运达风电研发中心许国东2007/9/15

大型风电机组驱动方案分类

•直驱低速永磁同步发电机

代表厂商：德国Vensys（金风），日本三菱，日本原弘产（湘潭），挪威Scanwind

•直驱低速绕线同步发电机

代表厂商：德国Enercon

•半直驱中速永磁同步发电机

代表厂商：德国Multibrid，芬兰Winwind，加拿大Aaer，美国Clipper

•绕线式双馈感应发电机

代表厂商：西班牙Gamesa，西班牙EHN（安讯能），德国Repower（东汽），德国Fuhrlaender（华锐），美国GE

•绕线式感应发电机滑差调节

代表厂商：印度Suzlon，丹麦Vestas

•鼠笼式感应发电机主动失速调节

代表厂商：德国Siemens，丹麦Vestas(V82-1.65MW)

直驱低速永磁同步发电机

原弘产直驱永磁同步机组

特点：

1. 风轮主轴直接带动发电机转子

2. 其发电机转子为永磁体，无励磁损失

3. 发电机直径大，质量大

4. 发电机上无碳刷/滑环

5. 发出的电能量全部经过变流器并网

优点：

1. 维护量小，适合于海上风电

2. 对电网的兼容性好，低电压穿越能力强

3. 效率高

缺点：

1. 整机成本高，部分零件制造困难

直驱低速绕线同步发电机

Enercon 直驱绕线同步机组

特点：

1. 风轮主轴直接带动发电机转子

2. 其发电机转子有滑环进行励磁

3. 发电机直径大，质量大

4. 功率因数调整灵活

5. 发出的电能量全部经过变流器并网

优点：

1. 对电网的兼容性好，低电压穿越能力强

缺点：

1.整机成本高，部分零件制造困难

2.滑环需要

维护

半直驱中速永磁同步发电机特点：

1. 风轮主轴经过一级增速后连接发电机转子

2. 其发电机转子为永磁体，无励磁损失

3. 发电机比直驱永磁同步发电机小

4. 发电机上无碳刷/滑环

5. 发出的电能量全部经过变流器并网

优点：

1. 维护量小，适合于海上风电

2. 对电网的兼容性好，低电压穿越能力强

3. 效率较高

缺点：

齿轮箱技术不成熟Multibrid 半直驱永磁同步机组

直驱/半直驱的能量输出方案

方案A —不控整流+直流升压+PWM逆变

优点：

成本低，控制简单，在低速运行时能提升直流电压以改善IGBT的工作状态，发电机绕组承受不高的du/dt，直流侧电容大。

缺点：

直流电压含有一定量的谐波，进而对交流电网产生污染。

直驱/半直驱的能量输出方案

方案B —PWM整流+PWM逆变

优点：

输出电流接近正弦，效率高，谐波污染小，控制性能好，直流电容小。缺点：

控制较复杂，成本高，发电机绕组承受du/dt。

绕线式双馈感应发电机

特点：

1. 风轮主轴经过多级增速后连接发电机转子

2. 发电机转子为绕线式

3. 发电机体积小，速度高

4. 小容量的变流器控制整机功率特性

优点：

1. 技术较成熟

2. 成本较低

3. 变流器功率小

缺点：

1. 碳刷、滑环、集尘器、齿轮箱，需要定期

维护GE绕线式双馈

机组

双馈的能量输出方案

方案—PWM整流+PWM逆变

优点：

通过小功率控制实现大功率控制，变流器容量小

缺点：

调速范围受变流器容量，在同步速度时转子能量小、电压低，容易出现换流困难。

绕线式感应发电机滑差调节

特点：

能在小范围（10%）内变速运行，实现一定的控制柔性，在湍流的情况下能在一定程度上稳定功率，减少结构应力。成本比变速恒频方式低，结构简单。

鼠笼式感应发电机主动失速

特点：

根据转速、电量等参数主动进行变桨失速调节，在高风速时保持输出能量的稳定。变桨调节范围小。

传统定转速机组的特性

缺点：

1. 结构应力大

2. 输出能量不稳定

3. 投入时电网污染大

4. 无功功率不稳定，引起电网电压波动

5. 不具备低电压穿越能力

优点：

•控制简单

•成本低

•可靠性好

能量控制的中压和低压方式

中压方式的优点：

电机体积小，同等容量下的开关电器和变流器在技术上易于实现，电缆细。

中压方式的缺点：

配电设计和工艺要求高，对操作人员的要求高。

低压方式的优点：

技术方案成熟，零配件供应成熟，对操作人员的要求低

低压方式的缺点：

机组容量继续增大的话，开关电器和变流器将难以实现，动力电缆太粗。结论：

根据NREL研究报告，在3~5MW以上的机组中，中压方式将可能比低压方式在成本上更具有竞争力。

低电压穿越

出发点：

在局部地区，当风力发电占到系统总容量的相当成分时，就必须面对风电场故障或者电网瞬态故障时系统的稳定性表现。

电网绝大多数故障引起的电压跌落都是瞬态的，风电机组要在出现瞬态故障时保持并网运行并促进电网的稳定。

德国E.ON

标准

发展现状：

丹麦、德国等一些国家已经提出

相应的强制性电网规约，GE 、

Vestas 等厂商已能提供相应的产

品，ABB 、SSB 等零部件供应商

也能提供相应的解决方案。

输出能量的主动控制

出发点：

随着风电占整个电网容量比例的上升，风电作为不稳定能源的形式必将得到改变。

要求：

风电机组输出的有功功率和无功功率在某种程度上将由电网进行主动控制，而不是只由风能量决定。

风电场必须具备大容量的动态无功功率调节装置，能够对风电场的输出电能量在感性和容性之间动态调整。

根据统计数据、技术参数和气象资料能预测风电场的表现。

直驱/半直驱多电机方案

出发点：

大容量的永磁同步发电机和全功率变流器制造困难。

优点：

发电机和变流器制造简单，提高机组可利用率和效率。

Clipper半直驱机组

Scanwind直驱3MW电机

液压变速齿轮箱方案

出发点：

在北美市场避开GE的专利。

优点：

省略变频器，传动链柔性化

缺点：

有一定程度的能量波动，应用

经验缺乏，并网机构复杂。

Dewind D8.2-2MW机组

海上中压轻型直流输变电

出发点：

解决长距离不稳定能源的输变电问题。

优点：

1.直流输电在成本上有优越性。

2.直流输电没有电容电流，因而输电能力更强。

3.直流输电的损耗小。

4.直流输电对信号的干扰小。

5.直流输电的电网稳定性更好，不存在交流输电时的电网同步问题。

6.直流输电故障时的损失比交流输电小。

海上中压轻型直流输变电

结构：

已有海上风电场业绩：

丹麦Tiaereborg（7.2MW)，瑞典Gotland（50MW），瑞典Nassuden（40MW）

风电的未来

丹麦Horns Rev风电场，160MW下载本文