双馈风电机组与永磁直驱机组对比

双馈风电机组与永磁直驱机组对比
摘要：清洁能源在电力系统中的大规模利用，使得风电机组在电网中的占比日
益扩大，其运行特性极大地影响电力系统的运行稳定性.本文分析了双馈变速与直
驱同步风电机组的结构特点。

关键词：电力系统；风力机组；永磁直驱机
风力发电机组主要包括变频器、控制器、齿轮箱，发电机、主轴承、叶片等
部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。

发电机主要包括两种机型：永磁同步发电机和异步发电机。

永磁同步发电机低速
运行时，不需要庞大的齿轮箱，但机组体积和重量都很大，1.5MW的用词直驱发
电机机舱会达到5米，整个重量达80吨。

同时，永磁直驱发电机的单价较贵，
技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。

异步发电机是由风机拖动齿轮箱，在带动异步发电机运行，因为叶片速度很低，
齿轮箱可以变速100倍，以让风机在额定转速下运行，目前流行的是双馈异步发
电机，主要有1.25MW\1.5MW\2MW三种机型，异步发电机组的机组单价低，技
术成熟，国产化高。

一、双馈风力发电系统
双馈风力发电机组的控制核心是通过变流器对双馈发电机转子电流（频率、
幅值、相位）的控制，以达到与风电机组机械部分运行特性匹配、提高风能的利
用效率及改善供电质量的目的。

1、双馈变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角可以调节，同时发电机可
以变速，并输出恒频恒压电能；
2、在低于额定风速时，他通过改变转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳
叶尖速比下运行，输出最大的功率；
3、在高风速时通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。

双馈风力发电系统主要由叶片、增速齿轮箱、双馈发电机、双向变流器和控
制器组成。

双馈式风力发电机组将风轮吸收的机械能通过增速机构传递到发电机，发电机将机械能转化为电能，通过发电机定子、转子传送给电网。

发电机定子绕
组直接和电网连接，转子绕组和变频器相连。

变频器控制电机在亚同步和超同步
转速下都保持发电状态。

在超同步发电时，通过定转子两个通道同时向电网馈送
能量，双馈式风力发电机在亚同步和超同步转速下都可发电。

故称双馈技术主要特点
发电机采用绕线式异步电机，定子直接与电网相连，转子侧通过变流器与电
网相连。

当双馈发电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不
仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节双馈发电机的功率因数。

1发电机转子侧变流器功率仅需要25%～30%的风机额定功率，大大降低了变
流器的造价；
2发电机体积小、运输安装方便、成本低；
3可承受电压波动范围：额定电压±10%；
4网侧及直流侧滤波电感、电容功率相应缩小，电磁干扰也大大降低；
5可方便地实现无功功率控制。

主要缺点
1需要采用双向变频器，变速恒频控制回路多，控制技术复杂，维护成本高
2发电机需安装集电环和刷架系统，且须定期维护、检修或更换随着风电机组单机容量的增大，双馈型风电系统中齿轮箱的高速传动部件故
障问题日益突出，于是没有齿轮箱而将主轴与低速多极同步发电机直接连接的直
驱式布局应运而生；从中长期来看，直驱型和半直驱型传动系统将逐步在大型风
电机组中占有更大比例，另外，在传动系统中采用集成化设计和紧凑型结构是未
来大型风电机组的发展趋势。

在大功率变流技术和高性能永磁材料日益发展完善
的背景下，大型风电机组越来越多地采用pmsg（无功控制和低电压穿越能力），pmsg不从电网吸收无功功率，无需励磁绕组和直流电源，也不需要滑环碳刷，
结构简单且技术可靠性高，对电网运行影响小。

Pmsg与全功率变流器结合可以
显著改善电能质量，减轻对低压电网的冲击，保障风电并网后的电网可靠性和安
全性，与双馈型机组相比，全功率变流器更容易实现低电压穿越等功能，更容易
满足电网对风电并网日益严格的要求。

二、直接驱动型风力发电系统
典型的永磁直驱型变速恒频风力发电系统，包括永磁同步发电机（pmsg）和
全功率背靠背双pwm变流器，无齿轮箱。

Pmsg通过全功率变流器直接与电网连接，通常极对数较多，低转速，大转矩，径向尺寸较大，轴向尺寸较小，呈圆环状；由于省去了齿轮箱，从而简化了传动链，提高了系统效率，降低了机械噪声，减小了维修量，提高了机组的寿命和运行可靠性；发电机通过变流器与电网隔离，因此其应对电网故障的能力更强，但是变流器容量较大，损耗较大，变流器的成
本较高。

直驱式风力发电机组的风轮直接驱动发电机，主要由风轮、传动装置、发电机、控制系统等组成。

为了提高低速发电机效率，直驱式风力发电机组采用大幅
度增加极对数（一般极数提高到 100 左右）来提高风能利用率，采用全功率变流
器实现风力发电机的调速。

直驱发电机按照励磁方式可分为电励磁和永磁两种。

电励磁直驱风力发电机
组采用与水轮发电机相同的工作原理，技术成熟。

永磁直驱是近年来研发的风电
技术，该技术用永磁材料替代复杂的电励磁系统，发电结构简单，重量相对励磁
直驱机组较轻。

但永磁部件存在长期强冲击振动和大范围温度变化条件下的磁稳
定性问题，永磁材料的抗盐雾腐蚀问题，空气中微小金属颗粒在永磁材料上的吸
附从而引起发电机磁隙变化问题，以及在强磁条件下机组维护困难问题等。

此外，永磁直驱式风力发电机组在制造过程中，需要稀土这种战略性资源的供应，成本
较高直驱永磁风力发电机有以下几个方面特点：
1发电效率高：
直驱式永磁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。

综上，风电机组技术的成熟性，质量的稳定和可靠性，及时而低成本的维修
和维护将是市场选择最重要的标准，为了满足这个标准，风力发电机组不同的机
型要不断改进。

对于直驱风力发电机尤其时直驱式永磁风力发电机，其优异的低
电压穿越功能和高可靠性时最大优点。

但成本偏高，特别是在海上工况，永磁体
对于极端环境（潮湿、盐雾、酷热等）无法适应易氧化，退磁或锈蚀，这是最大
的弊端。

而双馈风力发电机，优点不言而喻，灵活的控制方式、优异的电能质量、交底的制造成本等，但其偏弱的低电压穿越功能和高维护性，成为其短板。