分頻風(fēng)電系統(tǒng)用于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)和雙饋式風(fēng)機(jī)對(duì)比

孫博力，高桂革，曾憲文

（上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240）

分頻風(fēng)電系統(tǒng)用于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)和雙饋式風(fēng)機(jī)對(duì)比

孫博力，高桂革，曾憲文

（上海電機(jī)學(xué)院 電氣學(xué)院，上海 200240）

分頻輸電系統(tǒng)是通過降低輸電頻率、提高輸電容量來解決高壓直流輸電運(yùn)送距離有限這一問題的一種新的輸電方法。現(xiàn)在市場(chǎng)上主要有2種風(fēng)機(jī)——直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)和雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，分頻輸電系統(tǒng)可以用于這2種風(fēng)機(jī)的海上風(fēng)電并網(wǎng)。對(duì)比直驅(qū)式、雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)用于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)和雙饋式風(fēng)機(jī)，從經(jīng)濟(jì)性、風(fēng)能利用和系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)的配合上進(jìn)行對(duì)比，證明分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)更適用于永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

分頻輸電系統(tǒng)；直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)；雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)；分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)

能源問題一直是世界各個(gè)領(lǐng)域不可忽視的問題。隨著世界人口的不斷增加和社會(huì)文明的不斷進(jìn)步，全球用電量也在不斷增加，煤炭石油等化石能源并非可再生的能源，其面臨枯竭的問題已眾所周知，而解決這個(gè)問題最有效的途徑就是開發(fā)和利用新能源。目前，出現(xiàn)了大量的可再生新能源，比如風(fēng)能、太陽能、潮汐能、波浪能、生物能、地?zé)崮芎蜌淠艿?。其中，風(fēng)能是較為理想的能源之一，大多地區(qū)都有較為豐富的風(fēng)力資源，而且風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也在不斷發(fā)展，且技術(shù)較為成熟。近年來，世界各地的風(fēng)能發(fā)電發(fā)展迅速，這也是相關(guān)部門和人員要研究的熱點(diǎn)問題之一。

風(fēng)力發(fā)電分為陸上風(fēng)力發(fā)電和海上風(fēng)力發(fā)電2種。陸上的風(fēng)力資源和土地資源有限，且噪聲、陰影、阻礙信號(hào)等都會(huì)對(duì)人們的日常生活造成一定的影響，所以發(fā)展有限。而海上的風(fēng)力資源更加豐富、穩(wěn)定，對(duì)周圍居住和生態(tài)環(huán)境的影響比較小，且可以大大提高風(fēng)機(jī)功率和裝機(jī)量，因此，海上風(fēng)力發(fā)電發(fā)展速度十分快，特別是歐洲和我國一些地區(qū)發(fā)展尤為迅速，海上風(fēng)機(jī)的比例逐年增加。

隨著海上風(fēng)力發(fā)電的不斷發(fā)展，海上風(fēng)機(jī)的離岸距離也越來越遠(yuǎn)，且距離越遠(yuǎn)，海上風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)越明顯，從而形成了從近海風(fēng)力發(fā)電到遠(yuǎn)距離海上風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)，而這一發(fā)展也帶來了新的問題，即遠(yuǎn)距離輸電問題。在海上風(fēng)電的實(shí)際應(yīng)用中，主要運(yùn)用的有2種輸電方式，一種是近距離運(yùn)用的高壓交流輸電（high voltage alternate current，HVAC），另一種是遠(yuǎn)距離應(yīng)用的高壓直流輸電（high voltage direct current，HVDC），這2種輸電技術(shù)都已經(jīng)比較成熟。但是，高壓直流輸電兩端的換流設(shè)備十分昂貴，成為了限制它發(fā)展的最大問題。于是，分頻輸電系統(tǒng)（The fractional frequency transmission system）開始被人們關(guān)注。

分頻傳輸（The fractional frequency transmission）是由西安交通大學(xué)的王錫凡教授1994年第一次針對(duì)遠(yuǎn)距離水電輸送提出的一種新的輸電系統(tǒng)。它是用降低輸電的頻率來減少輸電電抗，提高輸電容量的原理來改進(jìn)工頻的交流輸電。這樣可以大大提高高壓交流輸電的傳輸距離。將分頻傳輸用于海上風(fēng)電傳輸，與高壓直流輸電相比，不僅可以少一個(gè)換流站，還可以將換流站建在陸上，大大減少建造和維修成本。

從理論上來講，海上風(fēng)機(jī)的分頻輸電系統(tǒng)彌補(bǔ)了高壓交流輸電輸送距離不足和高壓直流輸電高成本的問題，且具有減少輸電回路數(shù)和出現(xiàn)走廊以及可以延長(zhǎng)輸電線壽命的優(yōu)勢(shì)。研究表明，在30～150 km的距離內(nèi)，分頻輸電的成本低于高壓直流輸電。這是初次投資的成本比較，如果將維護(hù)成本等都計(jì)算在內(nèi)，分頻輸電的優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加明顯。

文獻(xiàn)[7]認(rèn)為，海上分頻輸電系統(tǒng)更適用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，海上多臺(tái)風(fēng)機(jī)的輸出直接連接分頻的交流母線，如果使用永磁直驅(qū)機(jī)型，可以去掉風(fēng)機(jī)后面的換流器，降低成本，使結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單。文獻(xiàn)[8]將分頻輸電系統(tǒng)應(yīng)用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并與同等條件下的工頻交流輸電對(duì)比，分頻輸電系統(tǒng)適用于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)型，并且有較好的效果?；谝陨涎芯拷Y(jié)果，本文具體討論了直驅(qū)式、雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的對(duì)比情況，將分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)用于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)和雙饋式風(fēng)機(jī)，從經(jīng)濟(jì)性、風(fēng)能利用和系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)的配合上進(jìn)行對(duì)比，以證明分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)更適用于永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

1 直驅(qū)式、雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)比

1.1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Direct-driven Wind Turbine Generator）又被稱為沒有齒輪的同步式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。如圖1所示，直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)力機(jī)和永磁同步發(fā)電機(jī)直接耦合，通過改變極對(duì)數(shù)來控制頻率。其最大的特點(diǎn)是免去了傳統(tǒng)部件齒輪箱的部分，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)的質(zhì)量和體積大大減小，提高了運(yùn)行可靠性，減少了運(yùn)行噪聲，而且降低了后期的維護(hù)費(fèi)用。但直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)也有其退磁和永磁體等成本比較高的缺點(diǎn)。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)在性能提高的前提下，其成本也在不斷降低，具有良好的發(fā)展前景。

圖1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)（Double-Fed Induction Generator）是現(xiàn)在市場(chǎng)上應(yīng)用最為廣泛的一種風(fēng)機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括齒輪箱、雙饋異步發(fā)電機(jī)和變頻器等。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有相對(duì)成本低、技術(shù)發(fā)展成熟、能有效控制無功功率等特點(diǎn)。但是，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行能力相對(duì)不穩(wěn)定，齒輪箱等部件容易損壞，需要的后期維修費(fèi)用比較多。

圖2 雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

2 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

2.1 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)用于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)

海上直驅(qū)式風(fēng)機(jī)隨著風(fēng)速的變化控制低頻側(cè)的頻率，將風(fēng)能利用率最大化，如圖3所示，經(jīng)過分頻輸電線路輸電，頻率控制在12～17 Hz之間，然后連接岸上的換流站實(shí)現(xiàn)變壓變頻控制后輸送給電網(wǎng)。

圖3 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)用于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)

2.2 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)用于雙饋式風(fēng)機(jī)

如圖4所示，海上雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電后經(jīng)分頻升壓變進(jìn)行頻率控制，將輸送頻率恒定在工頻頻率的1/3，然后連接岸上的換流站進(jìn)行變壓變頻控制后輸送給電網(wǎng)。

3 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)用于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)和雙饋式風(fēng)機(jī)對(duì)比

以GW1 500 kW的直驅(qū)式風(fēng)機(jī)和CCWE-1 500 kW的雙饋式風(fēng)機(jī)為例，它們的額定功率都為1.5 MW，額定電壓都為0.69 kV。

圖4 分頻海上風(fēng)電系統(tǒng)用于雙饋式風(fēng)機(jī)

3.1 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

2種風(fēng)機(jī)的成本對(duì)比情況如表1所示。

表1 2種風(fēng)機(jī)的成本

市面上直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的平均造價(jià)約為4 100元/kW，1臺(tái)1.5 MW的直驅(qū)式風(fēng)機(jī)造價(jià)約為615萬元；雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的平均造價(jià)約為3 700元/kW，1臺(tái)1.5 MW的雙饋式風(fēng)機(jī)造價(jià)約為555萬元。在造價(jià)上，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)的費(fèi)用要高于雙饋式風(fēng)機(jī)。但是，在維護(hù)費(fèi)用方面，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)每年的維護(hù)費(fèi)約為造價(jià)的1.5%，而雙饋式風(fēng)機(jī)每年的維護(hù)費(fèi)用達(dá)造價(jià)的3%.按10年來換算，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)的維護(hù)費(fèi)用為92.25萬，而雙饋式風(fēng)機(jī)則需要166.5萬?？傮w成本計(jì)算后，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)的成本還略低于雙饋式風(fēng)機(jī)。所以，從經(jīng)濟(jì)上看，海上分頻輸電系統(tǒng)更適用于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)。

3.2 風(fēng)能利用對(duì)比

當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，輸出公里保持為額定功率不變；當(dāng)風(fēng)速在額定功率以下時(shí)，風(fēng)力發(fā)電輸出功率隨著風(fēng)速的變化尋求最大的功率。尋求最大功率的計(jì)算公式是：

式（1）中：Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；A為葉片掃過的面積；ρ為空氣密度；ν為速度。

因此，只要保持最佳的葉尖速比就可以獲得最大的風(fēng)能利用。而葉片的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速對(duì)應(yīng)，也與頻率成正比。

直驅(qū)式風(fēng)機(jī)沒有齒輪箱，低壓側(cè)頻率與風(fēng)速有直接關(guān)系；而雙饋式風(fēng)機(jī)有齒輪箱，低壓側(cè)的頻率保持在輸電恒定頻率。如圖5所示，當(dāng)直驅(qū)式風(fēng)機(jī)的風(fēng)速低于6.9 m/s時(shí)，將低頻側(cè)頻率控制在12.1 Hz；當(dāng)風(fēng)速高于9.2 m/s時(shí)，低頻側(cè)頻率控制在16.1 Hz；當(dāng)風(fēng)速在6.9～9.2 m/s間，低頻側(cè)頻率隨著風(fēng)速成線性變化。這樣，在保證直驅(qū)式風(fēng)機(jī)運(yùn)行性能的前提下，可以最大程度地利用風(fēng)能。如圖6所示，雙饋風(fēng)機(jī)經(jīng)變頻控制后，低頻側(cè)保持在輸電頻率50/3 Hz。結(jié)合風(fēng)機(jī)輸出功率隨頻率控制的變化圖，如圖7所示，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)的平均輸出功率要高于雙饋式風(fēng)機(jī)。所以，從風(fēng)能利用上看，海上分頻輸電系統(tǒng)更適用于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)。

圖5 直驅(qū)式風(fēng)機(jī)低頻側(cè)頻率隨風(fēng)速變化控制

圖6 雙饋式風(fēng)機(jī)低頻側(cè)頻率隨風(fēng)速變化控制

圖7 風(fēng)機(jī)輸出功率隨頻率控制的變化

3.3 與分頻系統(tǒng)的配合對(duì)比

由于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)比雙饋式風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，不需要齒輪箱部分，所以，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)的體積和質(zhì)量會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于雙饋式風(fēng)機(jī)。這不僅便于海上風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)和維護(hù)，還減小了風(fēng)電機(jī)組的慣性，能夠快速適應(yīng)風(fēng)速的變化，提高風(fēng)能的捕獲能力，在一定程度上提高了風(fēng)能利用率。轉(zhuǎn)速一定時(shí)，直驅(qū)式風(fēng)機(jī)通過增加電機(jī)的極對(duì)數(shù)來提高低頻側(cè)的頻率。在分頻輸電系統(tǒng)中，要求的輸電頻率遠(yuǎn)小于工頻的50 Hz，這又可以大大減小電機(jī)的極對(duì)數(shù)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化直驅(qū)式風(fēng)機(jī)。

電機(jī)轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式是：

式（2）中：n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；f為頻率；P為電機(jī)極對(duì)數(shù)。

所以，從海上分頻輸電系統(tǒng)與2種風(fēng)機(jī)的配合上看，該系統(tǒng)適用于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)。

4 結(jié)束語

本文對(duì)比了海上分頻輸電系統(tǒng)用于直驅(qū)式風(fēng)機(jī)和雙饋式風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)、風(fēng)能利用、系統(tǒng)間配合這些方面的情況，得知海上分頻輸電系統(tǒng)更適用于直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。

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〔編輯：白潔〕

TM614

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.13.151

2095-6835（2017）13-0151-03