直驱与双馈机组的对比分析

直驱风力发电机组与双馈风力发电机组对比分析

随着科学技术的进步，电力电子技术的成熟，大功率IGBT器件在风电领域的广泛应用，全功率变流器在风电并网方面的优势日渐凸显。直驱永磁风力发电机组克服了齿轮箱连接复杂、风险成本大、故障率高、维护量大的弊端。往日风电设备的领军企业如VESTAS、GE、SIEMENS等，制造双馈机组的世界大企业如今更是把直驱永磁技术作为未来风电的发展方向，全面进军直驱永磁风力发电机组的研发制造领域。

直驱永磁风力发电机在中国成长迅速，目前投运的所有机组平均可利用率已经超过98%。其独特的优势逐步显现，并获得了使用者的认可。受到风电投资商大力追捧。

简洁的结构、可靠的安全设计、较低的运行维护费用、高效的发电效率、优异的并网性能。体现了直驱永磁风力发电机的先进性。

一、结构简洁，可靠性高

直驱结构：叶轮—发电机—变流器—电网

双馈结构：叶轮—主轴—齿轮箱—连轴器—发电机（变流器—滑环—转子）—电网

1、直驱机组没有齿轮箱。双馈机组的齿轮箱是风电领域的高故障部件。风湍

流、阵风、严酷的气候变化对齿轮箱运行造成无法预料的冲击。

双馈风力发电机的主轴-齿轮箱-连轴器-发电机要求对中精确，否则会造成震动，轴承受到很大的测向力。电机1500转速，轴承的损坏几率大大增加。

2、直驱机组没有高速刹车。双馈的高速刹车在紧急停机情况下对发电机和齿轮

箱的冲击很大。风电机组失火与高速刹车有关。

3、电网故障（低电压穿越）对直驱机组没有冲击。而对双馈机组的齿轮箱、发

电机冲击非常大。

●双馈机组在电网故障时：产生5倍的短路电流，发电机与齿轮箱之间存在

很大的反向扭矩，对齿轮箱造成很大的冲击。并影响发电机的绝缘。

●电网故障时双馈机组轮毂转速升高，如果顺桨控制不及时，将造成毁灭性故

障。

直驱永磁全功率变流器背靠背模式，在电网故障时发电机独立于电网运行，变流器控制电磁扭矩保持发电机平稳运行、补偿无功及无功电流，并控制制动电阻反复消耗掉多余的有功。最大短路电流不超过1.2倍额定电流。

电网的故障不影响风电机组的寿命和安全运行。

4、蓄电池作为变桨的备用电源充电慢，启动前充电时间长影响发电量，冬季故

障反复起机可能造成超速倒塌风险。而金风直驱采用的超级电容充电时间快（1分20秒）、放电快、放电深度深，确保了叶轮的顺利变桨刹车。24起风电事故与蓄电池匮电有关。

5、采用专利技术的变桨齿形带弹性变桨避免了更换轮毂的风险。齿轮变桨存在

变桨齿圈疲劳的风险。

6、目前国内双馈发电机的制造技术和工艺存在缺陷，发电机更换的频繁程度远

远高于齿轮箱的更换频率。直驱电机是低速运行的电机，不存在变频器励磁的谐波损伤。而且金风的2.5兆瓦发电机是针对海上环境设计的，全密封的强制内循环风冷发电机，绝缘等级达到了IP54 。

7、双馈机组的齿轮箱同样令人堪忧。更换一台1.5兆瓦机组的齿轮箱的工程费

80万元，齿轮箱单价120万元，合每千瓦1300元。3兆瓦机组齿轮箱更换需要650吨履带吊，费用是1.5兆瓦机组的两倍以上。

直驱机组没有齿轮箱，避免了以上风险。

二、维护量低，消耗品少

因为没有齿轮箱，叶轮直接驱动发电机、发电机直接连接变流器。中间环节少，维护量大大减少。

以上是1.5兆瓦机组的对比，3兆瓦双馈同比增加更多。

三、传动损失小、发电效率高。同样额定功率、同样叶轮直径、相同可利用率情况下，发电效率高3-5%

1、直驱机组无齿轮箱、连轴器，传动损失小，永磁励磁不存在励磁损失。

2、齿轮箱冷却系统冬季并网加热时间长，变桨备电系统采用蓄电池充电时

间长，每次影响并网时间5-8小时。直驱永磁机组通常10分钟左右。

3、直驱永磁全功率变流器的容量大，变速控制范围宽。在低风速比双馈的

发电效率高。

4、直驱永磁全功率变流器可以发无功。就地无功补偿，提高了有功输送效

率。

5、某风电场实际对比直驱超过双馈20%。无故障情况对比直驱超过双馈

3.4%。

6、20年发电量折合到单位千瓦价格直驱比双馈低约720-1200元/千瓦

四、直驱永磁风力发电机组具备优异的并网性能。

1、全功率变流器的电压、频率是通过软件实现的，适应电网能力强。

2、变流器设计有消谐波装置，1.5兆瓦机组谐波1.32%，2.5兆瓦机组4.7%

（未调整），均低于国家5%的标准。

3、全功率变流器的特性具备低电压穿越能力，调整参数只需要修改软件。

金风的全功率变流器已经通过了电科院的低电压穿越（电网故障）测试。

并在德国通过了0电压穿越测试。

4、金风开发的风电场能量控制平台解决了大面积开发风电场的风电机组安

全保护问题并为将来的智能电网提供了风电的控制策略。

●有功调节功能，软件实现柔性控制风电场有功调节。

●避免了手动调节突然断电模式对风电机组的冲击，提高了机组的寿

命，降低了故障率。

5、直驱机组发无功，实现就地无功补偿，减少集中无功补偿投资40%。

6、直驱永磁风电机组并网不需要从电网吸收无功，并可以实现无功控制，

对电网末端具备很好的支撑作用。未来针对缺电地区的分布式并网和风柴光互补发电具有得天独厚的条件。

五、直驱永磁风力发电机为了实现更加优越的性能，采用了比较昂贵的

材料。

1、虽然省去了高故障率的齿轮箱，但电机级数达88级，使用了比双馈多的

铜材、矽钢片。

2、可以减少励磁损失的永磁材料价格比较昂贵。

3、具有优越并网性能的全功率变流器比双馈的变频器贵。

4、采用充放电性能优越、寿命长的超级电容比蓄电池昂贵。

目前，直驱机组的制造企业承担了提高性能增加的成本，而直驱永磁机组的市场价格与双馈相差无几。从购买价格比较客户从直驱机组的性能上得到的实惠，单位千瓦比双馈多2400—3000元。

六、经过几十年的发展，目前用于风力发电机的永磁材料在现有的运行环境

下已经不存在失磁问题了。

永磁材料失磁存在以下4个方面的条件。

1、钕铁硼永磁材料在温度高于150℃时才开始出现退磁迹象，直驱永磁风力发

电机是F级绝缘，发电机控制温度120℃，温升低于60K。实测发电机线圈温度低于90℃，外转子结构的永磁体最高工作温度低于70℃。发电机设计余量