双馈异步风力发电机组与 永磁直驱风力发电机组性能的比较分析

酒泉职业技术学院毕业设计（论文）
2011级风能与动力技术专业
题目：双馈异步风力发电机组与永磁直驱
风力发电机组性能的比较分析
毕业时间：二〇一四年六月
学生姓名：闫英伟
指导教师：张振伟
班级：11级风能与动力技术(3)班
2013年10月31日
目录
摘要 (1)
一、风力发电的起源与发展 (1)
（一）风力机的起源与发展 (1)
（二）风力发电机组的类型 (2)
二、双馈异步发电机组 (2)
（一）双馈异步发电机组结构图 (2)
（二）双馈异步发电机组齿轮箱结构 (4)
（三）双馈异步风力发电机组的优点 (5)
三、永磁直驱式风力发电机 (5)
（一）永磁直驱式风力发电机组结构图 (5)
四、两种风力发机组的性能分析比较 (9)
（一）两种机型设计结构的差异 (9)
（二）两种机型性能优越性比较 (9)
五、吊装难易及运行维护 (13)
（一）从低风速下的运行情况 (14)
（二）从故障维修方面 (14)
六、总结 (14)
参考文献: (15)
致谢 (16)
双馈异步风力发电机组与
永磁直驱风力发电机组性能的比较分析
摘要：目前大型风力发电机组中的发电机主要有：永磁发电机、同步发电机、异步发电机几种类型。

Sewind产品中的双馈异步发电机，就是异步发电机的一种。

在风力发电机组的各个组成部分中，发电机是最重要的环节之一，也是我国风力发电机组设计方面的一个难题。

关于齿轮箱的简易设计；风机的励磁效果等都是备受关注的问题。

今天就世界上普遍使用的两种风力发电机组，永磁直驱风力发电机组和双馈异步风力发电机组的性能比较分析，来从中展望未来市场的主导风力机机型。

关键词：永磁直驱；双馈异步；励磁；齿轮箱
一、风力发电的起源与发展
（一）风力机的起源与发展
风力机最早出现在三千年前,当时主要用于碾米和提水。

第一台水平轴式风力机出现在十二世纪。

现在市场上有一种误解，即直驱技术是一种新兴的技术，而双馈技术是传统的技术。

其实，从诞生时间看，双馈和直驱两种技术几乎是同时出现的，甚至直驱技术的出现要比双馈技术更早些。

但是发展至今，双馈技术因其运行稳定的特性占据了大片的市场份额。

双馈、直驱两种技术路线的本质区别在于双馈型是带“齿轮箱”的，而直驱型是不带“齿轮箱”的。

现在全世界风电机组中，85％以上是带齿轮箱的机型。

尤其在技术、稳定性及可靠性要求更高的海上机组中，无一例外的全部采用了技术成熟且可靠性好的带齿轮箱技术方案，包括2兆瓦、2.3兆瓦、3兆瓦、3.6兆瓦、5兆瓦等各级别机型，厂商包括Vestas，Siemens, Repower,华锐风电等全球所有主要海上风电机组生产厂商。

目前为止，除金风科技的一台1.5兆瓦机组外，全世界范围内还没有更多的直驱机组下海。

从目前国内的情况来看，双馈变桨变速型风机的装机容量最大。

代表厂家包括vestas，GE，GAMESA，华锐，东汽，国电联合动力、明阳、上海电气，北重等；直
驱式变桨变速型风机也有一定装机容量，代表厂家包括如金风，湘电，上海万德等；此外还有一种失速型定桨定速风机，多数为小功率机型，目前在大功率机型上基本淘汰。

在励磁发动机方面全球领先的是德国的Enercon公司，其产品的全球市场占有率一直稳定在10％左右。

永磁发电机的主要代表则是中国的金风和湘电两家公司。

双馈技术已经在过去的十多年中成为不可争辩的主流技术，而直驱和永磁直驱技术目前来看尚无法动摇带齿轮箱技术的主流地位。

可以肯定的是，风电机组技术的成熟性、质量的稳定性和可靠性、及时而低成本的维修和维护将是市场选择的最重要标准，特别是在海上风电的机组选择中，目前看来，带齿轮箱的风电机组仍是海上风电的绝对主流。

（二）风力发电机组的类型
1.按照机组的容量可划分为：小型风力发电机组（1-100kw）、中型风力发电机组（100-1000kw）、大型风力发电机组（1000kw以上）
2.按照机组的运行方式可划分为：离网型风力发电机组、并网型风力发电机组
3.按照机组风轮轴的状态可划分为：垂直轴风力发电机组、水平轴风力发电机组
4．按照机组风轮的叶片数目可划分为：单叶片风力发电机组、双叶片风力发电机组、三叶片风力发电机组、多叶片风力发电机组
5.按照机组风轮的位置可划分为：上风向风力发电机组、下风向风力发电机组
6.按照机组的控制方式可划分为：定桨距风力发电机组、变桨距风力发电机组
7. 按照机组的转速与电能频率的关系可划分为：恒速恒频风力发电机组、变速恒频风力发电机组
8. 按照机组驱动链的型式可划分为：直驱型风力发电机组、半直驱型风力发电机组、传统有齿箱型风力发电机组
二、双馈异步风力发电机组
（一）双馈异步发电机组结构图
1.双馈异步发电机实质上是一种绕线式转子电机，由于其定、转子都能向电网馈电，故简称双馈电机。

转子转速低于同步转速时，仅定子发电，转子需从电网吸收无功能量，即励磁高于同步转速时，定子转子都发电。

2.反馈量是转子电流。

双馈指的是双馈电机的定子和转子都可以向电网输送电能，定子直接并网，转子通过变流器向电网输送电能，双馈电机的控制是通过控制转子来使得定子电压可以并网，并以任意功率因数运行，因此控制的是转差功率。

3.双馈电机不是双反馈，是双馈电，普通异步发电机是定子发电属于单馈，双馈发电机不仅定子可以发电转子也可以发电所以说是双馈。

图1 双馈异步发电机组结构简图
图2 双馈异步发电机组的机械结构图
（二）双馈异步发电机组齿轮箱结构
齿轮箱是有齿箱风力发电机组的关键部件。

齿轮箱在提升风轮转速的同时，还传递来自风轮的功率，承受着巨大的机械载荷。

受当代制造技术的制约，齿轮箱是风力发电机组中容易产生故障的主要部件之一。

从某种意义上讲，齿轮箱运行的可靠性，直接影响风力发电机组运行的可靠性。

图3 风力发电机组的基本结构1.25MW齿轮箱
图4 风力发电机组的基本结构2MW传动链—齿轮箱
（三）双馈异步风力发电机组的优点
双馈发电机在结构上与绕线式异步电机相似，即定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，发电机的定子接入电网；而电网通过四象限交直交变流器向发电机的转子供电，提供交流励磁电流。

1.首先它能控制无功功率，并通过独立控制转子励磁电流解耦有功功率和无功功率控制。

2.其次，双馈感应发电机无需从电网励磁，而从转子电路中励磁。

3.最后，它还能产生无功功率，并可以通过电网侧变流器传送给定子。

但是，电网侧变流器正常工作在单位功率因数，并不包含风力机与电网的无功功率交换。

三、永磁直驱式风力发电机
（一）永磁直驱式风力发电机组结构图
1.叶片
2.变桨系统
3.轮毂
4.发电机转子
5.发电机定子
6.偏航驱动
7.测风系统8.辅助提升机9.顶舱控制柜10.底座11.塔架
图5 永磁直驱式风力发电机组结构图
（二）永磁直驱式风力发电机组简介
1.总体介绍
金风/1500系列机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动，永磁同步发电机并网的总体设计方案，额定功率为1500KW。

主要机型：金风70/1500、金风77/1500、金风82/1500。

2.永磁直驱式风力发电机组相比其它机型的优势
(1)发电效率高：直驱式风力发电机组没有齿轮箱，减少了传动损耗，提高了发电效率，尤其是在低风速环境下，效果更加显著。

(2)可靠性高：齿轮箱是风力发电机组运行出现故障频率较高的部件，直驱技术省去了齿轮箱及其附件，简化了传动结构，提高了机组的可靠性。

同时，机组在低转速下运行，旋转部件较少，可靠性更高。

(3)运行及维护成本低：采用无齿轮直驱技术可减少风力发电机组零部件数量，避免齿轮箱油的定期更换，降低了运行维护成本。

(4)电网接入性能优异：直驱永磁风力发电机组的低电压穿越使得电网并网点电
压跌落时，风力发电机组能够在一定电压跌落的范围内不间断并网运行，从而维持电网的稳定运行
3.基本参数
4.1.5MW风力发电机组组成
（1）基础
为独立的重力式基础，钢筋混凝土组成，主要依靠自身重力来承受上部塔架传来的竖向载荷、水平载荷和颠覆力矩。

基础外观形式主要为圆形承台。

图6 基础
（2）塔架
底座、塔筒、入口梯子总成、焊接附件、可拆卸附件
塔架采用柔性塔架，为锥形筒状结构，方便人员通行。

材料选用低合金高强度结构钢Q345，塔架具有静、动强度，能承受叶轮、塔架自身力以及叶轮引起的震动载荷，包括风机的启停、强风。

图7 塔架
（3）机舱总成
机舱罩、底座及附件、偏航系统（偏航电机、偏航减速器、偏航轴承、偏航刹车盘、偏航制动器）液压系统、润滑系统、提升机、其他附件
图8 机舱总成
（4）发电机
定子（定子支架、铁芯、线圈、引出电缆防护总成等）、转子（转子支架、磁钢）、定轴、动轴、轴承、其他附件（转子制动器）
图9 发电机
（5）叶轮总成
轮毂、变桨系统（变桨电机、变桨减速器、变桨轴承、变桨盘）、叶片
图10 叶轮总成
（6）测风系统
支架、风速仪、风向标
（7）电控系统
主控系统、变桨系统、变流系统
四、两种风力发机组的性能分析比较
（一）两种机型设计结构的差异
直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generators），是一种由风力直接驱动发电机，亦称无齿轮风力发动机，这种发电机采用多极电机与叶轮直接连接进行驱动的方式，免去齿轮箱这一传统部件。

由于齿轮箱是目前在兆瓦级风力发电机中属易过载和过早损坏率较高的部件，因此，没有齿轮箱的直驱式风力发动机，具备低风速时高效率、低噪音、高寿命、减小机组体积、降低运行维护成本等诸多优点。

（二）两种机型性能优越性比较
1.国内风力发电机主要包括永磁直驱风机和双馈风机两种。

两者的最大区别在于不同的传动、发电结构。

以下通过分析风机的主要结构特性来比较两者的优劣势：（1）电网兼容性
永磁直驱风机更强，永磁直驱风机具备较强电容补偿、低电压穿越能力，对电网冲击小。

（2）维护成本
永磁直驱风机更低，永磁直驱风机省去齿轮箱维修费用。

（3）空气动力学性能
永磁直驱式受风速限制较小，永磁直驱风机通过电磁感应原理发电，在额定的低转速下输出功率较大、效率较高。

（4）噪音
永磁直驱风机噪音更低，永磁直驱风机省去了齿轮箱，噪音低。

（5）效率
永磁直驱风机效率更高，发电效率平均提高5-10%，双馈式风机支持齿轮箱工作，本身也耗电。

（6）运输难度
永磁直驱风机运输难度更大，永磁直驱风机体积较大，运输难度更大。

（7）电控要求
永磁直驱风机要求更高，永磁直驱风机省去齿轮箱，全功率逆变。

（8）改进空间
永磁直驱风机改进空间更大，永磁直驱风机技术较新，电子化程度高。

相较于双馈式电机，永磁直驱风机更能适应低风速，且能耗较少、后续维护成本低。

此外，永磁直驱风机的应用对于我国具有更加重要的意义，我国低风速的三类风区占到全部风能资源的50%左右，更适合使用永磁直驱式风电机组。

（三）两种机型变频器的比较
1. 永磁直接驱风力发电机组变频器
永磁直接驱风力发电系统是采用永磁同步电机无齿轮箱直接驱动型的风电系统。

兆瓦级风力发电用功率变频器是由两个结构完全相同的三相PWM整流器和逆变器，通过直流母线以背靠背形式组成的大容量全功率的交直交电压型双向变流器。

在风力发电机组额定功率以内，控制器的控制实现最大功率点跟踪，尽量利用风能，而当风速超过额定风速时，为使发电机组和变频器不致于过载运行，此时应减小叶尖速比值，是风力发电系统运行于很功率区域。

永磁直驱双PWM四象限运行全功率
的风电变频器是目前变速恒频风力发电变频器的一个代表方向，也是未来风电发展的趋势。

2.双馈异步风力发电机组变频器
双馈发电机在结构上与绕线式异步电机相似，即定子、转子均为三相对称绕组，转子绕组电流由滑环导入，发电机的定子接入电网；而电网通过四象限交直交变频器向发电机的转子供电，提供交流励磁电流。

通过变频器的功率仅为电机的转差功率，功率变频器将转差功率回馈到转子或者电网，双馈电机的交直交功率变频器由于只通过转差功率，因此其容量仅为电机额定容量的1/3～1/2，因此大大降低了功率变换器的造价，网侧和直流侧的滤波电感、支撑电容都相应的缩小，电磁干扰也大大降低，也可方便地实现无功功率控制。

(四)两种机型发电机的比较
1.永磁直驱式发电机
永磁同步发电机转子上使用的是永磁材料励磁，没有励磁绕组，省去了励磁绕组的铜损耗；同时，发电机和风力机通过轴系直接耦合在轮毂上，由叶轮直接驱动发电，不需要齿轮箱等中间传动部件。

永磁同步发电机经背靠背式全功率变频器系统与电网相连，通过变频器控制系统的作用，来实现风电机组的变速运行
图11 永磁同步发电机
（1）永磁直驱风力机组发电系统的主要优点
1)无齿轮箱，大大降低了风电场风力发电机的运行维护成本。

2)由于机械传动机械部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性和可利用率，降低了机组噪音；降低了机械损失提高了整机效率，风机结构设计简单，维护方便。

3)减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。

4)可以从内罩进入轮毂维护变桨系统，提高了人员安全性。

5)利用变速恒频技术，可以进行无功补偿。

6)采用全变流技术，提高了电能质量。

7)发电机在低转速下运行，机损率大大减小。

图12 直驱式风力发电机组发电机工作示意图
2.双馈异步发电机
双馈式风力发电机组就是采用双馈发电机，转子采用双向四象限运行变流器并网的一种变速恒频机组。

图13 双馈异步发电机
（1）交流励磁变速恒频双馈发电系统优点：
1）在原动机变速运行场合中，实现高效、优质发电。

双馈感应发电机可通过调节转子励磁电流的幅值、频率与相位，在原动机速度变化时也可保证发出恒定频率的电能，从而提高了机组的运行效率，延长了机组的使用寿命。

2）允许原动机在一定范围内变速运行，可以在同步速上下30%转速范围内运行；简化了调整装置，减少了调速时的机械应力。

同时使机组控制更加灵活、方便，提高了机组运行效率。

3）调节励磁电流幅值，可调节发出的有功功率；调节励磁电流相位，可调节发出的无功功率。

可实现有功功率和无功功率的独立调节，达到改变功率角使发电机稳定运行的目的。

所以可通过交流励磁使发电机吸收更多无功功率，参与电网的无功功率调节，解决电网电压升高的弊病，从而提高电网运行效率、电能质量与稳定性。

4）双馈感应发电机通过对转子实施交流励磁，精确地调节发电机定子输出电压，使其满足并网要求，实现安全快速的“柔性”并网操作。

5）需要变频控制的功率仅是电机额定容量的一部分，使变频装置体积减小，成本降低，投资减少。

图14 双馈式风力发电机组发电机工作示意图
五、吊装难易及运行维护
图15 直驱式风力发电机组的吊装图16 双馈式风力发电机组的吊装直驱式风力发电机组需要先吊装机舱然后安装发电机，最后才能安装风轮。

而双馈式风力发电机组在将机舱吊装后，就可以直接安装风轮，减少了发电机的安装与校准过程。

（一）从低风速下的运行情况看：
直驱式风机没有运行转速下限的限制，而双馈式风机存在着运行转速的下限，所以从原理上来讲直驱式风机的切入风速可以更低。

（二）从故障维修方面看：
直驱机组不采用齿轮箱，风轮直接带动发电机转子旋转。

省去齿轮箱会减少齿轮箱的机械故障维修。

六、总结
本文通过对永磁直驱风力发电机组与双馈异步风力发电机组在设计结构上的差异，性能优越的比较和吊装难易及运行维护等方面做了详细阐述。

双馈技术已经在过去的十多年中成为不可争辩的主流技术，而直驱和永磁直驱技术目前来看尚无法动摇带齿轮箱技术的主流地位。

但可以肯定的是永磁直驱风机改进空间更大，永磁直驱风机技术较新，电子化程度高，随着电子科技的不断创新，永磁直驱式风机将有较大的发展空间，而且风电机组技术的成熟性、质量的稳定性和可靠性、及时而低成本的维修和维护将是市场选择的最重要标准，特别是在海上风电的机组选择中。

参考文献:
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[8] 参考网址．/news/2010921/n232010467.html.
致谢
在大学即将毕业之际，很高兴能遇到治学严谨、博闻强识的指导教师张振伟。

本次毕业设计历时一个多月，从选题、开题报告到硬件设计、最终完成整个设计，其间每一过程都得到张老师的悉心指导。

每次见面老师都会了解我的设计情况，力求让我在正确的方向上学到最多的知识，高效、高质量的完成毕业设计。

每次对于我的疑问，老师总是不耐其烦的解答，并对相关知识点进行扩展，让我的知识面得到了极大的丰富。

同时，还要感谢所有给过我帮助的老师和同学，没有你们的帮助，我不会这么顺利的完成设计，是你们在我遇到困难的时候无私、热心的帮助我，给我提供了强大的支持。

同样，也要感谢学校，感谢同班同学给我思想上的创新，感谢你们提供的丰富的参考资料，正是借助这些资料我才能准确、顺利的完成毕业设计。

最后，真诚的对所有帮助我的人表示感谢，谢谢你们的支持与帮助！。