雙饋型風機與直驅型風機的比較分析

1、雙饋型風機與直驅型風機的比較分析學號： 學院（系）：專業(yè)：姓名：自動化學院電氣工程及其自動化2013年1月雙饋型風機與直驅型風機的比較分析1、引言1.1風力發(fā)電的背景風力發(fā)電是電力可持續(xù)發(fā)展的最佳戰(zhàn)略選擇。清潔、高效成為能源生產和 消費的主流,世界各國都在加快能源發(fā)展多樣化的步伐。從20世紀90年代開 始，世界能源電力市場發(fā)展最為迅速的已經不再是石油、煤和天然氣，而是太陽能 發(fā)電、風力發(fā)電等可再生能源。世界各地都在通過立法或不同的優(yōu)惠政策積極激 勵、扶持發(fā)展風電技術，而中國是風能資源較豐富的國家，更需要開發(fā)利用風電 技術。技術創(chuàng)新使風電技術日益成熟。目前，在發(fā)達國家風電的年裝機容量以35.7%

2、 高速度增長。一個重要原因是各國積極以科學的發(fā)展觀,采取技術創(chuàng)新，使風電技 術日益成熟。目前單機容量500kW、600kW、750kW的風電機組已達到批量商 業(yè)化生產的水平，并成為當前世界風力發(fā)電的主力機型，兆瓦級的機組也已經開發(fā) 出來，并投入生產試運行。同時，在風電機組葉片設計和制造過程中廣泛采用了新 技術和新材料，風電控制系統(tǒng)和保護系統(tǒng)廣泛應用電子技術和計算機技術，有效 地提高風力發(fā)電總體設計能力和水平,而且新材料和新技術對于增強風電設備的 保護功能和控制功能也有重大作用。風力發(fā)電將能迅速緩解我國能源急需和電力短缺的局面，近兩年中國出現大 面積的缺電，風能發(fā)電對于緩解缺電具有非同尋常的意義

3、。風電的諸多優(yōu)勢中， 一個重要特點是風電上馬快，不像火電、水電的建設需要按年來計算，風電在有 風場數據的前提下其建設只需要以周、月來計算，即風場是可以在短時間內完成 的。世界風電正在以33%甚至在部分國家以60%以上的增速發(fā)展，我國完全有 可能以迅速發(fā)展風電的模式來解決我國燃眉之急的電力短缺。1.2世界風電技術的發(fā)展進入二十一世紀之后，隨著現代電力電子技術的不斷發(fā)展，新材料的涌現以及工 藝的不斷完善，世界風力發(fā)電技術又向前邁進了一大步，主要表現如下：（1）風力發(fā)電單機容量繼續(xù)穩(wěn)步上升。在風力發(fā)電領域內，“更大，更好” 在近些年中一直是所有風機研究、設計和制造商所信奉的原則之一。為了降低風 力發(fā)

4、電的成本，提高風電的市場競爭能力，隨著現代風電技術的發(fā)展與日趨成熟, 風力發(fā)電機組的技術沿著增大單機容量、減輕單位千瓦重量、提高轉換效率的方 向發(fā)展。（2）變槳調節(jié)方式迅速取代失速功率調節(jié)方式。失速調節(jié)方式的主要缺陷是：風力發(fā)電機組的性能受葉片失速性能的限制，額定風速較高，在風速超過額 定值時發(fā)電功率有所下降。采用變槳調節(jié)方式能充分克服以上缺陷，故得到了迅 速的應用。（3）變速恒頻方式迅速取代恒速恒頻方式。變速恒頻方式通過控制發(fā)電機 的轉速，能使風力機的葉尖速比（tip speed ratio）接近最佳值，從而最大限度的利 用風能，提咼風力機的運行效率。（4）無齒輪箱系統(tǒng)的市場份額迅速擴大。齒

5、輪傳動不僅降低了風電轉換效率和產生噪音，是造成機械故障的主要原因，而且為減少機械磨損需要潤滑清洗 等定期維護。采用無齒輪箱的直驅方式雖然提高了電機的設計成本，但卻有效的 提高了系統(tǒng)的效率以及運行可靠性。近幾年直接驅動技術在風電領域得到了重 視，這種風力發(fā)電機組采用多極發(fā)電機與葉輪直接連接進行驅動的方式，從而免 去了齒輪箱這一傳統(tǒng)部件，由于其具有很多技術方面的優(yōu)點，特別是采用永磁發(fā) 電機技術，其可靠性和效率更高，處于當今國際上領先地位，在今后風電機組發(fā) 展中將有很大的發(fā)展空間。2、雙饋式系統(tǒng)2.1雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)雙饋式發(fā)電機是變速運行風電系統(tǒng)的一種，其模型如圖1.1所示，包括風力機、 齒輪箱、感

6、應發(fā)電機、PWM變頻器和直流側電容器等。雙饋機的定子與電網直 接連接，轉子通過兩個變頻器連接到電網，機組可在較大速度范圍內運行，與電 網之間實現能量雙向傳輸。當發(fā)電機運行在超同步速度時，發(fā)電機定子和轉子同 時向電網輸送能量;而當運行在亞同步速度時，電網通過變頻器向轉子輸送功率。 直流側電容器的作用是維持直流母線電壓恒定。與恒速風力機不同，其功率控制 方式為變槳距控制，即槳葉節(jié)距角隨著風速的改變而改變，從而使風力機在較大 范圍內按最佳參數運行，以提高風能利用率。當風速增大到額定值以上時， 葉片與輪轂問的軸承機構轉動使葉片槳距角增大，攻角減小，從而減小翼型的升 力，達到控制風力機葉片的扭矩和限制風

7、機捕獲的功率。圖1. 1雙饋式風力發(fā)電機結構圖雙饋式風力發(fā)電系統(tǒng)是目前世界各國風力發(fā)電的研究熱點之一，我國已有部分地 區(qū)的風力發(fā)電場開始使用這種發(fā)電系統(tǒng)。相對于傳統(tǒng)的恒速發(fā)電系統(tǒng)其性能優(yōu)勢 體現在：（1）降低輸出功率的波動和機組的機械應力；（2）不需要無功補償裝置； （3）可以追蹤最大風能，提咼風能利用率；（4）控制轉子電流就可以在大范圍內控 制電機轉差率、有功功率和無功功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；（5）在轉子側控制功 率因數，可提高電能質量；（6）變頻器容量僅占發(fā)電機額定容量的25%左右，與 其它全功率變頻器相比大大降低變頻器的損耗及投資。因此，目前的大型風力發(fā) 電機組一般是這種變槳距控制的雙饋

8、式風力機，但其主要缺點在于控制方式相對 復雜，機組價格昂貴。211雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)概述圖1. 2雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)結構如圖1. 2所示。系統(tǒng)主要有以下部分組成： 風能捕獲裝置（風機）、機械傳動機構、雙饋發(fā)電機組、背靠背變流器以及網側 變壓器?？梢钥闯觯兯俸泐l雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)中背靠背變流器包括轉子側變 流器與網側變流器兩部分組成，直流側電容位于兩個變流器之間，以保持直流側 電壓的穩(wěn)定。轉子側變流器不但可以控制雙饋電子的轉矩與轉速，而且可以 控制雙饋電子定子側并網功率因數；網側變流器的主要作用則是維持直流側電 壓的穩(wěn)定。從雙饋電機轉速一轉矩特性曲線圖1. 3可以看

9、出，雙饋電機在同步轉速烈的 +Aco,速度范圍內，既可以做電動運行，又可以做發(fā)電運行，雙饋風力發(fā)電系統(tǒng) 通常在土 30 %的同步轉速的范圍內實現有界的變速運行。發(fā)電機Mg1. 3雙饋電機轉速一轉矩特性繞線式雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)運行過程為：額定風速以下時，通過變流器來控 制發(fā)電機轉子的電磁轉矩，控制系統(tǒng)轉速跟隨風速變化，使其運行在最優(yōu)葉尖 速比名狀態(tài)下，從而可以捕獲最大風能；當風速高于額定風速時，通過變槳距 機構調節(jié)風機槳距角，使其捕獲恒定風能，限制了系統(tǒng)功率的增加，提高傳動 系統(tǒng)柔性，使功率輸出平穩(wěn)。綜上所述，變速恒頻雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)由于其可以在保證輸出電能幅值和 頻率均恒定的條件下，通過調節(jié)雙饋

10、發(fā)電機組的運行轉速使其捕獲到最大風能 并能通過變槳距機構保證其功率捕獲不會無限增加，因此得到廣泛的應用。2.1效饋風力發(fā)電風機運行工況下面將變速恒頻雙饋風力發(fā)系統(tǒng)風機運行狀況予以簡單介紹, 如圖1. 4所示，正常情況下風機的運行特性可以劃分 為四段，即四種運行模式：I II ID E切入鳳速鳳速切出風速I II ID E切入鳳速鳳速切出風速圖1. 4風力發(fā)電機不同運行模式下的功率曲線模式I（AB）：當風速較低，在切入風速附近時，此時相應的雙饋電機的轉速也 較低。此模式下為了使發(fā)電機轉速運行較為平穩(wěn)，在該模式中風機通常保持恒速 運行。模式II（BC）：此模式中風機及發(fā)電機組的旋轉速度在最小速度與

11、額定速度之 間，為了最大限度的利用風能，在此模式中通常采用最大功率點跟蹤控制技術， 維持風機運行在最佳葉尖速比上，并獲取最大風能利用系數，以提高風力發(fā)電的 效率。模式III（CD）：在此模式下，由于風機所設計的機械強度、容許的噪聲以及變 流器的容量等因素的限制，通常需要對風力發(fā)電機的運轉速度進行限制。風機和 發(fā)電機組的轉速被限制在額定轉速，即恒速運行，此時由于風速的上升風機的轉 矩將繼續(xù)上升，進而使其捕獲的功率也在上升，發(fā)電機組發(fā)出的功率也在增加。 模式IV（DE）:隨著風速的進一步增大，風機的輸出功率將繼續(xù)上升，但是由 于風機和變流器等裝置的機械、電氣特性限制，在風速較大時通常需要對風機所

12、捕獲功率進行限制，在這一過程中風機的轉速依然保持不變，因此需要調節(jié)槳距 角進行配合控制以實現對風機捕獲功率的限制。在此模式下，由于風機轉速不變, 因此隨著風速的增加風機的葉尖速比A在減小，再配合槳距角的增加使得風機 的風能利用系數C,將逐漸降低，從而起到限制風機捕獲功率的作用。2.2.1雙饋異步電機圖1. 5繞線轉子型異步雙饋電機圖1.25的風力發(fā)電系統(tǒng)由雙饋異步電機構成，定子繞組直接連接到電網，轉子 側變流器過四象限運行背靠背雙PWM變流器連接到電網，可以使用晶閘管變 流器，但是它們有一定的性能限制。通常，轉子側變流器調節(jié)調節(jié)電磁轉矩，提 供部分無功功率用于維持電機磁場。另外，通過電源側變流

13、器調節(jié)直流連接電壓。 與同步電機相比，使用雙饋電機有以下優(yōu)點：（1）減小了逆變器損失，因為逆變器功率只需為整個系統(tǒng)總功率的1/4,這是 因為變流器只需要控制轉子滑差功率。（2）減小逆變器和電磁噪聲濾波損失。（3）在外部擾動下，雙饋電機具有更好的魯棒性和可靠性。雙饋電機的缺點就是使用滑環(huán)，需要定期維修，這極為不方便，尤其是用于海上 風力發(fā)電時。2.2.2無刷雙饋發(fā)電機系統(tǒng)如圖1.6所示，采用的發(fā)電機為無刷雙饋發(fā)電機。其定子有兩套極數不 同的繞組，一個稱為功率繞組，直接接電網；另一個稱為控制繞組，通過雙向變 頻器接電網，如圖1.6所示。（定子繞組也可只有一套繞組，但需有6個出 線端，3個為功率端口

14、，接工頻電網；另外3個出線端為控制端口，通過變頻 器接電網）。其轉子為籠型或磁阻式結構，無需電刷和滑環(huán)，轉子的極數應為定 子兩個繞組極對數之和。圖1. 6無刷雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)這種無刷雙饋發(fā)電機定子的功率繞組和控制繞組的作用分別相當于交流勵磁雙饋發(fā)電機的定子繞組和轉子繞組，因此，盡管這兩種發(fā)電機的運行機制有著本 質的區(qū)別，但卻可以通過同樣的控制策略實現變速恒頻控制。盡管這種變速恒頻 控制方案是在定子電路實現的，但流過定子控制繞組的功率僅為無刷雙饋發(fā)電機 總功率的一小部分，因此圖1.6中所示的雙向變頻器的容量也僅為發(fā)電機容量 的一小部分。這種采用無刷雙饋發(fā)電機的控制方案除了可實現變速恒頻控制，降低

15、變頻器 的容量外，還可實現有功、無功功率的靈活控制，對電網而言可起到無功補償的 作用，同時發(fā)電機本身沒有滑環(huán)和電刷，既降低了電機的成本，又提高了系統(tǒng)運 行的可靠性。風力發(fā)電系統(tǒng)還可以采用其他電機，變磁阻電機，雙速異步電機，但是它們 的技術目前還不夠成熟，需要進一步的研究開發(fā)。3、直驅電機31直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)直驅式風力發(fā)電系統(tǒng)的風力機與發(fā)電機轉子直接耦合，所以發(fā)電機的輸出端電 壓、頻率隨風速的變化而變化。要實現風力機組并網，需要保證機組電壓的幅值、 頻率、相位、相序與電網保持一致。在該風力發(fā)電系統(tǒng)中，采用風力機直接驅動低速永磁同步交流電機產生電能。使 用直接驅動技術，在風力機與交流發(fā)電機之間不

16、需要安裝升速齒輪箱，因而減少 了維修周期，降低由于齒輪箱造成的噪聲污染，在低風速時具有更高的效率。該 系統(tǒng)中的低速交流發(fā)電機的轉子極數遠多于普通交流同步發(fā)電機的極數，因此這 種電機的轉子外圓及定子內徑尺寸大大增加，而其軸向長度則相對很短，呈圓盤 形狀，為了簡化系統(tǒng)的控制結構，減小發(fā)電機的體積和質量，采用永磁電機是具 有較大的優(yōu)勢。直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)結構示意圖如圖1 一 7所示。圖1. 7直驅式永磁同步風力發(fā)電系統(tǒng)風電系統(tǒng)將發(fā)電機發(fā)出的全部交流電經整流/逆變裝置轉換后并入電網，因此需 要采用大功率的電力電子器件IGBT（絕緣柵極雙極型晶體管）是一種結合大功率 晶體管及功率場效應晶體管兩者

17、特點的復合型電力電子器件，既具有工作速度 快，驅動功率小的優(yōu)點，又兼有大功率晶體管的電流能力大，導通壓降低的優(yōu)點。 直流環(huán)節(jié)并有一大電容，可維持母線電壓恒定該風力發(fā)電系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）永磁同步發(fā)電機具有結構簡單、體積小、重 量輕、損耗小、效率高、可靠性高的特點。該系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機是低速電 機，它能與風力機很好的匹配，風力機可以和永磁發(fā)電機直接耦合，省去了其它 風力發(fā)電系統(tǒng)中的增速箱，使機組結構大大簡化，減少發(fā)電機的維護工作并且降 低噪聲；（2）該方案在一定程度上實現了系統(tǒng)的解耦控制，提高系統(tǒng)運行可靠性； 可以獨立設計逆變器部分。其缺點就是需要兩個全功率電力變換器，但比起升速 系統(tǒng)所

18、采用的升速齒輪箱結構，該系統(tǒng)的應用，應該還是以后風電領域的一個趨 勢。如Enercon公司生產的2MW系列型號E 一 82采用變速變槳距無齒輪直接 驅動技術。311直驅系統(tǒng)概述直驅系統(tǒng)機型中，DDEESG需要通過滑環(huán)和電刷實現對電機轉子繞組電流的控 制，而滑環(huán)和電刷存在滑動接觸，長期運行故障率較高，同時DDEESG系統(tǒng)中 發(fā)電機龐大的體積和重量也嚴重制約其推廣，因此當前除Enercon公司裝機的直 驅型機組有DDEESG機型外，其它直驅系統(tǒng)均采用了 DDPMSG類型。直驅系統(tǒng)的研究始于20多年前，但由于電氣技術和成本等原因，發(fā)展較慢。隨 著近幾年半導體器件和永磁材料制造技術的發(fā)展，其優(yōu)勢才逐漸

19、凸現。德國西門 子公司開發(fā)的（直驅式）無齒輪同步發(fā)電機安裝在當時世界最大的挪威風力發(fā)電 場，最高效率達98%。2000年，ABB公司成功研制了巨型可變速風力發(fā)電機組， 其中包括永磁式轉子結構的高壓風力發(fā)電機Windformer，容量3兆瓦、高約70 米、風扇直徑約90米。2003年，日本三菱重工首度完全自行制造的2兆瓦型號 為MWT-S2000型風力發(fā)電機，在Okinawa電力公司開始試運行，機組采用小尺 寸的變速無齒輪永磁同步電機，新型輕質葉片。當前，雖然采用DDPMSG的風機廠商數量仍然不多，但發(fā)貨量卻占總裝機的比 例不斷上升，2007年新增風電機組中，直驅系統(tǒng)已占15%。目前較知名的直驅

20、 整機供應商有三家，分別為：Enercon公司，最近幾年其出貨量均為全球前5 名；Vensys也是國內比較熟悉的廠商，金風科技引進的就是它的1. 2Mw型， 其主流機型有1. 2MW和1. 5MW各兩款；Clipper公司，近兩年在美國的發(fā) 展勢頭相當迅猛，其主力2. 5MW機組有89 / 93 / 96 / 99四種機型，內裝4臺永磁同步發(fā)電機，絕緣級別H，冷卻方式為空冷，若其中一個故障，仍可連續(xù) 運行，可靠性很好洲。國內，多家企業(yè)也開始進軍DDPMSG領域，最為著名的便是具有自主知識產權 的新疆金風科技股份公司DDPMSG系列，其國內年裝機容量始終排在前兩名， 其它如湘潭電機集團與日本原弘

21、產株式會社合資組建（2007年改為湘電集團獨資） 的湖南湘電風能有限公司，其2兆瓦DDPMSG機型早在2007年便已試機成功， 當前也已大批量裝機；廣西銀河艾萬迪斯風力發(fā)電有限公司與德國AVAVTIS公 司聯(lián)合推出的2. 5兆瓦的PMSG也于2008年二季度完成樣機：山東瑞其能、 山東魯科、江西麥德、力德風力發(fā)電（江西）有限責任公司等也分別研制出1. 5 兆瓦永磁同步直驅型風力發(fā)電機等。311直驅系統(tǒng)的基本理論和主要部件介紹 直驅系統(tǒng)主要由風力機（這里概括為：葉片、輪轂、導航罩）、變槳機構、機艙、 塔筒、偏航機構、永磁同步發(fā)電機、風速儀、風向標、變流器、風機總控系統(tǒng)等 組成。就空間位置而言，交流器和風機總控系統(tǒng)一般放在塔筒底部，其余主要部 件均位于塔頂。系統(tǒng)中能量傳遞和轉換路徑為：風力機把捕獲的流動空氣的動能 轉換為機械能，直驅系統(tǒng)中的永磁同步發(fā)電機把風力機傳遞的機械能轉換為頻率 和電壓隨風速變化而變化的不控電能，變流器把不控的電能轉換為頻率和電壓與 電網同步的可控電能并饋入電網，從而最終實現直驅系統(tǒng)的發(fā)電并網控制。圖 1. 8為一種典型直驅系統(tǒng)主要部件在空間位置上的總體布局，圖中葉片裝在導 航 罩上。圖1. 8典型直驅風力發(fā)電系統(tǒng)結構