聊聊直驅(qū)和雙饋風(fēng)力發(fā)電那些事兒

最近北京風(fēng)電展(China WindPower)正在進(jìn)行中，是既上海光伏展、PCIM 展和工博會(huì)之后的又一個(gè)比較大的展會(huì)，只是地址不再是魔都，而是帝都，大家有機(jī)會(huì)的可以去逛逛。每個(gè)展會(huì)都會(huì)展現(xiàn)其主題相關(guān)行業(yè)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，也是相關(guān)從業(yè)人員交流的地方；對(duì)于不同崗位來(lái)說(shuō)，參展后的收獲不盡相同，感觸也不同。只想說(shuō)，無(wú)論哪個(gè)行業(yè)，哪個(gè)方向，只要你能夠穩(wěn)穩(wěn)地深入，又能夠吸收新的內(nèi)容，你方可成“一方霸主“，也就是我們俗稱的大牛，權(quán)威 ...... 加油把，工作(or 生活)是一碗湯，我不想做一根叉子，爭(zhēng)做湯匙吧~

我們先來(lái)看看北京風(fēng)電展的 LOGO

是不是凸顯出來(lái)了北京和風(fēng)電兩個(gè)關(guān)鍵元素，還略帶點(diǎn)中國(guó)風(fēng)的味道。今天我們就來(lái)聊聊直驅(qū)和雙饋風(fēng)力發(fā)電。

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風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將葉輪吸收的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再經(jīng)由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，最終輸出交流電。跟太陽(yáng)能發(fā)電類似的，其實(shí)從廣義上講，風(fēng)能也是太陽(yáng)能的一種形式，有種說(shuō)法是，風(fēng)力發(fā)電機(jī)是一種以太陽(yáng)為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的發(fā)電機(jī)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類：
①按照槳葉數(shù)量分類可分為：?jiǎn)稳~片、雙葉片、三葉片和多葉片機(jī)型；

②按照風(fēng)機(jī)接受風(fēng)的方向可分為：上風(fēng)向型和下風(fēng)向型；

③根據(jù)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)主軸的方向可分為：水平軸式風(fēng)機(jī)和垂直軸式風(fēng)機(jī)；

④按照功率傳遞的機(jī)械連接方式可分為：直驅(qū)型和雙饋風(fēng)機(jī)；√

今天，我們來(lái)聊聊第四種分類，了解下直驅(qū)型和雙饋風(fēng)力發(fā)電。

02
直驅(qū) VS 雙饋
直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，是一種由風(fēng)力直接驅(qū)動(dòng)的發(fā)電機(jī)，也稱為無(wú)齒輪風(fēng)力發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)采用多級(jí)電機(jī)和葉輪直接連接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，省去了齒輪箱這一傳統(tǒng)部件，主要由風(fēng)輪、永磁同步電機(jī)、AC-DC-AC 變流器、變壓器等部分組成。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要由風(fēng)輪、增速箱、雙饋異步發(fā)電機(jī)、AC-DC-AC 變流器、變壓器等組成。風(fēng)輪經(jīng)過(guò)增速后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)定子繞組線端是發(fā)電機(jī)電力的輸出端，通過(guò)開(kāi)關(guān)箱連接到交流電網(wǎng)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)集電環(huán)連接到 AC-DC-AC 變流器，變流器的另一端連接到變壓器，變壓器的副邊側(cè)通過(guò)開(kāi)關(guān)箱連接到交流電網(wǎng)，這樣的系統(tǒng)可以在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速 40%和高于同步轉(zhuǎn)速 15%內(nèi)正常運(yùn)行。

直驅(qū)發(fā)電機(jī)和雙饋發(fā)電機(jī)的區(qū)別
直驅(qū)發(fā)電機(jī)：直驅(qū)同步發(fā)電機(jī)也叫低轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，都是多極結(jié)構(gòu)，有多極內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和多極外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等，只是在結(jié)構(gòu)的要求上有變化。采用永磁體(略受歡迎的一種)技術(shù)的直驅(qū)式發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高。磁直驅(qū)式發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有軸式和盤(pán)式兩種結(jié)構(gòu)。

雙饋發(fā)電機(jī)：雙饋式異步發(fā)電機(jī)的定子繞組直接與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子繞組通過(guò)變流器與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組電源的頻率、電壓、幅值和相位按照運(yùn)行要求自動(dòng)調(diào)節(jié)，機(jī)組可以在不同的轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電，滿足用電負(fù)載和并網(wǎng)要求。由于采用了交流勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)和電力系統(tǒng)構(gòu)成了"柔性連接"，即可以根據(jù)電網(wǎng)電壓、電流和發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，精確地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)輸出電壓，使其能夠滿足要求。

03
Differences
★傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的區(qū)別

上文說(shuō)到直驅(qū)風(fēng)機(jī)組的風(fēng)輪是直接連接到發(fā)電機(jī)上的，而雙饋發(fā)電系統(tǒng)的傳動(dòng)一般包括風(fēng)輪、主承軸、低速軸、高速軸、齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和制動(dòng)器等，不是所有的都包含上述所有的部件。

什么是齒輪箱呢？齒輪箱又叫變速箱，一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)不同齒數(shù)的齒輪嚙合，將馬達(dá)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換到執(zhí)行設(shè)備所需的轉(zhuǎn)速，同時(shí)能改變轉(zhuǎn)矩的結(jié)構(gòu)。大概可以進(jìn)行下面的幾種分類：

①按照內(nèi)部傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)可分為：平行軸結(jié)構(gòu)齒輪箱和行星結(jié)構(gòu)齒輪箱以及兩者相互結(jié)合的齒輪箱；

②按照變速次數(shù)可分為：?jiǎn)渭?jí)和多級(jí)；

③按照轉(zhuǎn)動(dòng)的布置形式可分為：展開(kāi)式、分流式、同軸式以及混合式等一些；

關(guān)于具體的齒輪箱的細(xì)節(jié)這里就不多說(shuō)了，風(fēng)電中的齒輪箱不僅僅指發(fā)電機(jī)的增速箱，其中偏航電機(jī)、變槳電機(jī)的減速器也都是齒輪箱；

★發(fā)電機(jī)的區(qū)別，上面已經(jīng)提到過(guò)了，這里就不再贅述了。

這里我們簡(jiǎn)單地介紹下三相交流發(fā)電機(jī)的發(fā)電原理。我們假設(shè)三相交流發(fā)電機(jī)，定子鐵芯的內(nèi)圓均勻分布著 6 個(gè)槽，嵌裝著三個(gè)相互間隔 120°的同樣線圈，分別成為 A、B、C 相線圈。

當(dāng)轉(zhuǎn)子勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)三個(gè)線圈順序切割磁力線，都會(huì)感生出交流電動(dòng)勢(shì)，其幅度和頻率相同，實(shí)際上的三相交流發(fā)電機(jī)定子鐵芯上有多個(gè)槽和多個(gè)三相繞組按規(guī)律均勻地分布在槽中。 ?比如說(shuō)轉(zhuǎn)子有 3 對(duì)磁極，旋轉(zhuǎn)一周磁場(chǎng)將循環(huán) 3 個(gè)周期，每旋轉(zhuǎn) 120°磁場(chǎng)就變化一個(gè)周期。在定子鐵芯內(nèi)圓周內(nèi)有 18 個(gè)嵌線槽。在 120°機(jī)械角度里有 6 個(gè)槽，均勻分布 A、B、C 三相線圈；另外兩個(gè) 120°里也是一樣地，三個(gè) A 相線圈串聯(lián)起來(lái)即為整機(jī)地 A 相繞組，B 相和 C 相也一樣。三個(gè)繞組地引出端為相線當(dāng)轉(zhuǎn)子勻速旋轉(zhuǎn)時(shí) A、B、C 相線圈順序切割磁力線，都會(huì)感生出交流電動(dòng)勢(shì)，幅度和頻率相同。

交流電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率地關(guān)系是：n=60f/p，這個(gè)公式是不是很熟悉。在規(guī)定頻率后，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速大小只和磁極對(duì)數(shù)有關(guān)，磁極對(duì)數(shù)越多，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速就越低。但是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速總是落后于磁場(chǎng)同步轉(zhuǎn)速的，導(dǎo)致直驅(qū)發(fā)電機(jī)的極數(shù)較高的原因。

★變頻器的區(qū)別
一般使用 AC-DC-AC 這種形式，兩邊各有一個(gè) PWM 變流器。

和電網(wǎng)連接的一般稱為網(wǎng)側(cè)變流器；和發(fā)電機(jī)連接的成為機(jī)側(cè)變流器，中間使用直流環(huán)節(jié)將兩邊連接起來(lái)。變流器可以實(shí)現(xiàn)整流和逆變這兩種基本功能，中間使用電容來(lái)建立直流環(huán)節(jié)。

”雙饋“，字面不難看出，指的是雙向反饋，即雙饋式風(fēng)機(jī)發(fā)電的能量流動(dòng)有兩種形式。一種是電網(wǎng)給變頻器供電，變頻器對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行勵(lì)磁，對(duì)轉(zhuǎn)子繞組進(jìn)行饋電，能量的流向是從電網(wǎng)流向轉(zhuǎn)子的；另一種是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子處于發(fā)電狀態(tài)，輸出能量，此時(shí)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器處于整流狀態(tài)，中間直流環(huán)節(jié)不變，網(wǎng)側(cè)變流器處于逆變狀態(tài)，將中間直流母線電壓逆變?yōu)楹碗娋W(wǎng)電壓幅值頻率一致的交流電，將能量輸送給電網(wǎng)。雙饋的優(yōu)點(diǎn)是變頻器的功率可以只是風(fēng)機(jī)功率的三分之一，降低了成本，但是這也使得風(fēng)機(jī)對(duì)電網(wǎng)的波動(dòng)較為敏感，在電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，容易跳閘脫網(wǎng)。

全功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)一般大多采用永磁發(fā)電機(jī)，成本會(huì)高一點(diǎn)，但是發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)全隔離，發(fā)電機(jī)受到的沖擊小，壽命長(zhǎng)，故障率低，特別是對(duì)于電網(wǎng)波動(dòng)的敏感較小，可以在不增加任何設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能（這個(gè)概念之前我們有聊過(guò)，詳情見(jiàn)太陽(yáng)能發(fā)電 Ⅷ —— 電網(wǎng)電壓跌落 (PS:該話題告一段落)，其中有涉及到，大家可以參考下），在電網(wǎng)故障時(shí)，可以發(fā)出無(wú)功來(lái)維持電網(wǎng)電壓。

大功率交 - 直 - 交變流器的價(jià)格非常昂貴，在雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的交 - 直 - 交變流器僅向轉(zhuǎn)子繞組提供勵(lì)磁電源，功率為發(fā)電機(jī)的 25%，已經(jīng)夠用了，相對(duì)于全功率變流器價(jià)格便宜多了，這一點(diǎn)也是雙饋發(fā)電機(jī)組的主要優(yōu)點(diǎn)之一。

04
現(xiàn)狀
就目前來(lái)看，全世界的風(fēng)電組中，八成以上的仍然是帶齒輪箱的機(jī)型。尤其在技術(shù)、穩(wěn)定性及可靠性要求更高的海上機(jī)組中，全都是采用技術(shù)成熟并且可靠性較高的帶齒輪箱的技術(shù)方案。包括 2MW、2.3MW、3MW、3.6MW 和 5MW 等功率等級(jí)的機(jī)型，廠商包括 VESTAS、Siemens、Repower、GE 等，全都是主要的海上風(fēng)電組的生產(chǎn)廠商。當(dāng)然，除了以上這些廠商，國(guó)內(nèi)的幾大廠商，如金風(fēng)電氣、遠(yuǎn)景能源、湘電等，都在最近的 CWP 設(shè)有展位。