双馈型风机与直驱型风机的比较分析

双馈型风机与直驱型风机的比较分析
学号：姓名:
学院(系): 自动化学院
专业: 电气工程及其自动化
2013 年1 月
双馈型风机与直驱型风机的比较分析
1、引言
1.1风力发电的背景
风力发电是电力可持续发展的最佳战略选择。

清洁、高效成为能源生产和
消费的主流,世界各国都在加快能源发展多样化的步伐。

从20 世纪90 年代开始,世界能源电力市场发展最为迅速的已经不再是石油、煤和天然气,而是太阳能发电、风力发电等可再生能源。

世界各地都在通过立法或不同的优惠政策积极激
励、扶持发展风电技术，而中国是风能资源较丰富的国家,更需要开发利用风电技术。

技术创新使风电技术日益成熟。

目前,在发达国家风电的年装机容量以35.7%
高速度增长。

一个重要原因是各国积极以科学的发展观,采取技术创新,使风电技
术日益成熟。

目前单机容量500kW、600kW、750kW 的风电机组已达到批量商业化生产的水平,并成为当前世界风力发电的主力机型,兆瓦级的机组也已经开发出来,并投入生产试运行。

同时,在风电机组叶片设计和制造过程中广泛采用了新技术和新材料，风电控制系统和保护系统广泛应用电子技术和计算机技术,有效地提高风力发电总体设计能力和水平,而且新材料和新技术对于增强风电设备的保护功能和控制功能也有重大作用。

风力发电将能迅速缓解我国能源急需和电力短缺的局面，近两年中国出现大
面积的缺电，风能发电对于缓解缺电具有非同寻常的意义。

风电的诸多优势中，
一个重要特点是风电上马快，不像火电、水电的建设需要按年来计算，风电在有
风场数据的前提下其建设只需要以周、月来计算，即风场是可以在短时间内完成
的。

世界风电正在以33%甚至在部分国家以60%以上的增速发展，我国完全有可能以迅速发展风电的模式来解决我国燃眉之急的电力短缺。

1.2世界风电技术的发展
进入二十一世纪之后，随着现代电力电子技术的不断发展，新材料的涌现以及工艺的不断完善，世界风力发电技术又向前迈进了一大步，主要表现如下：
（1）风力发电单机容量继续稳步上升。

在风力发电领域内，“更大，更好”
在近些年中一直是所有风机研究、设计和制造商所信奉的原则之一。

为了降低风
力发电的成本，提高风电的市场竞争能力，随着现代风电技术的发展与日趋成熟，
风力发电机组的技术沿着增大单机容量、减轻单位千瓦重量、提高转换效率的方
向发展。

（2）变桨调节方式迅速取代失速功率调节方式。

失速调节方式的主要缺陷
是：风力发电机组的性能受叶片失速性能的限制，额定风速较高，在风速超过额定值时发电功率有所下降。

采用变桨调节方式能充分克服以上缺陷，故得到了迅
速的应用。

（3）变速恒频方式迅速取代恒速恒频方式。

变速恒频方式通过控制发电机
的转速，能使风力机的叶尖速比(tip speed ratio)接近最佳值，从而最大限度的利用风能，提高风力机的运行效率。

（4）无齿轮箱系统的市场份额迅速扩大。

齿轮传动不仅降低了风电转换效
率和产生噪音，是造成机械故障的主要原因，而且为减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护。

采用无齿轮箱的直驱方式虽然提高了电机的设计成本，但却有效的
提高了系统的效率以及运行可靠性。

近几年直接驱动技术在风电领域得到了重视，这种风力发电机组采用多极发电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，从而免去了齿轮箱这一传统部件，由于其具有很多技术方面的优点，特别是采用永磁发电机技术，其可靠性和效率更高，处于当今国际上领先地位，在今后风电机组发展中将有很大的发展空间。

2、双馈式系统
2.1双馈风力发电系统
双馈式发电机是变速运行风电系统的一种，其模型如图1．1所示，包括风力机、齿轮箱、感应发电机、PWM变频器和直流侧电容器等。

双馈机的定子与电网直接连接，转子通过两个变频器连接到电网，机组可在较大速度范围内运行，与电网之间实现能量双向传输。

当发电机运行在超同步速度时，发电机定子和转子同时向电网输送能量；而当运行在亚同步速度时，电网通过变频器向转子输送功率。

直流侧电容器的作用是维持直流母线电压恒定。

与恒速风力机不同，其功率控制方式为变桨距控制，即桨叶节距角随着风速的改变而改变，从而使风力机在较大范围内按最佳参数运行，以提高风能利用率。

当风速增大到额定值以上时，
叶片与轮毂问的轴承机构转动使叶片桨距角增大，攻角减小，从而减小翼型的升力，达到控制风力机叶片的扭矩和限制风机捕获的功率。

图1．1双馈式风力发电机结构图
双馈式风力发电系统是目前世界各国风力发电的研究热点之一，我国已有部分地区的风力发电场开始使用这种发电系统。

相对于传统的恒速发电系统其性能优势体现在：(1)降低输出功率的波动和机组的机械应力；(2)不需要无功补偿装置；
(3)可以追踪最大风能，提高风能利用率；(4)控制转子电流就可以在大范围内控制电机转差率、有功功率和无功功率，提高系统的稳定性；(5)在转子侧控制功率因数，可提高电能质量；(6)变频器容量仅占发电机额定容量的25％左右，与其它全功率变频器相比大大降低变频器的损耗及投资。

因此，目前的大型风力发电机组一般是这种变桨距控制的双馈式风力机，但其主要缺点在于控制方式相对复杂，机组价格昂贵。

2.1.1双馈风力发电系统概述
图1．2双馈风力发电系统结构示意图
变速恒频双馈风力发电系统结构如图1．2所示。

系统主要有以下部分组成：风能捕获装置(风机)、机械传动机构、双馈发电机组、背靠背变流器以及网侧变压器。

可以看出，变速恒频双馈风力发电系统中背靠背变流器包括转子侧变
流器与网侧变流器两部分组成，直流侧电容位于两个变流器之间，以保持直流侧电压的稳定。

转子侧变流器不但可以控制双馈电子的转矩与转速，而且可以
控制双馈电子定子侧并网功率因数；网侧变流器的主要作用则是维持直流侧电
压的稳定。

从双馈电机转速一转矩特性曲线图1．3可以看出，双馈电机在同步转速烈的+Aco,速度范围内，既可以做电动运行，又可以做发电运行，双馈风力发电系统通常在±30％的同步转速的范围内实现有界的变速运行。

1．3双馈电机转速一转矩特性
绕线式双馈风力发电系统运行过程为：额定风速以下时，通过变流器来控
制发电机转子的电磁转矩，控制系统转速跟随风速变化，使其运行在最优叶尖速比名状态下，从而可以捕获最大风能；当风速高于额定风速时，通过变桨距机构调节风机桨距角，使其捕获恒定风能，限制了系统功率的增加，提高传动
系统柔性，使功率输出平稳。

综上所述，变速恒频双馈风力发电系统由于其可以在保证输出电能幅值和
频率均恒定的条件下，通过调节双馈发电机组的运行转速使其捕获到最大风能
并能通过变桨距机构保证其功率捕获不会无限增加，因此得到广泛的应用。

2.1.2双馈风力发电风机运行工况
下面将变速恒频双馈风力发系统风机运行状况予以简单介绍,
如图1．4所示，正常情况下风机的运行特性可以划分
为四段，即四种运行模式：
图1．4风力发电机不同运行模式下的功率曲线
模式I(A～B)：当风速较低，在切入风速附近时，此时相应的双馈电机的转速也较低。

此模式下为了使发电机转速运行较为平稳，在该模式中风机通常保持恒速运行。

模式II(B～C)：此模式中风机及发电机组的旋转速度在最小速度与额定速度之间，为了最大限度的利用风能，在此模式中通常采用最大功率点跟踪控制技术，维持风机运行在最佳叶尖速比上，并获取最大风能利用系数，以提高风力发电的效率。

模式III(C～D)：在此模式下，由于风机所设计的机械强度、容许的噪声以及变流器的容量等因素的限制，通常需要对风力发电机的运转速度进行限制。

风机和发电机组的转速被限制在额定转速，即恒速运行，此时由于风速的上升风机的转矩将继续上升，进而使其捕获的功率也在上升，发电机组发出的功率也在增加。

模式IV(D～E)：随着风速的进一步增大，风机的输出功率将继续上升，但是由于风机和变流器等装置的机械、电气特性限制，在风速较大时通常需要对风机所捕获功率进行限制，在这一过程中风机的转速依然保持不变，因此需要调节桨距角进行配合控制以实现对风机捕获功率的限制。

在此模式下，由于风机转速不变，因此随着风速的增加风机的叶尖速比A在减小，再配合桨距角的增加使得风机的风能利用系数C，将逐渐降低，从而起到限制风机捕获功率的作用。

2.2.1双馈异步电机
图1．5绕线转子型异步双馈电机
图1.25的风力发电系统由双馈异步电机构成，定子绕组直接连接到电网，转子侧变流器过四象限运行背靠背双PWM 变流器连接到电网，可以使用晶闸管变流器，但是它们有一定的性能限制。

通常，转子侧变流器调节调节电磁转矩，提供部分无功功率用于维持电机磁场。

另外，通过电源侧变流器调节直流连接电压。

与同步电机相比，使用双馈电机有以下优点：
（1）减小了逆变器损失，因为逆变器功率只需为整个系统总功率的1/4，这是因为变流器只需要控制转子滑差功率。

（2）减小逆变器和电磁噪声滤波损失。

（3）在外部扰动下，双馈电机具有更好的鲁棒性和可靠性。

双馈电机的缺点就是使用滑环，需要定期维修，这极为不方便，尤其是用于海上风力发电时。

2.2.2无刷双馈发电机
系统如图1.6 所示，采用的发电机为无刷双馈发电机。

其定子有两套极数不
同的绕组，一个称为功率绕组，直接接电网；另一个称为控制绕组，通过双向变
频器接电网，如图 1.6 所示。

（定子绕组也可只有一套绕组，但需有 6 个出线端，3 个为功率端口，接工频电网；另外 3 个出线端为控制端口，通过变频器接电网）。

其转子为笼型或磁阻式结构，无需电刷和滑环，转子的极数应为定子两个绕组极对数之和。

图1．6无刷双馈风力发电系统
这种无刷双馈发电机定子的功率绕组和控制绕组的作用分别相当于交流励磁
双馈发电机的定子绕组和转子绕组，因此，尽管这两种发电机的运行机制有着本
质的区别，但却可以通过同样的控制策略实现变速恒频控制。

尽管这种变速恒频控制方案是在定子电路实现的，但流过定子控制绕组的功率仅为无刷双馈发电机
总功率的一小部分，因此图 1.6 中所示的双向变频器的容量也仅为发电机容量的一小部分。

这种采用无刷双馈发电机的控制方案除了可实现变速恒频控制，降低变频器
的容量外，还可实现有功、无功功率的灵活控制，对电网而言可起到无功补偿的作用，同时发电机本身没有滑环和电刷，既降低了电机的成本，又提高了系统运
行的可靠性。

风力发电系统还可以采用其他电机，变磁阻电机，双速异步电机，但是它们
的技术目前还不够成熟，需要进一步的研究开发。

3、直驱电机
3.1直驱式风力发电系统
直驱式风力发电系统的风力机与发电机转子直接耦合，所以发电机的输出端电压、频率随风速的变化而变化。

要实现风力机组并网，需要保证机组电压的幅值、频率、相位、相序与电网保持一致。

在该风力发电系统中，采用风力机直接驱动低速永磁同步交流电机产生电能。

使用直接驱动技术，在风力机与交流发电机之间不需要安装升速齿轮箱，因而减少了维修周期，降低由于齿轮箱造成的噪声污染，在低风速时具有更高的效率。

该系统中的低速交流发电机的转子极数远多于普通交流同步发电机的极数，因此这种电机的转子外圆及定子内径尺寸大大增加，而其轴向长度则相对很短，呈圆盘形状，为了简化系统的控制结构，减小发电机的体积和质量，采用永磁电机是具有较大的优势。

直驱式永磁同步风力发电系统结构示意图如图l一7所示。

图1．7直驱式永磁同步风力发电系统
风电系统将发电机发出的全部交流电经整流／逆变装置转换后并入电网，因此需要采用大功率的电力电子器件。

IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)是一种结合大功率晶体管及功率场效应晶体管两者特点的复合型电力电子器件，既具有工作速度快，驱动功率小的优点，又兼有大功率晶体管的电流能力大，导通压降低的优点。

直流环节并有一大电容，可维持母线电压恒定。

该风力发电系统具有以下优点：(1)永磁同步发电机具有结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高、可靠性高的特点。

该系统中的永磁同步发电机是低速电机，它能与风力机很好的匹配，风力机可以和永磁发电机直接耦合，省去了其它风力发电系统中的增速箱，使机组结构大大简化，减少发电机的维护工作并且降低噪声；(2)该方案在一定程度上实现了系统的解耦控制，提高系统运行可靠性；可以独立设计逆变器部分。

其缺点就是需要两个全功率电力变换器，但比起升速系统所采用的升速齿轮箱结构，该系统的应用，应该还是以后风电领域的一个趋势。

如Enercon公司生产的2MW系列型号E一82采用变速变桨距无齿轮直接驱动技术。

3.1.1直驱系统概述
直驱系统机型中，DDEESG需要通过滑环和电刷实现对电机转子绕组电流的控制，而滑环和电刷存在滑动接触，长期运行故障率较高，同时DDEESG系统中发电机庞大的体积和重量也严重制约其推广，因此当前除Enercon公司装机的直驱型机组有DDEESG机型外，其它直驱系统均采用了DDPMSG类型。

直驱系统的研究始于20多年前，但由于电气技术和成本等原因，发展较慢。

随着近几年半导体器件和永磁材料制造技术的发展，其优势才逐渐凸现。

德国西门子公司开发的(直驱式)无齿轮同步发电机安装在当时世界最大的挪威风力发电场，最高效率达98％。

2000年，ABB公司成功研制了巨型可变速风力发电机组，其中包括永磁式转子结构的高压风力发电机Windformer，容量3兆瓦、高约70米、风扇直径约90米。

2003年，日本三菱重工首度完全自行制造的2兆瓦型号为MWT-S2000型风力发电机，在Okinawa电力公司开始试运行，机组采用小尺寸的变速无齿轮永磁同步电机，新型轻质叶片。

当前，虽然采用DDPMSG的风机厂商数量仍然不多，但发货量却占总装机的比例不断上升，2007年新增风电机组中，直驱系统已占15％。

目前较知名的直驱整机供应商有三家，分别为：①Enercon公司，最近几年其出货量均为全球前5名；②Vensys也是国内比较熟悉的厂商，金风科技引进的就是它的1．2Mw型，其主流机型有1．2MW和1．5MW各两款；③Clipper公司，近两年在美国的发展势头相当迅猛，其主力2．5MW机组有89／93／96／99四种机型，内装4
台永磁同步发电机，绝缘级别H，冷却方式为空冷，若其中一个故障，仍可连续运行，可靠性很好洲。

国内，多家企业也开始进军DDPMSG领域，最为著名的便是具有自主知识产权的新疆金风科技股份公司DDPMSG系列，其国内年装机容量始终排在前两名，其它如湘潭电机集团与日本原弘产株式会社合资组建(2007年改为湘电集团独资)的湖南湘电风能有限公司，其2兆瓦DDPMSG机型早在2007年便已试机成功，当前也已大批量装机；广西银河艾万迪斯风力发电有限公司与德国A V A VTIS公
司联合推出的2．5兆瓦的PMSG也于2008年二季度完成样机：山东瑞其能、山东鲁科、江西麦德、力德风力发电(江西)有限责任公司等也分别研制出1．5
兆瓦永磁同步直驱型风力发电机等。

3.1.1直驱系统的基本理论和主要部件介绍
直驱系统主要由风力机(这里概括为：叶片、轮毂、导航罩)、变桨机构、机舱、塔筒、偏航机构、永磁同步发电机、风速仪、风向标、变流器、风机总控系统等组成。

就空间位置而言，交流器和风机总控系统一般放在塔筒底部，其余主要部件均位于塔顶。

系统中能量传递和转换路径为：风力机把捕获的流动空气的动能转换为机械能，直驱系统中的永磁同步发电机把风力机传递的机械能转换为频率和电压随风速变化而变化的不控电能，变流器把不控的电能转换为频率和电压与电网同步的可控电能并馈入电网，从而最终实现直驱系统的发电并网控制。

图1．8为一种典型直驱系统主要部件在空间位置上的总体布局，图中叶片装在导航
罩上。

图1．8典型直驱风力发电系统结构总体布局
4、总结
双馈型风电机组中, 变流器容量为机组容量的1/3-1/2, 系统成本控制上有竞争力, 在风力发电中获得应用, 2001年起, 其市场占有率超过恒速恒频机组, 成为大功率并网发电主流机型。

但实际应用暴露许多问题, 一是齿轮箱造价昂贵,漏油问题难以解决, 影响风能转换效率和系统可靠性; 二是双馈电机滑环和电刷必须定期检修, 后期维护工作量大, 机组可靠性低。

相比之下, 直驱型风电机组具有发展潜力。

在直驱型机组中, 多极永磁同步电机
转速低, 可与风力机直接相连, 无需升速, 机组噪声低、能量转换效率高; 其次, 发电机运行效率高, 不存在滑环和电刷, 可显著提高机组可靠性; 再者, 发电机通过全功率变流装置接入电网, 可适应电网波动, 网侧功率控制灵活。

当然, 直驱型机组也有电机极数多、体积大、造价高、全功率变流装置成本高等问题, 但由于省去齿轮箱、滑环和电刷等薄弱环节, 系统整体效率、并网功率控制灵活性和可靠性显著提高。

因此, 直驱型风电机组得到科技人员广泛关注, 成为风力发电技术最具潜力的发展方向。

纵观风力发电系统研究状况, 变速风力发电方式中, 双馈异步风电机组具有结构简单、变换器功率小的特点, 但它依赖电网无功励磁运行, 发电机效率不高、电机控制较复杂且需要配置升速齿轮箱, 噪音大、效率低、对环境要求高、维护工作量大、适应风速范围窄, 目前主要因为其变换器功率小, 在特大型风电机组中仍有采用。

对于直驱式风力发电系统, 由于风力机与多级永磁同步电机直接相连, 机械传动效率及系统可靠性高, 其变流机组为电机侧被动整流、网侧主动整流及电机侧和网侧均为主动整流的两种拓扑结构, 随着技术进步及电力电子器件成本的降低,
双主动整流凭借其优越的动态性能将得到广泛应用。