2.3直驱型风力发电机和双馈型风力发电机的特性比较

永磁直驱同步发电机系统结构如图1(永磁半直驱同步发电机系统须在风力机和发电机之间增加增速齿轮箱)：

图1 永磁直驱同步发电机系统结构图

采用传统直流电励磁或永磁同步发电机风力发电系统，有如下主要优点：

(1)由于采用同步电机，控制回路少，控制比较简单，系统稳定性高，维护费用低;

(2)省去了增速用齿轮箱或仅需一级低速齿轮箱;

(3)永磁同步发电机无需集电环和刷架系统，维护更加方便。

其主要缺点如下：

(1)需要对发电机输出的全部功率进行变频控制，故需配备全功率变频器，变频器成本较高，控制系统体积庞大;

(2)永磁发电机使用高导磁率的钕铁硼和钐钴等，这些磁性材料价格很高;

(3)永磁发电机功率因数特性差，必须由变频器来进行补偿;

(4)要求永磁材料具有很高的稳定性，而高温以及电枢反应等原因可能导致永磁材料失磁。

当系统采用交流励磁的同步化双馈绕线型异步发电机时，变频器设置在转子侧。变速恒频双馈绕线型异步风力发电机系统结构如图2：

图2 变速恒频双馈绕线型异步风力发电机系统结构图

采用双馈绕线型异步发电机风力发电系统，具有如下主要优点：

(1)因变频器仅需对转子功率进行变频控制，而转子功率约为总功率的20 %~30 %，故变频器功率小，变频损耗小，变频器成本低，控制系统体积小;

(2)变频控制灵活，具有良好的调节特性：通过调节转子绕组的频率、相位、幅值和相序，可以较为方便、平滑地控制发电机有功、无功、功率因数等，使其具有良好的动态和暂态特性，实现有功和无功的解耦控制;

(3)良好的稳定性及转速适应能力：在定子电源频率一定时，通过改变转子励磁频率就可以实现对转速的调节，发电机的运行转速既可高于同步转速，也可低于同步转速，有利于系统最大限度捕获风能。

其主要缺点如下：

(1)需要采用双向变频器，变速恒频控制回路多，控制技术复杂，维护成本高;

(2)发电机需安装集电环和刷架系统，且须定期维护、检修或更换。

双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。它的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小，但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械运行损耗。

直驱式风力发电机组在传动链中省掉了齿轮箱，将风轮与低速同步发电机直接连接，然后通过变流器全变流上网，降低了机械故障的概率和定期维护的成本，同时提高了风电转换效率和运行可靠性，但是电机体积大、价格高。

永磁直驱虽然发电机体积大、成本高，但由于省去了昂贵的齿轮箱，电能生产的机械传动路径缩短了，避免了因齿轮箱旋转产生的机械损耗、噪声以及材料的磨损甚至漏油等问题使机组的工作寿命更有保障，也更适合于环境保护的要求;发电机外围面积大，易散热，由于没有电励磁，转子损耗近似为零，可采用自然通风冷却，结构简单可靠;交流一直流一交流变频装置可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节，谐波分量低，具有很强的低电压穿越能力，以适应电网扰动，实现高效率发电。由此可以看出，永磁材料的使用使直驱风电机组的优势更加突出。

永磁直驱同步发电机系统存在的缺点是：对永磁材料的性能稳定性要求高，电机重量和成本增加。另外，IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的120%以上。

综上文所述：

(1)双馈风电机组具有很高的性价比，尤其适合变速恒频风力发电系统，因而在未来一段时间内仍然是风电行业的主流机型。

(2)永磁直驱风电机组可靠性高、运行维护简单;电网运行质量大大提高。在技术经济条件成熟时，永磁直驱风电机组有望成为风电领域更受欢迎的产品。

目前，由于双馈风电机组技术十分成熟，生产厂商较多，业主选择性更强，运行经验丰富，仍是风电场开发的主流机型。而直驱风电机组技术尚未完全成熟，国内生产厂商较少，有些机型还处在设计研发阶段，并且已投人运行的机组运行时间较短，其性能、工艺质量尚需时日考验，更大兆瓦级直驱风电机组仍需在结构、材料、工艺等方面进一步研究。此外，使用性能更好的变流器才会有更好的前景。