雙饋異步和永磁同步風力發電機特性分析

北車風電有限公司 王建維

1 概述

在過去的20多年里，風力發電機組的單機容量不斷擴大，特別是最近幾年，大型機組得到迅速推廣應用。技術的不斷進步是機組單機容量得以不斷擴大的基礎。早期的風力發電機組全部是定槳距失速型風機。由于定槳距機組葉片的角度不能在風速變化時進行相應地調節，因此無法在低風速時獲取最大的風能；在風速為額定風速時功率最大，當風速超過額定值后，發電功率又明顯下降，故定槳距失速型風機的經濟效益不甚理想，因此這種型的機組很難向大型化方向發展。目前該類型的產品均為小型機組，兆瓦級機組均不采用此類型的結構。

隨著技術的發展，風電機組發展到了變槳距系統。變槳距風力發電機組的葉片角度可以進行調節，在不同的風速情況下，通過調節葉片的角度使攻角保持最佳狀態，從而獲得較大的轉換效率。變槳距機組的額定風速較低，啟動性能較好，而且在風速超過額定值時通過變槳系統可以有效地控制葉片的迎風角度，使得發電機有著較為平滑的功率曲線，大大提高了發電效率和發電質量。通過技術的不斷提高和新材料的不斷應用，葉片結構變得越來越簡單、重量也越來越輕，易于機組的大型化，因此大型風電機組多采用變槳距技術。

目前，風電技術已發展到了更先進的變速變槳距機型。變速變槳距風力發電機組同時應用了變槳技術和變速恒頻技術，風輪轉速可根據風速的變化進行調節，以便最大限度地吸收風的能量，提高轉換效率。由于在發電機中采用了變速恒頻技術，使發電機組在低風速情況下的出力水平大幅度提高，總體發電效率得到進一步提高。兆瓦級以上的機組大都是變速變槳距機型。

發電機及其控制系統承擔了將機械能轉化為電能的任務，直接影響到轉換過程的效能、效率和供電質量。而目前風力發電機主要采用兩種類型：雙饋異步發電機和永磁同步發電機。

2 雙饋異步發電機（DFIG）和永磁同步發電機（PMSG）結構分析

2.1 DFIG工作原理

雙饋異步發電機在結構上與繞線式異步電動機類似，定轉子三相對稱，轉子電流由滑環接入。風速的變化通過增速齒輪箱傳遞到發電機，為了保持定子電流頻率的恒定，可以控制轉子電流的頻率，使得發電機的轉子轉速發生變化，這些工作可以由變頻器來完成。當發電機轉子高（低）于同步速時，應控制變頻器能量流入（出）電網，這樣就控制了電機定子向電網供應電能頻率的穩定。其原理框圖如圖1所示。

圖1 雙饋發電機原理圖

當風速變化引起發電機轉速n變化時，控制轉子電流的頻率，可使定子頻率恒定，即應滿足：

式中： 為定子電流頻率，由于定子與電網相連，所以與電網頻率相同； 為轉子機械頻率， ，p為電機的極對數； 為轉子電流頻率。

? n

? n>n1時，處于超同步運行狀態，此時發電機同時由定子和轉子發出電能給電網，變流器的能量流向逆向；

? n=n1時，處于同步狀態，此時發電機作為同步電機運行， =0，勵磁變流器向轉子提供直流勵磁。

而n=pnm，當n發生變化時，即p 發生變化，若控制轉子供電頻率 做相應變化，可使 保持恒定不變，與電網頻率保持一致，實現變速恒頻控制。

2.2 PMSG工作原理

永磁發電機系統是以永磁發電機和全功率變流器為核心的風力發電系統，風電機組通過全功率變頻器和變壓器與高壓電網相聯，變頻器將風電機組輸出的不停變化交流電壓，首先變換成直流，再逆變成電壓頻率和幅值及相位與電網一致的交流電源電壓。

圖2 永磁同步發電機工作原理圖

該系統如圖2所示，與籠型異步發電機變速恒頻風力發電系統類似，只是所采用的發電機為永磁同步發電機。

當轉速變化時，發電機定子輸出頻率也跟隨變化，通過功率變換器將定子發出的變頻變壓的電能轉換為與電網頻率幅值一致的穩定電能。

3 DFIG和PMSG結構性能比較（如表1所示）

4 DFIG和PMSG發電量比較

按照現行變槳距風力發電機的最大功率捕獲原理，風力發電機從切入風速（Cut-in wind speed）到額定風速（Rated wind speed）這一過程中，通過變槳技術可以實現風力發電機工況下的最優化，從實際風速分布統計情況來看，風力發電機運行最多的時段也基本上是集中在這一工況下，且這一工況下的出力為最多。從圖3中可以看出，在額定風速以下時，永磁發電機比雙饋異步發電機風能利用率明顯高，根據芬蘭公司The switch的計算，相同功率等級的風機采用永磁發電機比雙饋異步發電機的年輸出電能最高可以高出20%，從20年的風機使用壽命來看，這產生的經濟效果是非常客觀的（粗略統計20年多發的電產生經濟效益在1000萬人民幣左右）。

圖3 DFIG和PMSG發電量比較

5 結論

（1） 從結構分析來看，DFIG和PMSG在技術參數上各有優缺點，DFIG相比PMSG變流器容量小，易于安裝和維護，成本低，發電機結構簡單，重量和體積比同步發電機大大減小。但低電壓穿越功能不強，需要在變流器中額外增加模塊，現在DFIG的市場認可度較高，但由于其低電壓穿越能力不好，所以，如果國家以后出臺并網要求相關規定后，市場將傾向于同步風力發電機組。

（2）就技術成熟度來講，目前國內外DFIG技術成熟，國內大多數兆瓦級風機均采用該機型，而PMSG國內該方面的技術尚處于研發階段，產業鏈不完善，基本要依賴進口。

（3）就成本來講，雙饋式風力發電機組比同步風力發電機組要低一些，雙饋式風機變流器（風機容量相同）比全功率變流器的成本價格低30%左右。

（4）從發電質量和發電量來看，雙饋式異步發電機發出的電能都是經變壓器升壓后直接與電網并聯，加之在轉速控制系統中采用了電力電子裝置，會產生電力諧波，發電機在向電網輸出有功功率的同時，還必須從電網吸收滯后的無功功率，使功率因數惡化，加重了電網的負擔；而PMSG具備最大風能跟蹤、定子側功率因數和網側功率因數調節功能以及有功、無功的解耦控制功能，由于并網電路將PMSG與電網分開，因此該電路具有隔離故障的能力，不會因電網故障損害PMSG，也不會因PMSG故障對電網產生負面影響。該電路還具備有功無功的存儲能力，以保證在無風或少風情況下對電網起到穩定支撐作用。同時在同一工況條件下PMSG比DFIG發電量要高出很多。

表1 DFIG和PMSG結構性能比較

綜上，雙饋異步機型成本較低，在短期內它將是主流機型，具有很強的市場競爭力。但隨著國家風電機組裝機容量的快速增長，風電在整個電網所占比重不斷加大，電力部門對風電并網的要求也會越來越高（華北電網已正式出臺了相關標準），可以預見具備“低電壓穿越功能”的全功率變流同步機型必將是今后風機技術的發展趨勢。

[1] 葉杭冶. 風力發電機組的控制技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2006.1.

[2] 王秀和. 永磁電機[M]. 北京: 中國電力出版社, 2007.

[3] 李濱波, 段向陽. 風力發電機原理及風力發電技術[J]. 湖北電力, 2007, 31（6）.