双馈风电机组与高速永磁风电机组对比分析

（1. 华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206；2. 国家海上风力发电工程技术研究中心，重庆 400022）

（1. 华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206；2. 国家海上风力发电工程技术研究中心，重庆 400022）

本文从风电机组角度对两种主流的发电方式，即双馈式发电机组和高速永磁发电机组，进行了对比分析。计算了两种发电方式的效率及在不同风区的年发电量，根据市场价格对各部件进行成本对比。在综合考虑了可靠性、效率、电网适应性等方面后指出，两种方式各有特点，适合客户的不同需求。因此，作为风电机组开发商，同时开发两种机型方能更好地适应市场的竞争。

风电机组；双馈；高速永磁；发电量；成本

0 引言

根据旋转转换装置的基本原理，转子的旋转速度与电能频率严格相关，而风能资源的不确定性和电网频率的确定性必然需要风电机组具备变速恒频特性。

为了实现变速恒频，一般采用两种结构：一种是双馈式发电机组，其特点是转子采用交流励磁，由一台双馈发电机（以下简称DFIG）和一台双馈变频器组成；另一种是全功率机组，即发电机发电频率与电网频率隔离，而采用电力电子器件进行频率转换。全功率机组又分为永磁直驱，电励磁直驱、鼠笼、高速电励磁、高速永磁，以及中速永磁、中速电励磁等。很多文献对于直驱和双馈进行了对比[1-2]。由于永磁材料的大幅上涨，永磁直驱式风电机组面临空前的成本压力，且在大兆瓦级风电机组中，永磁直驱发电机的体积、重量等均限制了其大规模应用。高速永磁发电机（以下简称PMHG）保持了永磁电机高可靠性、高功率密度的特点，且由于转速较高，永磁体用量很少，受永磁材料价格影响小的多。对于PMHG和DFIG发电方式的对比鲜有见于文献。下面将对这两种方式进行对比。

1 风电机组及齿轮箱模型

1.1 风电机组

并网型风电机组的示意图如图1所示。

风电机组通过叶轮捕获风能，将风能转换为作用在轮毂上的机械转矩。风电机组捕获风能转换为机械输出功率P的表达式[3]为：

其中ρair表示空气密度；

Cp表示风能利用系数；

r表示风轮半径；

vω表示风速。

计算年发电量，一般根据标准威布尔分布进行，轮毂吸收的机械功率扣除发电单元及辅助供电损耗后,即作为风电机组输出的功率，根据风速和输出功率曲线可以计算出标准风区下的年发电量，从而用于经济分析。

1.2 齿轮箱模型

在风力发电行业，一般而言，高速发电机泛指额定转速在1000rpm以上的发电机。而对于大兆瓦级风电机组的风轮额定转速一般在10rpm至20rpm之间，需要一台变比100左右的三级齿轮箱。为了提高齿轮箱的可维护性，一般将易损坏的高速部分设计成可更换方式，大大降低了由于齿轮箱失效引起的发电量损失。根据一级齿轮箱的损耗约1%，齿轮箱的损耗可以由式（2）计算：

其中，ηgearc表示三级齿轮箱额定效率。考虑风电机组特性和齿轮箱损耗后，一个典型的风电机组功率曲线如图2所示。

2 发电单元模型

发电单元包括发电机、变频器、电力电缆、辅助供电等几个主要部分。

2.1 双馈式发电单元（以下简称DFIGU）

DFIGU拓扑结构如图3所示。

当发电机转速变化时，变频器改变转子励磁频率可以保证发电机定子频率不变，从而满足变速恒频的要求。

2.1.1 DFIG设计

确定DFIG主要参数：

其中，Pwtc=P*ηgear

根据DFIG工作原理[4]：

图1 并网型机组示意图

图2 风速与转速和功率的关系

图3 DFIGU拓扑图

Ugor：转子开路电压

忽略发电机和变频器之间电缆损耗

其中，1800V≤Ugor≤2200V，0≤s≤0.35，Uconr≤690V

DFIG效率可以根据如下方法计算[5]：

Pfw指发电机其他损耗，一般取0.005Pgen。

根据电机设计结果得到MFe，及Ir，Is，Rr，Rs。

2.1.2 双馈变频器设计

双馈变频器与发电机转子通过滑环连接，通过改变转子励磁频率、幅值和相位可以调整DFIG的有功功率、无功功率及输出频率等。双馈变频器是由背靠背的两台变流器组成。一般说来双馈变频器容量是DFIG容量的1/3，对于转速范围不同的DFIG，其需要的变频器容量是不同的。另外，由于转子励磁需要，两侧变频器容量需求不同。双馈变频器两侧容量由式(14)和(15)得到。

根据式(7)和(8)得到：

双馈变频器损耗可以根据相应公式[6]计算：

其中，Ism表示机侧最大电流，Igm表示网侧最大电流。

2.1.3 电力电缆及辅助供电

为了节约电缆及降低损耗，定子侧一般设计为6.3kV。一般根据额定电流及电缆载流量进行电缆选型。

电缆效率计算根据式(17)计算

辅助供电中应考虑空载和满载时采用不同功率的散热电机以节约电能。

2.2 高速永磁式发电单元（以下简称PMHGU）

PMHGU拓扑结构如图4所示。

2.2.1 PMHG设计

在PMHGU中，以四象限运行的变频器为代表。变频器机侧控制发电机有功功率，网侧控制发电机组输出的无功功率。当风速增大时，PMHG转速提高，其输出频率和输出电压均会升高，全功率变频器机侧部分用于控制发电机的有功功率。由于PMHG感应电动势与转速成正比，当转速过高时变频器需对发电机进行弱磁控制，为了节约永磁体同时在发电机高速时降低变频器容量，永磁发电机一般设计成欠励发电机[7]。变频器选型应考虑发电机运行范围内对无功功率的需求。PMHG在额定转速和超速时的向量图见图5和图6。

图4 PMHGU拓扑结构图

图5 额定转速向量图

图6 超速向量图

PMHG效率计算方法同DFIG，但不考虑转子铜耗。根据电机设计结果可以得到MFe及Is，Rs。

DFIG和PMHG效率曲线见图7，由此可见PHHG效率高于DFIG。尤其是在功率较小时，效率高出的更多一些。

2.2.2 全功率变频器设计

根据高速永磁同步发电机设计经验，变频器机侧容量按照式(20)计算。网侧容量根据式(21)计算。

全功率变频器损耗根据式(16)计算。

电缆及辅助供电设计均同双馈，不再赘述。

3 发电量对比分析

轮毂吸收的机械功率扣除齿轮箱、发电单元、电缆及辅助供电的损耗后即是风电机组的输出功率。

当P≤0.3Pn时，

当0.3Pn≤P≤Pn时，

故得到功率曲线如图8所示。

根据功率曲线计算PMHGU和DIFGU在各类风区的年发电量，按照机组容量单位MW计算，如表1所示。

由此可见，DFIGU年发电量略高于PMHGU约2%。需要注意的是，本分析是基于输入功率相同进行的发电量分析。

4 成本对比

对于双馈发电方式和永磁发电方式成本比较，在很多文献中均进行了分析，但事实上成本的定量分析是很困难的，且受诸多市场因素影响，在成本方面本文仅作定性对比，见表2。

图7 DFIG和PMHG效率曲线

图8 DFIGU和PMHGU功率曲线

5 性能分析

对于发电系统而言，性能分析主要考虑以下几个方面：

（1）对电能质量的影响；

（2）对机组载荷影响；

（3）对用户电网适应性影响。

5.1 对电能质量的影响

电能质量通俗来说就是导致用电设备故障或不正常工作的电压、电流或频率的偏差，包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂态或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。对于并网型双馈和电励磁风电机组电能质量的大多指标是类似的，并不会因为双馈和电励磁而有所区别。另外，由于风电机组故障引起的电能质量问题，也不因双馈和电励磁有所区别。惟一有区别的是波形畸变，简单说就是谐波问题，一般来说电力电子器件输出谐波要大于旋转电机输出谐波，DFIG定子侧由发电机直接发电，转子侧由变频器发电，相对于永磁发电机完全由变频器发电，双馈的谐波会小一些。但是随着电力电子器件及其控制技术提高，谐波方面两种方式均可满足电网的要求。

表1 PMHGU和DIFGU 年发电量

表2 DIFGU和PMHGU成本比较

5.2 对机组载荷的影响

对机组载荷主要分两方面：

一方面是在正常运行时，双馈定子直接与电网连接，根据DFIG原理[4]可知：

其中，ψsd表示定子磁链的d轴分量，由Us/ωs确定。Us为定子电压。当Us波动时将引起发电机转矩波动，故电网电压波动会引起齿轮箱转矩波动，提高双馈变频器控制技术，适时调整iqr可以尽量降低该影响。

永磁发电机通过变频器与电网连接，电网电压波动对机组载荷影响很小。

5.3 对用户电网适应性影响

电网适应性分两方面。一方面是故障穿越。永磁采用全功率变频器，对故障穿越适应能力高，就目前永磁和双馈的配置而言，均可以满足电网要求。全功率变频器在低电压穿越时无功支撑响应更快；另一方面是不同电网适应性。永磁方式可以方便地从50Hz更改为60Hz，而不用调整发电机和变频器。

6 结论

在可靠性方面，永磁发电机转子结构简单，可靠性高于DFIG，在可维护性较差的环境下该特点尤其明显。

本文详细分析了双馈和高速永磁两种发电方式的效率对比，进行了发电量计算，并在成本、性能、可靠性等方面进行了定性分析。结论表明，两种发电方式各有其鲜明的特点。

发电量方面两种机组基本持平，成本方面双馈机组占有优势，而可靠性方面高速永磁有优势，其他方面基本平分秋色。这样的结论也可以解释为何在目前的市场上两种机型并驾齐驱，而市场的需求是多样的。笔者认为，作为风电机组开发商，应同时开发两种方式的风电机组，而这两种机组在主机械方面和结构方面基本一致，所以应对其差异部分进行折衷设计，使其满足标准化设计的要求，从而为适应市场竞争，降低制造成本打下基础。

[1] Henk Polinder, Member, IEEE, Frank F. A. van der Pijl, Gert-Jan de Vilder, Peter J. Tavner.Comparison of Direct-Drive and Geared Generator Concepts for Wind Turbines[J]. IEEE Transaction on Energy Conversion.2006,9(21):725-733.

[2]马小亮.变速风力发电机组动力驱动系统方案比较[J].变频器世界. 2007(4)：42-48.

[3] Andrew Miller,Edward Muljadi,Donald S.Zinger.A Variable Speed Wind Turbine Power Control[J].IEEE Trans on Energy Conversi on.1997,12(2):1981-1986.

[4]卞松江.变速恒频风力发电关键技术研究博士论文[D].浙江:浙江大学, 2003.

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[7]李保来.永磁风力发电机的设计特点及与全功率变流器的优化配置[R].江苏省新能源产业发展高峰论坛,2010.

双馈风电机组与高速永磁风电机组对比分析*

闫中杰1,2，陶友传2

Comparison of Doubly-fed Induction Generator and High Speed Permanent Magnet Wind Power Generator

Yan Zhongjie1,2, Tao Youchuan2
(1. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China；2. National Engineering Research Center for Offshore Windpower, Chongqing 400022, China)

This paper compared two main wind turbines. One is doubly-fed induction generator, the other is high speed permanent magnet wind power generator. It calculated the efficiency and annual electric energy production in different IEC wind classes, and compared the cost based on the market value. After analyzing the reliability, efficiency and power grid adaptability, it came to the conclusion that two types of wind turbines have different advantages and meet different requirements from customers. Therefore, development of two types of wind turbines will be better adapted to the market competition.

wind turbine; doubly-fed; high speed permanent magnet; electric energy production; cost

TM614

A

1674-9219(2013)06-0070-06

国家工程技术研究中心：国家海上风力发电工程技术研究中心（课题编号：2009FU115Q17）

2013-04-15。

闫中杰（1984-），男，工程师，主要从事风电机组电气系统研究。

陶友传（1966-），男，研究员，博士，主要从事大型风电机组研究。