng）率繞組輸出整流（liú）後的直流電能，適用於高壓直流輸電係統；係統可以在寬轉速下實現風能最大功（gōng）率追蹤，能夠有效地（dì）利用海上風能豐富、風速較高、無靜風期的特點（diǎn）；若進一步（bù）將控製側直流母線與功率（lǜ）側（cè）直流母（mǔ）線通過二極管並聯（lián），通過控製策略可提高係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係統中，定子雙繞組發電（diàn）係統優良的控製性能、寬轉速範圍的風能利用率和結實可靠的轉子設計有很好的應（yīng）用前景。
　　結（jié）論
　　雙饋異步電機容易實現變速恒（héng）頻發（fā）電，可以（yǐ）減小電力電（diàn）子設備（bèi）的投入，良好的並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（zhōng）小功率風力發電中優勢較為明顯，主要體現（xiàn）在免維護（hù）性和經濟性，而定子雙繞（rào）組電機在海上高壓直流風力發電係統中優勢明顯。
　　我國的新能源政策與發展表明（míng），風（fēng）力發電正進一步（bù）走向大容量大規模海陸資源兼（jiān）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（yīng）用；高性能的異步風力發電（diàn）係統（tǒng）離不開電力電子變換技（jì）術的支撐與發（fā）展，應重點開發相關的電力電子變換裝置及其控製技術。
以上（shàng）由發（fā）電機組租賃為您提供。
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