雙饋風電機組與永磁直驅機組對比分析

文 | 蔡梅園，陶友傳，劉靜，杜煒

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雙饋風電機組與永磁直驅機組對比分析

文 | 蔡梅園，陶友傳，劉靜，杜煒

目前，國內的并網型機組中，水平軸風電機組占據著主導地位，水平軸機組的主要代表是雙饋型機組（帶增速齒輪箱）和直驅型機組（不帶增速齒輪箱），這兩類機組在2011年我國新增風電機組中的總占有率高達97% 以上。2013年國內共有8家整機企業供應了3052臺無齒輪箱直驅式風電機組，共有23家整機企業供應了6304臺帶有齒輪箱的風電機組，這兩種機型占比分別為32%和68%。無齒輪箱直驅式風電機組又以永磁直驅機組為主。國內已有人對雙饋風電機組與高速永磁風電機組進行了定性和定量的對比分析，但因缺少實測數據，現有文獻僅對雙饋機組與永磁直驅機組進行了定性的對比分析。本文不僅在運行原理、結構、性能等方面對雙饋機組與永磁直驅機組進行了定性對比分析，還在效率、功率曲線等方面進行了定量對比分析。

運行原理對比

雙饋式變速恒頻風力發電系統（拓撲圖見圖1）采用的發電機為轉子交流勵磁雙饋發電機，其結構與繞線式異步電機類似, 定轉子三相對稱，轉子電流由滑環接入。當轉子轉速變化、無功需求變化時通過變頻器改變轉子電流的頻率、相位、幅值保持定子頻率穩定和無功調節。由于這種變速恒頻控制方案是在轉子電路實現的，流過轉子電路的功率是由交流勵磁發電機的轉速運行范圍所決定的轉差功率，該轉差功率僅為定子額定功率的一小部分，故所需的雙向變頻器的容量僅為發電機容量的一小部分，約占發電機功率的20%－30%。這種采用交流勵磁雙饋發電機的控制方案除了可實現變速恒頻控制，減少變頻器的容量外，還可實現對有功、無功功率的靈活控制，對電網而言可起到無功補償的作用。

永磁直驅風電機組取消了增速齒輪箱，風輪軸直接和發電機軸直接相連，發電機多采用永磁式結構的轉子的同步發電機，無須外部提供勵磁電源。轉子的轉速隨風速的變化而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經過全功率電力電子變頻器將頻率不定的交流電整流成直流電，再逆變成與電網同頻率的交流電輸出。其拓撲結構見圖2，變頻器的容量較大，達發電機額定容量的120%以上。

主要部件的結構差異及機組性能對比

雙饋機組和直驅機組在發電機、變頻器、齒輪箱等主要部件等方面存在一定差異。

（一）發電機：目前雙饋機組采用雙饋式異步發電機，而直驅機組多采用低速多極發電機，發電機的勵磁方式大部分為永磁。直驅式發電機轉數低，磁極數多，通常在90極以上，體積和重量都較大。永磁材料在震動、沖擊、高溫情況下易失磁，而且存在永久的強磁性，在現場條件下檢修較困難。雙饋式異步風電機重量輕、體積小。

（二）變頻器：直驅機組采用的是全功率變頻器，容量大、諧波大。雙饋機組中僅有轉差功率經過變頻器，變頻器容量小、價格低、諧波小。

（三）齒輪箱：直驅機組不采用齒輪箱。雙饋機組多采用變比較大的齒輪箱。

雙饋機組和永磁直驅機組結構性能比較一覽表見表1。

除表1中已列的內容，在風電場投資建設時大家更加關注的是機組的成本以及發電效率，下文就這兩方面進行詳細的對比分析。

成本比較

一、生產制造成本

從生產制造成本方面來講，雙饋機組與永磁直驅機組的差別主要在發電機、齒輪箱、變頻器三方面，控制系統等其他系統的造價相差不多。表2為典型的2MW雙饋機組與永磁直驅機組在以上三方面的價格比較。

由表2可以看出，典型的2MW雙饋機組較永磁直驅機組在成本方面低20萬元左右，折算到單位千瓦的成本為100元。

表2　典型的2MW雙饋機組與永磁直驅機組發電機、齒輪箱、變頻器成本比較（單位：萬元）

二、運輸、安裝、運維分析

雙饋機組因轉速高、轉矩小，發電機尺寸較小、重量較輕；永磁直驅機組體積和重量大，隨著單機容量的增加，直驅機組重量增加特別明顯。直驅和雙饋傳動鏈主要差異部件的平均重量對比見表3。由此可見直驅機組帶來了運輸、吊裝等一系列的成本增加。

從維護和故障維修方面看，雙饋機組有齒輪箱和發電機滑環、碳刷，增加了故障點和更換易耗件的成本。直驅機組由于沒有齒輪箱和發電機滑環、碳刷，會減少相對應的故障率。但直驅機組必須通過空氣流過轉子和定子之間的間隙來進行冷卻，空氣中含有的帶電粒子、灰塵等會在永磁場的作用下附著在永磁體的表面，造成風電機組磁隙發生變化，從而影響機組性能。永磁機組因存在強的永磁場，金屬工具在機組上也很難運作，維修維護困難。而雙饋機型可以單獨對齒輪箱、發電機等部件進行維修，其維護難度遠低于直驅機型。

在運輸、安裝、運維方面雙饋與永磁直驅機組都各有優缺點。由于所站的立場不同，行業內各方的觀點沒法完全統一，加之缺乏相關統計數據，很難準確且定量地對兩者的優勢進行全面而公正的對比分析。但從上面的定性分析來看，兩者在制造、運輸、安裝、運維方面所花費的成本差別不會很大。

效率及功率對比

此前很多文獻從定性上對這兩種機組的效率及功率曲線進行了論述，主要的觀點是永磁直驅機組取消了齒輪箱再加上發電機轉子無損耗，由此定性地認為永磁直驅機組的效率高于雙饋機組。本文從多方面收集了各部件的效率實測值，定量地對這兩種機型的效率以及功率曲線進行了對比分析。

一、兩種機組的損耗組成

本文對效率比較的起止點為機艙輪轂至發電機上網側，至于機組自耗電和線路損耗由于各廠家的設計不同而不同，在假設機組自耗電和線路損耗相當的基礎上對機組的效率進行比較。那么雙饋機組的損耗主要包括發電機損耗、變頻器損耗、齒輪箱損耗三部分，永磁直驅機組主要包括發電機損耗、變頻器損耗兩部分。

二、 效率以及功率曲線對比分析

本文以某2.0MW機組為例，結合試驗數據和理論計算數據，定量對兩種機組進行了對比分析。

（一）雙饋機組主要部件的效率

某2MW雙饋機組全功率范圍內齒輪箱的效率實測值以及發電系統的效率實測值見圖3、圖4。發電系統是指雙饋發電機與變頻器的整體，發電系統的效率是指雙饋系統的齒輪箱出口至發電機網側的效率。

雙饋機組主要部件的效率曲線特點：

1.齒輪箱的效率在負載約1500kW即65%額定負載左右時效率值達到最大約97%，在此之前變化幅度較大，之后較平滑。

2.發電系統的效率在負載約700kW即額定負載的30%左右效率值達到最大約96%，此時也是同步轉速附近。在低負載段效率值較低，只有45%左右，而且變化幅度較大。在30%負載以后效率值基本穩定在95.5%左右。

（二）永磁直驅機組主要部件的效率

某2MW永磁直驅機組的永磁發電機以及變頻器全功率范圍內的效率曲線見圖5、圖6。

永磁直驅機組主要部件效率曲線特點：

1.永磁發電機的效率較恒定，絕大部分負載段效率值均在94%左右，只有負載率低于10%以下效率值才有明顯的下降。

2.全功率變頻器的效率曲線與永磁直驅發電機的曲線類似，絕大部分負載段效率值均在96.5%左右，負載低于10%以下效率值才有明顯的下降。

（三）兩種機組的效率曲線以及功率曲線對比

兩種機組全功率范圍內的效率曲線對比見圖7，功率曲線(不考慮自耗電)對比見圖8。為了直觀對比兩種機組的功率曲線，圖9表示的是兩種機組功率曲線的功率差值。

兩種機組的對比分析如下：

1.由圖7可以得出，在負載小于約500kW即負載率小于約21.5%時，雙饋機組的效率低于永磁直驅機組的效率，最大差值出現在起始點，相差1.6%。負載率大于21.5%時雙饋機組的效率高于永磁直驅機組的效率，最大差值出現在負載率64%至額定點之前的較寬的一段范圍內，相差約2%。

2.結合圖8、圖9可以看出，風速小于5.8m/s時雙饋機組的功率小于直驅機組，最大相差13kW左右，出現在4m/s風速時；風速大于5.8m/s至滿發風速段雙饋機組的功率大于永磁直驅機組，最大相差約45kW，出現在滿發之前。

3.從圖8可以看出，雙饋機組比永磁直驅機組提前約0.1m/s風速進入滿發狀態。

4.由于雙饋機組齒輪箱冷卻自耗電約10kW，以及其它部分自耗電的差異，故就發電量來說兩種機組的差異不會很大。

總結

本文就雙饋機組與永磁直驅機組在運行原理、結構、性能、成本、效率、功率曲線等方面組進行了對比分析，著重對成本、效率以及功率曲線進行了定量分析。在結構、運輸、安裝、運維方面雙饋與永磁直驅機組都各有優缺點，定性分析來看，兩者差別不會很大。以某2.0MW機組為例，從效率、功率曲線定量分析來看：機組負載率小于約21.5%時雙饋機組的效率低于永磁直驅機組的效率，最大差值出現在起始點，相差1.6%；隨著機組負載率增加，雙饋機組的效率高于永磁直驅機組的效率，最大差值出現在負載率64%至額定點之前的較寬的一段范圍內，相差約2%；從功率曲線對比來看，在風速小于5.8m/s的低風速段時永磁直驅機組有一定的優勢，風速高于5.8m/s，特別是接近滿發風速時雙饋機組優勢明顯；由于自耗電的差異，兩種機組的發電量差異不會很大。

（作者單位：中船重工（重慶）海裝風電設備有限公司）