关于双馈型与直驱型风力发电机特点的比对(第2版)

关于双馈型与直驱型风力发电设备特点的比对

双馈风力发电机与直驱风力发电机的主要区别是有无齿轮箱的使用。在直驱式风力发电系统中，风机叶轮直接驱动多级同步发电机的转子发电，免去齿轮箱这一传统部件。双馈风力发电机组，定子有两套极数不同的绕组，功率绕组直接与电网相连，控制绕组通过双向变流器接电网，采用无刷的磁阻或者笼型转子，无需电刷和集电环。

双馈机组有齿轮箱，但是变流器是部分功率逆变；直驱机组无齿轮箱，是全功率逆变的。直驱电机也分励磁和永磁，永磁理论上效率略高，但技术没有非常成熟。关注效率方面，在低风速区域，直驱风力发电设备具有优势，此优势取决于所用电机的设计、制造水准。需要明确指出，此优势不明显，尤其综合整机年发电量，双馈与直驱机型相差不大，如果相差两个百分点已经属于上等水平。

（一）从实际应用角度，比对两种类型风机的特性

●可靠性

1）双馈异步风力发电机组采用的双馈异步恒频技术为国际先进成熟的技术，变流器容量小，采用空冷冷却方式；直驱发电机组采用全功率变流器，在低电压穿越等情况下IGBT模块的可靠性较低，同时全功率变流器通常需采用水冷冷却方式，在实际运行中的很多工况下，水冷系统容易出现故障，易导致变流器IGBT模块烧毁。

2）联合动力公司风机机型采用准三分之一变频，变流器容量小，成本低，双馈机型发电机可控参数多，能对发电机电压、频率、转速、无功功率和有功功率等参数方便可控，系统的稳定性高。

3）中国的风机制造厂商针对直驱机型采用永磁同步发电机，永磁同步发电机存在过退磁现象（大容量的磁铁和铁心粘合的工艺较难实现；永磁材料会有不可逆退磁、高温退磁等现象；永磁的功率因数也不易调节），在风机使用寿命期内，存在因退磁影响发电机效率的可能，所以直驱风机尤其不适用于在温度较高的地区。

4）在装配质量层面上，风场现场的作业操作越少越好。直驱机型发电机在户外单独分体吊装，会降低吊装作业速度，在恶劣气候环境下，严重降低装配质量。

●造价：

由于直驱机型采用永磁同步发电机，永磁材料为稀有金属，致使电机成本高；而双馈机型变流器容量小，容量仅为机组总容量的30%左右，使得变流器成本降低。故直驱机型比双馈机型成本高。

●维护：

直驱机型的发电机尺寸和重量均比双馈机型大，一旦发生故障，发电机维护费用将非常昂贵，但直驱机型没有齿轮箱，所以针对传动链的维护量相对较小；双馈机型存在齿轮箱易坏且维护量大的事实，同时，电机的滑环碳刷等也需要经常维护。

●生产运行：

目前国内直驱机型的产业技术成熟度低于双馈机型的产业成熟度。由此导致直驱机型运行稳定性比双馈机型低，例如在承德围场某风场，直驱风机在遇阵风后通常会出现非正常切出现象，严重影响风机发电量。在实际运行中，现场反映机组运行的故障率比相邻风场的双馈机型高。据现场运行人员提供数据，2010年1月中旬到2月中旬，在同为5万容量的相邻两个风场，直驱机型的发电量约为双馈机型的三分之二。

（二）从技术细节角度，比对两种类型风机的特性

变流系统稳定性中高

电网电压突降的影响电机端电流、电机转矩急增电流、转矩稳定

塔内电缆工作电流类型高频非正弦波，谐波分量较

大，必须使用屏蔽电缆

正弦波

可承受瞬间电压波动[-10%, +10%] [-85%, +10%]

谐波畸变难以控制，因为要随电机转

速变化进行变频

易控制，因为谐波频率稳定

50Hz/60Hz之间的配置变化变流滤波参数需调整，齿轮

箱需改变

变流滤波参数需调整

电控系统

体积、价格、维护成本

中、中、高大、高、低

电控系统平均效率中高

（三）从本质属性角度，比对两种类型的优劣

●直驱型风力发电设备

直驱型风力发电机结构示意图

直驱风力发电机组采用水平轴、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，相对于传统的双馈式异步发电机组其优点

如下：

（1）由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机组的可靠性；

（2）发电机与电网之间采用全功率变流器，发电机与电网之间的相互影响减小；

（3）机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音；

（4）可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；

（5）机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；

（6）可以实现对电网有功、无功功率的灵活控制；

（7）由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。

虽然直接驱动与采用交—直—交变频器相结合的变速恒频方式有一定的优势，但这种结构方式也有其缺点，缺点如下：

（1）采用的多极低速永磁同步发电机，电机直径大，成本高。由于运输问题，电机的直径不能超过4m，随着机组容量的增大，给电机设计、加工制造带来困难。

（2）定子绕组绝缘等级要求较高。

（3）采用全容量逆变装置，功率变换器设备投资大，增加控制系统成本。

（4）由于结构简化，使机舱重心前倾，设计和控制上难度加大。

●双馈型风力发电设备

双馈型风力发电机结构示意图

传统的双馈式风力发电机组的组成通常包含三个主要部分：风轮、增速箱和发电机。现代风力发电机组增加了偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。在风力发电系统中，当风力发电机组与电网并网时，要求风力发电机组发电的频率与电网的频率保持一致，即保持频率恒定。

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。

交流励磁变速恒频双馈发电系统有如下优点：

（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。

双馈式发电系统缺点如下：

（1）双馈式风力发电机组低风速下的风轮机转速也很低，直接用风轮机带动双馈电机转子将满足不了双馈发电机对转子转速的要求，必须引入齿轮箱升速后，再同双馈发电机转子连接进行发电。然而齿轮箱成本很高，且易出现故障，需要经常维护，可靠性差；同时齿轮箱也是风力发电系统产生噪声污染的一个主要因素。

（2）当低负荷运行时，效率低。

（3）电机转子绕组带有滑环、碳刷，增加维护和故障率。

（4）控制系统结构复杂。