雙饋風(fēng)電機(jī)組與永磁直驅(qū)機(jī)組對比分析

文 | 蔡梅園，陶友傳，劉靜，杜煒

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雙饋風(fēng)電機(jī)組與永磁直驅(qū)機(jī)組對比分析

文 | 蔡梅園，陶友傳，劉靜，杜煒

目前，國內(nèi)的并網(wǎng)型機(jī)組中，水平軸風(fēng)電機(jī)組占據(jù)著主導(dǎo)地位，水平軸機(jī)組的主要代表是雙饋型機(jī)組（帶增速齒輪箱）和直驅(qū)型機(jī)組（不帶增速齒輪箱），這兩類機(jī)組在2011年我國新增風(fēng)電機(jī)組中的總占有率高達(dá)97% 以上。2013年國內(nèi)共有8家整機(jī)企業(yè)供應(yīng)了3052臺無齒輪箱直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組，共有23家整機(jī)企業(yè)供應(yīng)了6304臺帶有齒輪箱的風(fēng)電機(jī)組，這兩種機(jī)型占比分別為32%和68%。無齒輪箱直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組又以永磁直驅(qū)機(jī)組為主。國內(nèi)已有人對雙饋風(fēng)電機(jī)組與高速永磁風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了定性和定量的對比分析，但因缺少實(shí)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)有文獻(xiàn)僅對雙饋機(jī)組與永磁直驅(qū)機(jī)組進(jìn)行了定性的對比分析。本文不僅在運(yùn)行原理、結(jié)構(gòu)、性能等方面對雙饋機(jī)組與永磁直驅(qū)機(jī)組進(jìn)行了定性對比分析，還在效率、功率曲線等方面進(jìn)行了定量對比分析。

運(yùn)行原理對比

雙饋式變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)（拓?fù)鋱D見圖1）采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)與繞線式異步電機(jī)類似, 定轉(zhuǎn)子三相對稱，轉(zhuǎn)子電流由滑環(huán)接入。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化、無功需求變化時通過變頻器改變轉(zhuǎn)子電流的頻率、相位、幅值保持定子頻率穩(wěn)定和無功調(diào)節(jié)。由于這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路實(shí)現(xiàn)的，流過轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定的轉(zhuǎn)差功率，該轉(zhuǎn)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(fā)電機(jī)容量的一小部分，約占發(fā)電機(jī)功率的20%－30%。這種采用交流勵磁雙饋發(fā)電機(jī)的控制方案除了可實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制，減少變頻器的容量外，還可實(shí)現(xiàn)對有功、無功功率的靈活控制，對電網(wǎng)而言可起到無功補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組取消了增速齒輪箱，風(fēng)輪軸直接和發(fā)電機(jī)軸直接相連，發(fā)電機(jī)多采用永磁式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子的同步發(fā)電機(jī)，無須外部提供勵磁電源。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而改變，其交流電的頻率也隨之變化，經(jīng)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(wǎng)同頻率的交流電輸出。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)見圖2，變頻器的容量較大，達(dá)發(fā)電機(jī)額定容量的120%以上。

主要部件的結(jié)構(gòu)差異及機(jī)組性能對比

雙饋機(jī)組和直驅(qū)機(jī)組在發(fā)電機(jī)、變頻器、齒輪箱等主要部件等方面存在一定差異。

（一）發(fā)電機(jī)：目前雙饋機(jī)組采用雙饋式異步發(fā)電機(jī)，而直驅(qū)機(jī)組多采用低速多極發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)的勵磁方式大部分為永磁。直驅(qū)式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)低，磁極數(shù)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(qiáng)磁性，在現(xiàn)場條件下檢修較困難。雙饋式異步風(fēng)電機(jī)重量輕、體積小。

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

（三）齒輪箱：直驅(qū)機(jī)組不采用齒輪箱。雙饋機(jī)組多采用變比較大的齒輪箱。

雙饋機(jī)組和永磁直驅(qū)機(jī)組結(jié)構(gòu)性能比較一覽表見表1。

除表1中已列的內(nèi)容，在風(fēng)電場投資建設(shè)時大家更加關(guān)注的是機(jī)組的成本以及發(fā)電效率，下文就這兩方面進(jìn)行詳細(xì)的對比分析。

成本比較

一、生產(chǎn)制造成本

從生產(chǎn)制造成本方面來講，雙饋機(jī)組與永磁直驅(qū)機(jī)組的差別主要在發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變頻器三方面，控制系統(tǒng)等其他系統(tǒng)的造價相差不多。表2為典型的2MW雙饋機(jī)組與永磁直驅(qū)機(jī)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(jī)組較永磁直驅(qū)機(jī)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(jī)組與永磁直驅(qū)機(jī)組發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變頻器成本比較（單位：萬元）

二、運(yùn)輸、安裝、運(yùn)維分析

雙饋機(jī)組因轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小，發(fā)電機(jī)尺寸較小、重量較輕；永磁直驅(qū)機(jī)組體積和重量大，隨著單機(jī)容量的增加，直驅(qū)機(jī)組重量增加特別明顯。直驅(qū)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(qū)機(jī)組帶來了運(yùn)輸、吊裝等一系列的成本增加。

從維護(hù)和故障維修方面看，雙饋機(jī)組有齒輪箱和發(fā)電機(jī)滑環(huán)、碳刷，增加了故障點(diǎn)和更換易耗件的成本。直驅(qū)機(jī)組由于沒有齒輪箱和發(fā)電機(jī)滑環(huán)、碳刷，會減少相對應(yīng)的故障率。但直驅(qū)機(jī)組必須通過空氣流過轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙來進(jìn)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(fēng)電機(jī)組磁隙發(fā)生變化，從而影響機(jī)組性能。永磁機(jī)組因存在強(qiáng)的永磁場，金屬工具在機(jī)組上也很難運(yùn)作，維修維護(hù)困難。而雙饋機(jī)型可以單獨(dú)對齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部件進(jìn)行維修，其維護(hù)難度遠(yuǎn)低于直驅(qū)機(jī)型。

在運(yùn)輸、安裝、運(yùn)維方面雙饋與永磁直驅(qū)機(jī)組都各有優(yōu)缺點(diǎn)。由于所站的立場不同，行業(yè)內(nèi)各方的觀點(diǎn)沒法完全統(tǒng)一，加之缺乏相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，很難準(zhǔn)確且定量地對兩者的優(yōu)勢進(jìn)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(yùn)輸、安裝、運(yùn)維方面所花費(fèi)的成本差別不會很大。

效率及功率對比

此前很多文獻(xiàn)從定性上對這兩種機(jī)組的效率及功率曲線進(jìn)行了論述，主要的觀點(diǎn)是永磁直驅(qū)機(jī)組取消了齒輪箱再加上發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子無損耗，由此定性地認(rèn)為永磁直驅(qū)機(jī)組的效率高于雙饋機(jī)組。本文從多方面收集了各部件的效率實(shí)測值，定量地對這兩種機(jī)型的效率以及功率曲線進(jìn)行了對比分析。

一、兩種機(jī)組的損耗組成

本文對效率比較的起止點(diǎn)為機(jī)艙輪轂至發(fā)電機(jī)上網(wǎng)側(cè)，至于機(jī)組自耗電和線路損耗由于各廠家的設(shè)計不同而不同，在假設(shè)機(jī)組自耗電和線路損耗相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)上對機(jī)組的效率進(jìn)行比較。那么雙饋機(jī)組的損耗主要包括發(fā)電機(jī)損耗、變頻器損耗、齒輪箱損耗三部分，永磁直驅(qū)機(jī)組主要包括發(fā)電機(jī)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(jī)組為例，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)，定量對兩種機(jī)組進(jìn)行了對比分析。

（一）雙饋機(jī)組主要部件的效率

某2MW雙饋機(jī)組全功率范圍內(nèi)齒輪箱的效率實(shí)測值以及發(fā)電系統(tǒng)的效率實(shí)測值見圖3、圖4。發(fā)電系統(tǒng)是指雙饋發(fā)電機(jī)與變頻器的整體，發(fā)電系統(tǒng)的效率是指雙饋系統(tǒng)的齒輪箱出口至發(fā)電機(jī)網(wǎng)側(cè)的效率。

雙饋機(jī)組主要部件的效率曲線特點(diǎn)：

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

2.發(fā)電系統(tǒng)的效率在負(fù)載約700kW即額定負(fù)載的30%左右效率值達(dá)到最大約96%，此時也是同步轉(zhuǎn)速附近。在低負(fù)載段效率值較低，只有45%左右，而且變化幅度較大。在30%負(fù)載以后效率值基本穩(wěn)定在95.5%左右。

（二）永磁直驅(qū)機(jī)組主要部件的效率

某2MW永磁直驅(qū)機(jī)組的永磁發(fā)電機(jī)以及變頻器全功率范圍內(nèi)的效率曲線見圖5、圖6。

永磁直驅(qū)機(jī)組主要部件效率曲線特點(diǎn)：

1.永磁發(fā)電機(jī)的效率較恒定，絕大部分負(fù)載段效率值均在94%左右，只有負(fù)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(qū)發(fā)電機(jī)的曲線類似，絕大部分負(fù)載段效率值均在96.5%左右，負(fù)載低于10%以下效率值才有明顯的下降。

（三）兩種機(jī)組的效率曲線以及功率曲線對比

兩種機(jī)組全功率范圍內(nèi)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(jī)組的功率曲線，圖9表示的是兩種機(jī)組功率曲線的功率差值。

兩種機(jī)組的對比分析如下：

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

2.結(jié)合圖8、圖9可以看出，風(fēng)速小于5.8m/s時雙饋機(jī)組的功率小于直驅(qū)機(jī)組，最大相差13kW左右，出現(xiàn)在4m/s風(fēng)速時；風(fēng)速大于5.8m/s至滿發(fā)風(fēng)速段雙饋機(jī)組的功率大于永磁直驅(qū)機(jī)組，最大相差約45kW，出現(xiàn)在滿發(fā)之前。

3.從圖8可以看出，雙饋機(jī)組比永磁直驅(qū)機(jī)組提前約0.1m/s風(fēng)速進(jìn)入滿發(fā)狀態(tài)。

4.由于雙饋機(jī)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(fā)電量來說兩種機(jī)組的差異不會很大。

總結(jié)

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

（作者單位：中船重工（重慶）海裝風(fēng)電設(shè)備有限公司）