爆，龟机 （ＥｘＰＬ０ｓＩｏＮ—ＰＲ００Ｆ ＥＬＥｃＴＲＩｃ ＭＡｃＨＩＮＥ） 第４７ 雾 期） 双馈、直驱风力发电机特点分析 张胜男，潘波 佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯（１５４００２） 摘要 随着部分风电基地脱网事故频发及国家新能源产业政策调整，风电行业由早前的 “井喷”式发展进入过冬期，绝大部分风电主机企业借此机会进行自查整改，同时业内对于双馈与 直驱技术孰优孰劣的讨论更加激烈，希望通过对有刷双馈风电、无刷双馈风电、直驱风电、半直驱 风电的特点分析，为今后风电制造发展提供一定的参考。 关键词有届０双馈；无刷双馈；直驱；半直驱 中图分类号：ＴＭ３１５文献标识码：Ａ文章编号：１００８－７２８１（２０１２）０３－０００１－０４ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｙ．．Ｆｅｄ Ｄｉｒｅｃｔ．．Ｄｒｉｖｅ Ｗｉｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ Ｚｈａｎｇ Ｓｈｅｎｇｎａｎ ａｎｄ Ｐａｎ Ｂｏ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｏｆｆ－・ｇｒｉｄ ａｃｃｉｄｅｎｔｓ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｉｎ ｐａｒｔ ｏｆ ｔｈｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｂａ－－ ｓｅｓ ａｎｄ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｏｆ ｎａｔｉｏｎａｌ ｎｅｗ ｅｎｅｒｇｙ ｐｏｌｉｃｉｅｓ，ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｈａｓ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｆｒｏｍ ｅａｒｌｉｅｒ ｓｐｕｒｔ ｐｅｒｉｏｄ ｉｎｔｏ ｗｉｎｔｅｒ ｐｅｒｉｏｄ．Ｍｏｓｔ ｏｆ ｍａｉｎ ｅｎｇｉｎｅ ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｔａｋｅ ｔｈｉｓ ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｙ ｔｏ ｃｏｎｄｕｃｔ ｓｅｌｆ－ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｂｅｔｔｅｒ ｉｎ ｔｈｉｓ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｆｏｒ ｄｏｕｂｌｙ－－ｆｅｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｄｉｒｅｃｔ－－ｄｒｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｂｅｃｏｍｅ ｍｏｒｅ ｉｎｔｅｎｓｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｗｉｓｈ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｓｏｍｅ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｆｕｔｕｒｅ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｂｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｂｒｕｓｈ ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ，ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄ，ｄｉ— ｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ ａｎｄ ｓｅｍｉ－ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ ｗｉｎｄ ｐｏｗｅｒ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ Ｂｒｕｓｈ ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ；ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ；ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ；ｓｅｍｉ—ｄｉｒｅｃｔ ｄｒｉｖｅ ０ 引言 由滑环接人。风速的变化通过增速齿轮箱传递到 发电机，为了保持定子电流频率的恒定，可以控制 风电制造业作为朝阳行业一直倍受关注，在 转子电流的频率，使得发电机的转子转速发生变 国家规划的大力支持下出现跨越式发展。大多数 化，这些工作可以由变频器来完成。当发电机转 风机制造企业都处于供不应求的满负荷生产状 子高（低）于同步速时，应控制变频器能量流入 态。至２０１１年底，“风速”已经连续６年保持高速 （出）电网，这样就控制了电机定子向电网供应电 增长，目前我国装机容量已跃居世界第一。但由 能频率的稳定。原理框图如图１所示。 于重装机容量、轻发电量的习惯做法，使得近年来 风电“井喷”式发展的潜在问题开始集中爆发，尤 其在部分地区的风电基地发生大面积脱网事故之 后，政府出台相应政策监管，全国都进入“整风” 时期，这也再一次激发了业内对于双馈与直驱技 术孰优孰劣的激烈讨论。本文通过对双馈、直驱 ４象限娈狱器 风力发电机特点的详细分析，阐明了自己的看法， 图１ 有刷双馈风力发电机原理 并对未来风电发展趋势做了大胆预测。 当风速变化引起发电机转速ｎ变化时，控制 １双馈风力发电机 转子电流的频率，可使定子频率恒定，即满足 ＝ ＋ ； ＝ｎｍ／６０ １．１ 有刷双馈风力发电机运行原理 式中 一定子电流频率，由于定子与电网相连， 有刷双馈式风力发电机在结构上与绕线式异 所以与电网频率相同； 一转子机械频率；ｐ一电 步电动机类似，定、转子绕组三相对称，转子电流 机的极对数 一转子电流频率。 １ 第４７卷（总第ｌ期）６６期） （ ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ ＰＲＯＯＦ ）Ｎ－ＰＲＯＯ：ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥ）） 爆电机 际＇ ｂ （１）当ｎ＜Ｉｔ （ 是定子旋转磁场的同步转 速）时，处于亚同步运行状态，此时变流器向发电 机转子提供交流励磁，发电机由定子发出电能给 电网； （２）当 ＞ｎ 时，处于超同步运行状态，此时 发电机同时由定子和转子发出电能给电网，变流 器的能量流向逆向； （３）ｎ＝ｎ，时，处于同步状态，此时发电机作 为同步电机运行， ＝０，励磁变流器向转子提供 直流励磁。 而ｎ＝ｎｐ ，当 发生变化时，即 发生变 化，若控制转子供电频率做相应变化，可使保挣叵 定不变，与电网频率保持一致，实现变速恒频控 制。 １．２有刷双馈发电机特点 其运行特点主要有以下几点：（１）转子采用 交流励磁，可以方便地实现变速恒频。（２）可以 灵活地进行有功功率和无功功率的调节。其中， 有功功率的调节以风力机的特性曲线为依据；无 功功率可以根据电网的无功需求进行调节。 （３）由变流器控制电压匹配、同步和相位控制，并 网迅速，基本无电流冲击；发电机转速可随时根据 风速进行调整，是机组运行于最佳叶尖速比； （４）交流励磁双馈风力发电机通常运行于发电状 态，负载为无穷大电网。它和发电机接独立负载 不同，其定子电压恒定，为电网电压。（５）双馈电 机低电压穿越能力较差，遇有电压波动，保护动作 后，无法自动并网。目前，国内出现脱网事故的风 场绝大部分采用的是双馈风力发电机。（６）由于 转子采用绕线式，因此转子引出线处、滑环、碳刷 成为电机三大故障点。 １．３无刷双馈风力发电机工作原理 无刷双馈风力发电机是在自串联感应电机的 基础上发展而来的，电机的定子上装有两套绕组， 一套通常接至工频电源，极对数为Ｐ。，称为功率绕 组；另一套通常接至控制电源（变频电源），极对 数为Ｐ ，称为控制绕组（ｐ。≠ｐ ）。这两套绕组没 有直接的电磁耦合，而是通过转子绕组间接进行 电磁功率的传递。转子采用自行闭合的环路结 构，其极对数为功率绕组ｐ 与控制绕组Ｐ 之和。 工作原理如图２。 ２ 图２无刷双馈风力发电机原理 电机双馈运行时，由于定子采用两套绕组，因 此其产生的旋转磁场的同步转速分别为 ｎｐ＝６０ｆｐ／ｐ ；ｎ ：６０ｆ／ｐ 式中， 一功率绕组频率； 一控制绕组频率。 当功率绕组和控制绕组电流反相序时，定子 绕组产生的旋转磁场方向相反。控制绕组能量由 变频器供给，仅控制绕组发电。设转子的转速 为 ，则两定子绕组磁场在转子中产生的感应电 势频率分别为 ＝ ＝ × ＝ ，ｎ 一ｎ ｎｃＰ （ｎ ＋ｎ ）Ｐ 一 ｃｒ ｃ × — 一 电栅运行达到稳定时，根据电机学理论可知，要 想产生叵定的电磁转矩，维持电机稳定运行，转子电 流频率必须相等，即 ，则电机的稳定转速为 ６０（ 一 ） 凡一：—— Ｐｐ七ｐ ｃ 若功率绕组和控制绕组电流同相序时，即电机 超同步运行，控制绕组能量由变频器回馈电网，则 ６０（ｆｐ＋ ） ｎ．＝—— Ｐｐ＋ｐ ｃ 控制绕组及功率绕组同时发电。 １．４无刷双馈风力发电机的特点 无刷双馈风力发电机几乎囊括了有刷双馈风 力发电机的所有优点，同时取消了滑环系统，剔除 了有刷双馈电机的重要故障点，即使在变频器发 生故障时，无刷双馈电机也可以稳定运行在感应 电动机状态下。另外无刷双馈还具有一定的低电 压穿越能力。 ２直驱风力发电机 ２．１ 直驱风力发电机工作原理 直驱式风力发电机，是一种由风轮直接驱动 发电机的风力发电机组，亦称无齿轮风力发电机 爆晓机（ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ—ＰＲＯＯＦ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥ） 第４７２卷（总第１０１２年第３６期 ６期） 组，这种风力发电机采用多极发电机与风轮直接 连接进行驱动的方式，免去了齿轮箱这一传统部 件。直驱式风力发电机根据励磁方式不同分为永 磁式、电励磁、混合励磁等三种同步风力发电机， 目前市场上主流的直驱式风力发电机无论大小， 皆为直驱式永磁同步风力发电机。 直驱永磁同步风力发电机工作时，风电机组 通过全功率变频器和变压器与高压电网相联，变 频器将风电机组输出的不停变化交流电压，首先 ３各种机型差异分析 目前在全世界的风电机组中，８５％以上是有 刷双馈机型。尤其在技术、稳定性及可靠性要求 更高的海上机组中，有刷双馈技术方案无疑比对 环境要求苛刻的永磁直驱方案更占据优势。 但是，有刷双馈风力发电机运营维护成本高也 是不争的事实。目前，陆上风机每年需进行１２次 三类保养及巡检，２次二类保养，１次一类维护。维 变换成直流，再逆变成电压频率和幅值及相位与 电网一致的交流电源电压。工作原理图见图３。 图３ 永磁同步风力发电机工作原理 其电网频率为． ＝． 式中 一电网频率（Ｈｚ）； 一发电机定子输出频 率（Ｈｚ）； 一功率变换器频率变比。 当转速变化时，发电机定子输出频率也跟随 变化，通过功率变换器将定子发出的变频变压的 电能转换为与电网频率幅值一致的稳定电能。 ２．２直驱型永磁风力发电机的特点 该机型不需要励磁绕组和直流励磁电源，取 消了容易出故障的转子上的集电环和电刷装置， 成为无刷电机，不存在励磁绕组的铜损耗，比同容 量的电励磁式的发电机体积要小很多，并且由于 采用全功率变流控制，因此使其具有良好的低电 压穿越功能。 但也正因为直驱型永磁风力发电机组没有齿 轮箱，低速风轮直接与发电机相连接，各种有害冲 击载荷也全部由发电机系统承受，对发电机要求 很高。同时，为了提高发电效率，发电机的极数非 常大，通常在１００极左右，发电机的结构变得非常 复杂，且永磁材料及稀土的使用增加了一些不确 定因素。 ２．３半直驱风力发电机的特点 半直驱风力发电机是在直驱风力发电机的基 础上演变出来的，工作原理与直驱风力发电机相 似，一般设计设计方案为低速（一级或两级）集成 齿轮箱＋中速永磁同步发电机＋全功率变频器， 该方案集成了三级高速齿轮箱和直驱式驱动系统 的优点，由大大减小了齿轮箱及永磁电机的体积， 便于维护。 护人员需要爬上塔筒，进入机舱进行操作。如果海 上风电设备出现问题，企业需要大吨位的拖船将每 台５０—６０吨的风机拆卸后运回陆地进行维修，然 后再运回海上进行安装，不仅费时费力，还需要不 菲的维修成本。一套流程下来，电场投资企业的利 润将损失殆尽。如果不维护，根据国外经验，问题 将会在风机运行３年一５年后集中爆发。比如双 馈电机中滑环和电刷之间容易产生碳粉，如果不清 理，将会引起电机绝缘损坏或短路。另外还存在因 为海面状况复杂等原因，维护人员不能第一时间到 达故障风机进行维护而造成重大损失。另外，对于 国家越来越严的并网Ｉ、－ｑ槛，有刷双馈风力发电机的 低电压穿越能力也着实令人堪陇。 现在来看，无刷双馈将成为上述电机的最好 换代品，它相对于上述电机结构简单，对变频器容 量要求低，省却了有刷双馈风力发电机众多的故 障维护点，却又囊括了其所有优点，并具备一定的 低电压穿越能力，虽然，至今还没有ＭＷ级以上 无刷双馈风力发电机问世，但是国内各大研发机 构、院校都在积极地研发，几百千瓦的电机已经试 制成功，并投入生产。 ４ 结语 综上，风电机组技术的成熟性，质量的稳定和 可靠性，及时而低成本的维修和维护将是市场选 择最重要的标准，为了满足这个标准，各种机型要 不断地改进更新。对于直驱风力发电机尤其是直 驱式永磁风力发电机，其优异的低电压穿越功能 和高可靠性是最大的优点。 但其成本偏高，特别是在海用工况上，永磁体对于 潮湿、盐雾、酷热等极端环境无法适应极容易氧 化，退磁或锈蚀，是其最大的弊端，今后要想长足 发展改善此点不容忽视。而有刷双馈风力发电 机，其优点不言而喻，灵活的控制方式、优异的电 能质量、较低的制造成本等等；但其偏弱的低电压 穿越功能和高维护性，成为其短板。无刷双馈风 力发电机结合了上面两种机型的 （下转６页） ３ １第４７卷（总第 期）６６期） 硼（ ＥＸＰＬＯＳＩＯＮ—ＰＲＯＯＦ 一 ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥ）） ３ 结语 防ｊ爆晓机 冁琶钆 ＠ 图３ ＢＤＦＭ功率绕组励磁时的磁力线 本文比较系统的对三种典型转子的气隙电磁 场进行了有限元计算，通过谐波频谱分析，对比了 这三种转子的磁场调制效果。得到了如下的结 论：由频谱分析可知，凸极加导条转子的磁场调制 效果要好于笼型带深槽转子，但凸极加导条转子 高次谐波含量比笼型带深槽转子稍大些，而磁障 式磁阻转子的调制效果要优于以上两种转子，且 篓磨翼鬻 巍 藏重 籀鬻 ｒ …… （ｂ） 极加导采＃ｆ 气醇ｍ 密度渡 （ｃ）ｍ ｆ目 聃ｍ 其高次谐波含量也较小。可见，对电机转子结构 图４ ＢＤＦＭ功率绕组励磁时的气隙磁通密度波 进行优化设计是提高磁场极数调制效果的有效途 由机电能量转换原理和Ｐ ＝３，Ｐ ＝１可知，在 径。 气隙磁场中，基波和３次谐波是具有机电能量转 参考文献 换作用的有效次谐波，所以这两种谐波所占的比 ［１］黄守道，王耀南，王毅，等．无刷双馈电机有功和无 重越大，则磁场调制效果越好 Ｊ。为了更清楚的 功功率控制研究［Ｊ］．中国电机工程学报，２００５，２５（４）：８７． ９３． 说明气隙谐波含量之间的关系，对得到的气隙磁 ［２］ ＲＯＢＥＲＴＥ，ＭＩＬＵＴＩＮＧ．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｎ— 通密度波进行频谱分析，以３次谐波为基准，得到 ｔｒｏｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｂｍｓｈｌｅｓｓ ｄｏｕｂｌｙ—ｆｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｃｅ ｍａｃｈｉｎｅ 的结果如图５所示。 ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，２０００，１７（３）： ３３２－３３９． ÷… 一 ［３］ 邓先明．无刷双馈电机的电磁分析与设计应用 一 ： ［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００８．１２． ｒｌｌ－￣ｉｉｒ 工 Ｉ ‘＿Ｉ ［４］ 王凤翔，张凤阁，徐隆亚．不同转子结构无刷双馈电 机转子磁耦合作用的对比分析［Ｊ］．电机与控制学报， 图５ ＢＤＦＭ功率绕组励磁时的气隙磁通谐波含量 １９９９，３（２）：１１４・１１６． 从图５中可以得到，笼型带深槽转子的基波 ［５］韩力，高强，罗辞勇，等．无刷双馈电机笼型转子结 含量为４８％左右，凸极加导条转子的基波含量为 构对磁场调制的影响［Ｊ］．电机与控制学报，２００９，１３（２）： ５８％左右，而磁障式磁阻转子基波含量为６４％左 １６４—１６５． 右。所以磁障式磁阻转子的磁场调制效果，在相 同的条件下比其它两种转子好。从图５中也可以 作者简介：樊贝男 １９８５年生：中国矿业大学信息与 得出，磁障式磁阻转子的高次谐波也较小，所以产 电气工程学院在读研究生，研究方向为电机设计与控制 研究． 生的谐波电动势也较小，电机损耗相对减少，提高 收稿日期：２０１２－０２－２１ 了电机效率。 －”¨¨． …ｌ…－ ’ｌｌ¨．｜・…－ｌｌ¨－ －”¨¨一 ‘ ¨。 ． ．“ ＿ ’．１¨．．・・‘¨¨ －”¨¨｜１・ 。ｌ＿一 －．｜｜ … － －” ・ ・ ‘。‘ ．．。’｜．１＿¨ ‘。 ¨ ’Ｊｌ¨． ＿‘ ｔ”。 －１。’ ‘（上接３页） ［３］ 彭晓，杨向宇，石安乐，等．无刷双馈电机的原理与 优点，既具备了一定的低电压穿越功能，又具备了 结构特征．湖南工程学院学报．第１２卷第３期． 高可靠性、低维护性，并且制造技术也目趋成熟， ［４］ 王建维．双馈异步和永磁同步风力发电机特性分 相信在不久的将来无刷双馈风力发电机将在风力 析．自动化博览，２０１０．９． 领域中占有重要的一席。 ［５］李隆年，王宝玲，周汝潢．电机设计．北京：清华大学 参考文献 出版社，１９９２．９． ［１］ 汤蕴璎，史乃．电机学．北京：机械工业出版社， ２００５． 作者简介：张胜男 男 １９８２年生；２００３年毕业于佳木 ［２］ 徐善椿，黄曦东．交流励磁双馈发电机的原理、能量 斯大学电机专业。现从事电机设计研发工作． 关系和应用．哈尔滨电工学院学报，１９９５． 收稿日期：２０１２－０２—１３ ６