雙饋風(fēng)電機(jī)組與高速永磁風(fēng)電機(jī)組對比分析

（1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2. 國家海上風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，重慶 400022）

（1. 華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206；2. 國家海上風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)研究中心，重慶 400022）

本文從風(fēng)電機(jī)組角度對兩種主流的發(fā)電方式，即雙饋式發(fā)電機(jī)組和高速永磁發(fā)電機(jī)組，進(jìn)行了對比分析。計(jì)算了兩種發(fā)電方式的效率及在不同風(fēng)區(qū)的年發(fā)電量，根據(jù)市場價(jià)格對各部件進(jìn)行成本對比。在綜合考慮了可靠性、效率、電網(wǎng)適應(yīng)性等方面后指出，兩種方式各有特點(diǎn)，適合客戶的不同需求。因此，作為風(fēng)電機(jī)組開發(fā)商，同時(shí)開發(fā)兩種機(jī)型方能更好地適應(yīng)市場的競爭。

風(fēng)電機(jī)組；雙饋；高速永磁；發(fā)電量；成本

0 引言

根據(jù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換裝置的基本原理，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與電能頻率嚴(yán)格相關(guān)，而風(fēng)能資源的不確定性和電網(wǎng)頻率的確定性必然需要風(fēng)電機(jī)組具備變速恒頻特性。

為了實(shí)現(xiàn)變速恒頻，一般采用兩種結(jié)構(gòu)：一種是雙饋式發(fā)電機(jī)組，其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)子采用交流勵(lì)磁，由一臺雙饋發(fā)電機(jī)（以下簡稱DFIG）和一臺雙饋?zhàn)冾l器組成；另一種是全功率機(jī)組，即發(fā)電機(jī)發(fā)電頻率與電網(wǎng)頻率隔離，而采用電力電子器件進(jìn)行頻率轉(zhuǎn)換。全功率機(jī)組又分為永磁直驅(qū)，電勵(lì)磁直驅(qū)、鼠籠、高速電勵(lì)磁、高速永磁，以及中速永磁、中速電勵(lì)磁等。很多文獻(xiàn)對于直驅(qū)和雙饋進(jìn)行了對比[1-2]。由于永磁材料的大幅上漲，永磁直驅(qū)式風(fēng)電機(jī)組面臨空前的成本壓力，且在大兆瓦級風(fēng)電機(jī)組中，永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)的體積、重量等均限制了其大規(guī)模應(yīng)用。高速永磁發(fā)電機(jī)（以下簡稱PMHG）保持了永磁電機(jī)高可靠性、高功率密度的特點(diǎn)，且由于轉(zhuǎn)速較高，永磁體用量很少，受永磁材料價(jià)格影響小的多。對于PMHG和DFIG發(fā)電方式的對比鮮有見于文獻(xiàn)。下面將對這兩種方式進(jìn)行對比。

1 風(fēng)電機(jī)組及齒輪箱模型

1.1 風(fēng)電機(jī)組

并網(wǎng)型風(fēng)電機(jī)組的示意圖如圖1所示。

風(fēng)電機(jī)組通過葉輪捕獲風(fēng)能，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為作用在輪轂上的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。風(fēng)電機(jī)組捕獲風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械輸出功率P的表達(dá)式[3]為：

其中ρa(bǔ)ir表示空氣密度；

Cp表示風(fēng)能利用系數(shù)；

r表示風(fēng)輪半徑；

vω表示風(fēng)速。

計(jì)算年發(fā)電量，一般根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)威布爾分布進(jìn)行，輪轂吸收的機(jī)械功率扣除發(fā)電單元及輔助供電損耗后,即作為風(fēng)電機(jī)組輸出的功率，根據(jù)風(fēng)速和輸出功率曲線可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)區(qū)下的年發(fā)電量，從而用于經(jīng)濟(jì)分析。

1.2 齒輪箱模型

在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)，一般而言，高速發(fā)電機(jī)泛指額定轉(zhuǎn)速在1000rpm以上的發(fā)電機(jī)。而對于大兆瓦級風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速一般在10rpm至20rpm之間，需要一臺變比100左右的三級齒輪箱。為了提高齒輪箱的可維護(hù)性，一般將易損壞的高速部分設(shè)計(jì)成可更換方式，大大降低了由于齒輪箱失效引起的發(fā)電量損失。根據(jù)一級齒輪箱的損耗約1%，齒輪箱的損耗可以由式（2）計(jì)算：

其中，ηgearc表示三級齒輪箱額定效率。考慮風(fēng)電機(jī)組特性和齒輪箱損耗后，一個(gè)典型的風(fēng)電機(jī)組功率曲線如圖2所示。

2 發(fā)電單元模型

發(fā)電單元包括發(fā)電機(jī)、變頻器、電力電纜、輔助供電等幾個(gè)主要部分。

2.1 雙饋式發(fā)電單元（以下簡稱DFIGU）

DFIGU拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，變頻器改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率可以保證發(fā)電機(jī)定子頻率不變，從而滿足變速恒頻的要求。

2.1.1 DFIG設(shè)計(jì)

確定DFIG主要參數(shù)：

其中，Pwtc=P*ηgear

根據(jù)DFIG工作原理[4]：

圖1 并網(wǎng)型機(jī)組示意圖

圖2 風(fēng)速與轉(zhuǎn)速和功率的關(guān)系

圖3 DFIGU拓?fù)鋱D

Ugor：轉(zhuǎn)子開路電壓

忽略發(fā)電機(jī)和變頻器之間電纜損耗

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

DFIG效率可以根據(jù)如下方法計(jì)算[5]：

Pfw指發(fā)電機(jī)其他損耗，一般取0.005Pgen。

根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果得到MFe，及Ir，Is，Rr，Rs。

2.1.2 雙饋?zhàn)冾l器設(shè)計(jì)

雙饋?zhàn)冾l器與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過滑環(huán)連接，通過改變轉(zhuǎn)子勵(lì)磁頻率、幅值和相位可以調(diào)整DFIG的有功功率、無功功率及輸出頻率等。雙饋?zhàn)冾l器是由背靠背的兩臺變流器組成。一般說來雙饋?zhàn)冾l器容量是DFIG容量的1/3，對于轉(zhuǎn)速范圍不同的DFIG，其需要的變頻器容量是不同的。另外，由于轉(zhuǎn)子勵(lì)磁需要，兩側(cè)變頻器容量需求不同。雙饋?zhàn)冾l器兩側(cè)容量由式(14)和(15)得到。

根據(jù)式(7)和(8)得到：

雙饋?zhàn)冾l器損耗可以根據(jù)相應(yīng)公式[6]計(jì)算：

其中，Ism表示機(jī)側(cè)最大電流，Igm表示網(wǎng)側(cè)最大電流。

2.1.3 電力電纜及輔助供電

為了節(jié)約電纜及降低損耗，定子側(cè)一般設(shè)計(jì)為6.3kV。一般根據(jù)額定電流及電纜載流量進(jìn)行電纜選型。

電纜效率計(jì)算根據(jù)式(17)計(jì)算

輔助供電中應(yīng)考慮空載和滿載時(shí)采用不同功率的散熱電機(jī)以節(jié)約電能。

2.2 高速永磁式發(fā)電單元（以下簡稱PMHGU）

PMHGU拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.2.1 PMHG設(shè)計(jì)

在PMHGU中，以四象限運(yùn)行的變頻器為代表。變頻器機(jī)側(cè)控制發(fā)電機(jī)有功功率，網(wǎng)側(cè)控制發(fā)電機(jī)組輸出的無功功率。當(dāng)風(fēng)速增大時(shí)，PMHG轉(zhuǎn)速提高，其輸出頻率和輸出電壓均會升高，全功率變頻器機(jī)側(cè)部分用于控制發(fā)電機(jī)的有功功率。由于PMHG感應(yīng)電動(dòng)勢與轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速過高時(shí)變頻器需對發(fā)電機(jī)進(jìn)行弱磁控制，為了節(jié)約永磁體同時(shí)在發(fā)電機(jī)高速時(shí)降低變頻器容量，永磁發(fā)電機(jī)一般設(shè)計(jì)成欠勵(lì)發(fā)電機(jī)[7]。變頻器選型應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)運(yùn)行范圍內(nèi)對無功功率的需求。PMHG在額定轉(zhuǎn)速和超速時(shí)的向量圖見圖5和圖6。

圖4 PMHGU拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖5 額定轉(zhuǎn)速向量圖

圖6 超速向量圖

PMHG效率計(jì)算方法同DFIG，但不考慮轉(zhuǎn)子銅耗。根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)結(jié)果可以得到MFe及Is，Rs。

DFIG和PMHG效率曲線見圖7，由此可見PHHG效率高于DFIG。尤其是在功率較小時(shí)，效率高出的更多一些。

2.2.2 全功率變頻器設(shè)計(jì)

根據(jù)高速永磁同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，變頻器機(jī)側(cè)容量按照式(20)計(jì)算。網(wǎng)側(cè)容量根據(jù)式(21)計(jì)算。

全功率變頻器損耗根據(jù)式(16)計(jì)算。

電纜及輔助供電設(shè)計(jì)均同雙饋，不再贅述。

3 發(fā)電量對比分析

輪轂吸收的機(jī)械功率扣除齒輪箱、發(fā)電單元、電纜及輔助供電的損耗后即是風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。

當(dāng)P≤0.3Pn時(shí)，

當(dāng)0.3Pn≤P≤Pn時(shí)，

故得到功率曲線如圖8所示。

根據(jù)功率曲線計(jì)算PMHGU和DIFGU在各類風(fēng)區(qū)的年發(fā)電量，按照機(jī)組容量單位MW計(jì)算，如表1所示。

由此可見，DFIGU年發(fā)電量略高于PMHGU約2%。需要注意的是，本分析是基于輸入功率相同進(jìn)行的發(fā)電量分析。

4 成本對比

對于雙饋發(fā)電方式和永磁發(fā)電方式成本比較，在很多文獻(xiàn)中均進(jìn)行了分析，但事實(shí)上成本的定量分析是很困難的，且受諸多市場因素影響，在成本方面本文僅作定性對比，見表2。

圖7 DFIG和PMHG效率曲線

圖8 DFIGU和PMHGU功率曲線

5 性能分析

對于發(fā)電系統(tǒng)而言，性能分析主要考慮以下幾個(gè)方面：

（1）對電能質(zhì)量的影響；

（2）對機(jī)組載荷影響；

（3）對用戶電網(wǎng)適應(yīng)性影響。

5.1 對電能質(zhì)量的影響

電能質(zhì)量通俗來說就是導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、暫態(tài)或瞬態(tài)過電壓、波形畸變、電壓暫降與短時(shí)間中斷以及供電連續(xù)性等。對于并網(wǎng)型雙饋和電勵(lì)磁風(fēng)電機(jī)組電能質(zhì)量的大多指標(biāo)是類似的，并不會因?yàn)殡p饋和電勵(lì)磁而有所區(qū)別。另外，由于風(fēng)電機(jī)組故障引起的電能質(zhì)量問題，也不因雙饋和電勵(lì)磁有所區(qū)別。惟一有區(qū)別的是波形畸變，簡單說就是諧波問題，一般來說電力電子器件輸出諧波要大于旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出諧波，DFIG定子側(cè)由發(fā)電機(jī)直接發(fā)電，轉(zhuǎn)子側(cè)由變頻器發(fā)電，相對于永磁發(fā)電機(jī)完全由變頻器發(fā)電，雙饋的諧波會小一些。但是隨著電力電子器件及其控制技術(shù)提高，諧波方面兩種方式均可滿足電網(wǎng)的要求。

表1 PMHGU和DIFGU 年發(fā)電量

表2 DIFGU和PMHGU成本比較

5.2 對機(jī)組載荷的影響

對機(jī)組載荷主要分兩方面：

一方面是在正常運(yùn)行時(shí)，雙饋定子直接與電網(wǎng)連接，根據(jù)DFIG原理[4]可知：

其中，ψsd表示定子磁鏈的d軸分量，由Us/ωs確定。Us為定子電壓。當(dāng)Us波動(dòng)時(shí)將引起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，故電網(wǎng)電壓波動(dòng)會引起齒輪箱轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，提高雙饋?zhàn)冾l器控制技術(shù)，適時(shí)調(diào)整iqr可以盡量降低該影響。

永磁發(fā)電機(jī)通過變頻器與電網(wǎng)連接，電網(wǎng)電壓波動(dòng)對機(jī)組載荷影響很小。

5.3 對用戶電網(wǎng)適應(yīng)性影響

電網(wǎng)適應(yīng)性分兩方面。一方面是故障穿越。永磁采用全功率變頻器，對故障穿越適應(yīng)能力高，就目前永磁和雙饋的配置而言，均可以滿足電網(wǎng)要求。全功率變頻器在低電壓穿越時(shí)無功支撐響應(yīng)更快；另一方面是不同電網(wǎng)適應(yīng)性。永磁方式可以方便地從50Hz更改為60Hz，而不用調(diào)整發(fā)電機(jī)和變頻器。

6 結(jié)論

在可靠性方面，永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高于DFIG，在可維護(hù)性較差的環(huán)境下該特點(diǎn)尤其明顯。

本文詳細(xì)分析了雙饋和高速永磁兩種發(fā)電方式的效率對比，進(jìn)行了發(fā)電量計(jì)算，并在成本、性能、可靠性等方面進(jìn)行了定性分析。結(jié)論表明，兩種發(fā)電方式各有其鮮明的特點(diǎn)。

發(fā)電量方面兩種機(jī)組基本持平，成本方面雙饋機(jī)組占有優(yōu)勢，而可靠性方面高速永磁有優(yōu)勢，其他方面基本平分秋色。這樣的結(jié)論也可以解釋為何在目前的市場上兩種機(jī)型并駕齊驅(qū)，而市場的需求是多樣的。筆者認(rèn)為，作為風(fēng)電機(jī)組開發(fā)商，應(yīng)同時(shí)開發(fā)兩種方式的風(fēng)電機(jī)組，而這兩種機(jī)組在主機(jī)械方面和結(jié)構(gòu)方面基本一致，所以應(yīng)對其差異部分進(jìn)行折衷設(shè)計(jì)，使其滿足標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的要求，從而為適應(yīng)市場競爭，降低制造成本打下基礎(chǔ)。

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雙饋風(fēng)電機(jī)組與高速永磁風(fēng)電機(jī)組對比分析*

閆中杰1,2，陶友傳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

國家工程技術(shù)研究中心：國家海上風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)研究中心（課題編號：2009FU115Q17）

2013-04-15。

閆中杰（1984-），男，工程師，主要從事風(fēng)電機(jī)組電氣系統(tǒng)研究。

陶友傳（1966-），男，研究員，博士，主要從事大型風(fēng)電機(jī)組研究。