分頻風電系統用于直驅式風機和雙饋式風機對比

孫博力，高桂革，曾憲文

（上海電機學院 電氣學院，上海 200240）

分頻風電系統用于直驅式風機和雙饋式風機對比

孫博力，高桂革，曾憲文

（上海電機學院 電氣學院，上海 200240）

分頻輸電系統是通過降低輸電頻率、提高輸電容量來解決高壓直流輸電運送距離有限這一問題的一種新的輸電方法。現在市場上主要有2種風機——直驅式風力發電機和雙饋式風力發電機，分頻輸電系統可以用于這2種風機的海上風電并網。對比直驅式、雙饋式風力發電機，將分頻海上風電系統用于直驅式風機和雙饋式風機，從經濟性、風能利用和系統與風機的配合上進行對比，證明分頻海上風電系統更適用于永磁直驅式風力發電機。

分頻輸電系統；直驅式風力發電機；雙饋式風力發電機；分頻海上風電系統

能源問題一直是世界各個領域不可忽視的問題。隨著世界人口的不斷增加和社會文明的不斷進步，全球用電量也在不斷增加，煤炭石油等化石能源并非可再生的能源，其面臨枯竭的問題已眾所周知，而解決這個問題最有效的途徑就是開發和利用新能源。目前，出現了大量的可再生新能源，比如風能、太陽能、潮汐能、波浪能、生物能、地熱能和氫能等。其中，風能是較為理想的能源之一，大多地區都有較為豐富的風力資源，而且風力發電技術也在不斷發展，且技術較為成熟。近年來，世界各地的風能發電發展迅速，這也是相關部門和人員要研究的熱點問題之一。

風力發電分為陸上風力發電和海上風力發電2種。陸上的風力資源和土地資源有限，且噪聲、陰影、阻礙信號等都會對人們的日常生活造成一定的影響，所以發展有限。而海上的風力資源更加豐富、穩定，對周圍居住和生態環境的影響比較小，且可以大大提高風機功率和裝機量，因此，海上風力發電發展速度十分快，特別是歐洲和我國一些地區發展尤為迅速，海上風機的比例逐年增加。

隨著海上風力發電的不斷發展，海上風機的離岸距離也越來越遠，且距離越遠，海上風力發電的優勢越明顯，從而形成了從近海風力發電到遠距離海上風力發電的發展趨勢，而這一發展也帶來了新的問題，即遠距離輸電問題。在海上風電的實際應用中，主要運用的有2種輸電方式，一種是近距離運用的高壓交流輸電（high voltage alternate current，HVAC），另一種是遠距離應用的高壓直流輸電（high voltage direct current，HVDC），這2種輸電技術都已經比較成熟。但是，高壓直流輸電兩端的換流設備十分昂貴，成為了限制它發展的最大問題。于是，分頻輸電系統（The fractional frequency transmission system）開始被人們關注。

分頻傳輸（The fractional frequency transmission）是由西安交通大學的王錫凡教授1994年第一次針對遠距離水電輸送提出的一種新的輸電系統。它是用降低輸電的頻率來減少輸電電抗，提高輸電容量的原理來改進工頻的交流輸電。這樣可以大大提高高壓交流輸電的傳輸距離。將分頻傳輸用于海上風電傳輸，與高壓直流輸電相比，不僅可以少一個換流站，還可以將換流站建在陸上，大大減少建造和維修成本。

從理論上來講，海上風機的分頻輸電系統彌補了高壓交流輸電輸送距離不足和高壓直流輸電高成本的問題，且具有減少輸電回路數和出現走廊以及可以延長輸電線壽命的優勢。研究表明，在30～150 km的距離內，分頻輸電的成本低于高壓直流輸電。這是初次投資的成本比較，如果將維護成本等都計算在內，分頻輸電的優勢將會更加明顯。

文獻[7]認為，海上分頻輸電系統更適用于直驅式風力發電機，海上多臺風機的輸出直接連接分頻的交流母線，如果使用永磁直驅機型，可以去掉風機后面的換流器，降低成本，使結構更為簡單。文獻[8]將分頻輸電系統應用于雙饋風力發電機，并與同等條件下的工頻交流輸電對比，分頻輸電系統適用于雙饋風力發電機型，并且有較好的效果。基于以上研究結果，本文具體討論了直驅式、雙饋式風力發電機的對比情況，將分頻海上風電系統用于直驅式風機和雙饋式風機，從經濟性、風能利用和系統與風機的配合上進行對比，以證明分頻海上風電系統更適用于永磁直驅式風力發電機。

1 直驅式、雙饋式風力發電機對比

1.1 直驅式風力發電機

直驅式風力發電機（Direct-driven Wind Turbine Generator）又被稱為沒有齒輪的同步式風力發電機。如圖1所示，直驅式風力發電機由風力機和永磁同步發電機直接耦合，通過改變極對數來控制頻率。其最大的特點是免去了傳統部件齒輪箱的部分，使風力發電機的質量和體積大大減小，提高了運行可靠性，減少了運行噪聲，而且降低了后期的維護費用。但直驅式風力發電機也有其退磁和永磁體等成本比較高的缺點。隨著技術的不斷發展，直驅式風機在性能提高的前提下，其成本也在不斷降低，具有良好的發展前景。

圖1 直驅式風力發電機結構

1.2 雙饋式風力發電機

雙饋式風力發電機（Double-Fed Induction Generator）是現在市場上應用最為廣泛的一種風機，其結構如圖2所示，包括齒輪箱、雙饋異步發電機和變頻器等。雙饋式風力發電機具有相對成本低、技術發展成熟、能有效控制無功功率等特點。但是，雙饋式風力發電機的運行能力相對不穩定，齒輪箱等部件容易損壞，需要的后期維修費用比較多。

圖2 雙饋式風力發電機結構

2 分頻海上風電系統的結構

2.1 分頻海上風電系統用于直驅式風機

海上直驅式風機隨著風速的變化控制低頻側的頻率，將風能利用率最大化，如圖3所示，經過分頻輸電線路輸電，頻率控制在12～17 Hz之間，然后連接岸上的換流站實現變壓變頻控制后輸送給電網。

圖3 分頻海上風電系統用于直驅式風機

2.2 分頻海上風電系統用于雙饋式風機

如圖4所示，海上雙饋式風力發電機發電后經分頻升壓變進行頻率控制，將輸送頻率恒定在工頻頻率的1/3，然后連接岸上的換流站進行變壓變頻控制后輸送給電網。

3 分頻海上風電系統用于直驅式風機和雙饋式風機對比

以GW1 500 kW的直驅式風機和CCWE-1 500 kW的雙饋式風機為例，它們的額定功率都為1.5 MW，額定電壓都為0.69 kV。

圖4 分頻海上風電系統用于雙饋式風機

3.1 經濟性對比

2種風機的成本對比情況如表1所示。

表1 2種風機的成本

市面上直驅式風力發電機的平均造價約為4 100元/kW，1臺1.5 MW的直驅式風機造價約為615萬元；雙饋式風力發電機的平均造價約為3 700元/kW，1臺1.5 MW的雙饋式風機造價約為555萬元。在造價上，直驅式風機的費用要高于雙饋式風機。但是，在維護費用方面，直驅式風機每年的維護費約為造價的1.5%，而雙饋式風機每年的維護費用達造價的3%.按10年來換算，直驅式風機的維護費用為92.25萬，而雙饋式風機則需要166.5萬。總體成本計算后，直驅式風機的成本還略低于雙饋式風機。所以，從經濟上看，海上分頻輸電系統更適用于直驅式風機。

3.2 風能利用對比

當風速高于額定風速時，輸出公里保持為額定功率不變；當風速在額定功率以下時，風力發電輸出功率隨著風速的變化尋求最大的功率。尋求最大功率的計算公式是：

式（1）中：Cp為風能利用系數；A為葉片掃過的面積；ρ為空氣密度；ν為速度。

因此，只要保持最佳的葉尖速比就可以獲得最大的風能利用。而葉片的轉速與風速對應，也與頻率成正比。

直驅式風機沒有齒輪箱，低壓側頻率與風速有直接關系；而雙饋式風機有齒輪箱，低壓側的頻率保持在輸電恒定頻率。如圖5所示，當直驅式風機的風速低于6.9 m/s時，將低頻側頻率控制在12.1 Hz；當風速高于9.2 m/s時，低頻側頻率控制在16.1 Hz；當風速在6.9～9.2 m/s間，低頻側頻率隨著風速成線性變化。這樣，在保證直驅式風機運行性能的前提下，可以最大程度地利用風能。如圖6所示，雙饋風機經變頻控制后，低頻側保持在輸電頻率50/3 Hz。結合風機輸出功率隨頻率控制的變化圖，如圖7所示，直驅式風機的平均輸出功率要高于雙饋式風機。所以，從風能利用上看，海上分頻輸電系統更適用于直驅式風機。

圖5 直驅式風機低頻側頻率隨風速變化控制

圖6 雙饋式風機低頻側頻率隨風速變化控制

圖7 風機輸出功率隨頻率控制的變化

3.3 與分頻系統的配合對比

由于直驅式風機比雙饋式風機的結構更簡單，不需要齒輪箱部分，所以，直驅式風機的體積和質量會遠遠低于雙饋式風機。這不僅便于海上風電場的建設和維護，還減小了風電機組的慣性，能夠快速適應風速的變化，提高風能的捕獲能力，在一定程度上提高了風能利用率。轉速一定時，直驅式風機通過增加電機的極對數來提高低頻側的頻率。在分頻輸電系統中，要求的輸電頻率遠小于工頻的50 Hz，這又可以大大減小電機的極對數，進一步簡化直驅式風機。

電機轉速的計算公式是：

式（2）中：n為電機轉速；f為頻率；P為電機極對數。

所以，從海上分頻輸電系統與2種風機的配合上看，該系統適用于直驅式風機。

4 結束語

本文對比了海上分頻輸電系統用于直驅式風機和雙饋式風機在結構、經濟、風能利用、系統間配合這些方面的情況，得知海上分頻輸電系統更適用于直驅式風力發電機。

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〔編輯：白潔〕

TM614

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.151

2095-6835（2017）13-0151-03