分频风电系统用于直驱式风机和双馈式风机对比

孙博力，高桂革，曾宪文

（上海电机学院 电气学院，上海 200240）

分频风电系统用于直驱式风机和双馈式风机对比

孙博力，高桂革，曾宪文

（上海电机学院 电气学院，上海 200240）

分频输电系统是通过降低输电频率、提高输电容量来解决高压直流输电运送距离有限这一问题的一种新的输电方法。现在市场上主要有2种风机——直驱式风力发电机和双馈式风力发电机，分频输电系统可以用于这2种风机的海上风电并网。对比直驱式、双馈式风力发电机，将分频海上风电系统用于直驱式风机和双馈式风机，从经济性、风能利用和系统与风机的配合上进行对比，证明分频海上风电系统更适用于永磁直驱式风力发电机。

分频输电系统；直驱式风力发电机；双馈式风力发电机；分频海上风电系统

能源问题一直是世界各个领域不可忽视的问题。随着世界人口的不断增加和社会文明的不断进步，全球用电量也在不断增加，煤炭石油等化石能源并非可再生的能源，其面临枯竭的问题已众所周知，而解决这个问题最有效的途径就是开发和利用新能源。目前，出现了大量的可再生新能源，比如风能、太阳能、潮汐能、波浪能、生物能、地热能和氢能等。其中，风能是较为理想的能源之一，大多地区都有较为丰富的风力资源，而且风力发电技术也在不断发展，且技术较为成熟。近年来，世界各地的风能发电发展迅速，这也是相关部门和人员要研究的热点问题之一。

风力发电分为陆上风力发电和海上风力发电2种。陆上的风力资源和土地资源有限，且噪声、阴影、阻碍信号等都会对人们的日常生活造成一定的影响，所以发展有限。而海上的风力资源更加丰富、稳定，对周围居住和生态环境的影响比较小，且可以大大提高风机功率和装机量，因此，海上风力发电发展速度十分快，特别是欧洲和我国一些地区发展尤为迅速，海上风机的比例逐年增加。

随着海上风力发电的不断发展，海上风机的离岸距离也越来越远，且距离越远，海上风力发电的优势越明显，从而形成了从近海风力发电到远距离海上风力发电的发展趋势，而这一发展也带来了新的问题，即远距离输电问题。在海上风电的实际应用中，主要运用的有2种输电方式，一种是近距离运用的高压交流输电（high voltage alternate current，HVAC），另一种是远距离应用的高压直流输电（high voltage direct current，HVDC），这2种输电技术都已经比较成熟。但是，高压直流输电两端的换流设备十分昂贵，成为了限制它发展的最大问题。于是，分频输电系统（The fractional frequency transmission system）开始被人们关注。

分频传输（The fractional frequency transmission）是由西安交通大学的王锡凡教授1994年第一次针对远距离水电输送提出的一种新的输电系统。它是用降低输电的频率来减少输电电抗，提高输电容量的原理来改进工频的交流输电。这样可以大大提高高压交流输电的传输距离。将分频传输用于海上风电传输，与高压直流输电相比，不仅可以少一个换流站，还可以将换流站建在陆上，大大减少建造和维修成本。

从理论上来讲，海上风机的分频输电系统弥补了高压交流输电输送距离不足和高压直流输电高成本的问题，且具有减少输电回路数和出现走廊以及可以延长输电线寿命的优势。研究表明，在30～150 km的距离内，分频输电的成本低于高压直流输电。这是初次投资的成本比较，如果将维护成本等都计算在内，分频输电的优势将会更加明显。

文献[7]认为，海上分频输电系统更适用于直驱式风力发电机，海上多台风机的输出直接连接分频的交流母线，如果使用永磁直驱机型，可以去掉风机后面的换流器，降低成本，使结构更为简单。文献[8]将分频输电系统应用于双馈风力发电机，并与同等条件下的工频交流输电对比，分频输电系统适用于双馈风力发电机型，并且有较好的效果。基于以上研究结果，本文具体讨论了直驱式、双馈式风力发电机的对比情况，将分频海上风电系统用于直驱式风机和双馈式风机，从经济性、风能利用和系统与风机的配合上进行对比，以证明分频海上风电系统更适用于永磁直驱式风力发电机。

1 直驱式、双馈式风力发电机对比

1.1 直驱式风力发电机

直驱式风力发电机（Direct-driven Wind Turbine Generator）又被称为没有齿轮的同步式风力发电机。如图1所示，直驱式风力发电机由风力机和永磁同步发电机直接耦合，通过改变极对数来控制频率。其最大的特点是免去了传统部件齿轮箱的部分，使风力发电机的质量和体积大大减小，提高了运行可靠性，减少了运行噪声，而且降低了后期的维护费用。但直驱式风力发电机也有其退磁和永磁体等成本比较高的缺点。随着技术的不断发展，直驱式风机在性能提高的前提下，其成本也在不断降低，具有良好的发展前景。

图1 直驱式风力发电机结构

1.2 双馈式风力发电机

双馈式风力发电机（Double-Fed Induction Generator）是现在市场上应用最为广泛的一种风机，其结构如图2所示，包括齿轮箱、双馈异步发电机和变频器等。双馈式风力发电机具有相对成本低、技术发展成熟、能有效控制无功功率等特点。但是，双馈式风力发电机的运行能力相对不稳定，齿轮箱等部件容易损坏，需要的后期维修费用比较多。

图2 双馈式风力发电机结构

2 分频海上风电系统的结构

2.1 分频海上风电系统用于直驱式风机

海上直驱式风机随着风速的变化控制低频侧的频率，将风能利用率最大化，如图3所示，经过分频输电线路输电，频率控制在12～17 Hz之间，然后连接岸上的换流站实现变压变频控制后输送给电网。

图3 分频海上风电系统用于直驱式风机

2.2 分频海上风电系统用于双馈式风机

如图4所示，海上双馈式风力发电机发电后经分频升压变进行频率控制，将输送频率恒定在工频频率的1/3，然后连接岸上的换流站进行变压变频控制后输送给电网。

3 分频海上风电系统用于直驱式风机和双馈式风机对比

以GW1 500 kW的直驱式风机和CCWE-1 500 kW的双馈式风机为例，它们的额定功率都为1.5 MW，额定电压都为0.69 kV。

图4 分频海上风电系统用于双馈式风机

3.1 经济性对比

2种风机的成本对比情况如表1所示。

表1 2种风机的成本

市面上直驱式风力发电机的平均造价约为4 100元/kW，1台1.5 MW的直驱式风机造价约为615万元；双馈式风力发电机的平均造价约为3 700元/kW，1台1.5 MW的双馈式风机造价约为555万元。在造价上，直驱式风机的费用要高于双馈式风机。但是，在维护费用方面，直驱式风机每年的维护费约为造价的1.5%，而双馈式风机每年的维护费用达造价的3%.按10年来换算，直驱式风机的维护费用为92.25万，而双馈式风机则需要166.5万。总体成本计算后，直驱式风机的成本还略低于双馈式风机。所以，从经济上看，海上分频输电系统更适用于直驱式风机。

3.2 风能利用对比

当风速高于额定风速时，输出公里保持为额定功率不变；当风速在额定功率以下时，风力发电输出功率随着风速的变化寻求最大的功率。寻求最大功率的计算公式是：

式（1）中：Cp为风能利用系数；A为叶片扫过的面积；ρ为空气密度；ν为速度。

因此，只要保持最佳的叶尖速比就可以获得最大的风能利用。而叶片的转速与风速对应，也与频率成正比。

直驱式风机没有齿轮箱，低压侧频率与风速有直接关系；而双馈式风机有齿轮箱，低压侧的频率保持在输电恒定频率。如图5所示，当直驱式风机的风速低于6.9 m/s时，将低频侧频率控制在12.1 Hz；当风速高于9.2 m/s时，低频侧频率控制在16.1 Hz；当风速在6.9～9.2 m/s间，低频侧频率随着风速成线性变化。这样，在保证直驱式风机运行性能的前提下，可以最大程度地利用风能。如图6所示，双馈风机经变频控制后，低频侧保持在输电频率50/3 Hz。结合风机输出功率随频率控制的变化图，如图7所示，直驱式风机的平均输出功率要高于双馈式风机。所以，从风能利用上看，海上分频输电系统更适用于直驱式风机。

图5 直驱式风机低频侧频率随风速变化控制

图6 双馈式风机低频侧频率随风速变化控制

图7 风机输出功率随频率控制的变化

3.3 与分频系统的配合对比

由于直驱式风机比双馈式风机的结构更简单，不需要齿轮箱部分，所以，直驱式风机的体积和质量会远远低于双馈式风机。这不仅便于海上风电场的建设和维护，还减小了风电机组的惯性，能够快速适应风速的变化，提高风能的捕获能力，在一定程度上提高了风能利用率。转速一定时，直驱式风机通过增加电机的极对数来提高低频侧的频率。在分频输电系统中，要求的输电频率远小于工频的50 Hz，这又可以大大减小电机的极对数，进一步简化直驱式风机。

电机转速的计算公式是：

式（2）中：n为电机转速；f为频率；P为电机极对数。

所以，从海上分频输电系统与2种风机的配合上看，该系统适用于直驱式风机。

4 结束语

本文对比了海上分频输电系统用于直驱式风机和双馈式风机在结构、经济、风能利用、系统间配合这些方面的情况，得知海上分频输电系统更适用于直驱式风力发电机。

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〔编辑：白洁〕

TM614

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.151

2095-6835（2017）13-0151-03