科学瞎想系列之八 直驱风力发电机组为什么不用双馈异步发电机？

目前主流风力发电机组的技术路线主要有三种，一是直驱型机组，即不要齿轮箱，风轮直接驱动发电机，这种发电机转速很低（大约在每分钟十几到二十几转），体积重量很大 ; 二是双馈型机组 ; 即风轮通过三级升速的齿轮箱，驱动双馈异步发电机，通常发电机的转速在1000转/分钟以上 ; 三是半直驱机组，即风轮通过一级或两级升速的齿轮箱驱动发电机，发电机转速大约在每分钟一百多转到三四百转左右。这三种风力发电机组各有特点，从已经装机的机组看，前两种机型装机较多，难分伯仲，所以业界通常只说直驱和双馈之分。 严格地说，这种分类方式是不科学的，第一和第三种说的是驱动方式，而第二种又说发电机的种类，可见这种分类方式不伦不类。其实上述三种分类是按发电机的转速高中低不同分的，由于第二种的高速风力发电机大多是双馈异步发机，所以又把这种机组称为双馈型风力发电机组。那问题来了，为什么高速风力发电机组多用双馈异步发电机，而直驱和半直驱的低速机组都不用双馈异步发电机，而多用永磁或电励磁同步发电机呢？ 这要从双馈异步发电机的特点说起，双馈异步发电机其实就是一种绕线式异步电机，转子接变频器，定子直接并网，它在正常运行时转子和定子均会有功率输出（或输入），所以叫双馈电机，转子上的功率为转差功率，由于风力发电机组运行时转差较小（一般额定转在20%左右，最大不超过30%），因此变频器的容量较小，只是机组额定功的30%~40%即可，不想用同步电机那样，变频器容量必须是整个机组容量，在十几年前电力电子装置极其昂贵，双馈电机所用的变频器容量很小，成本就低，使得这种电机在风力发电领域优势非常明显，除此之外，双馈电机的电能品质和效率等方面也有一定的优势，当然它也有明显的缺点，那就是转子上存在滑环碳刷装置，可靠性较差，维护麻烦。 言归正传，上述所说的转子功率只是转差功率指的是有功功率，双馈电机转子上还要提供励磁无功电流，这使得转子变频器容量不能仅仅是转差功率，而要比转差功率略大一些，对高速电机，极数较少，转子较轻，气隙也较小，需要的励磁无功电流就较小，转子无功功率占比不大，所以变频器容量不会增大多少，这使得双馈电机变频器小的优势仍然很显。但对低速电机，由于励磁电流较大，转子无功占比将显著增大，转子变频器的容量将显著增大，这样其优势就不再明显了。那么为什么低速电机励磁电流会大呢？原因有二，一是低速电机转子重量急剧增大，为了机械安全方面的考虑，气隙必然要加大，而空气导磁性能极差，因此需要的励磁电流就大 ; 其二是低速电机极数较多，每极在转子圆周上所占的弧长（极距）较短，而励磁磁势还要因气隙增大而增大，这样单位弧长上的励磁电流（线负荷）就必须增大，总励磁电流必然大幅增大。这也是为什么异步电机极数越多功率因数越低的根本原因，在同步电机中，同容量的电机，低速比高速的励磁功率大也是普遍规律。 综上所述，由于低速电机励磁无功显著增大，使得双馈电机失去了其主要优势 ; 其次，由于电力电子技术的飞速发展，变频器成本大幅降低也进一步加剧了其优势的丧失。在此情况下，它存在滑动电接触可靠性低、维护工作量大的缺点就更加显现出来，因此低速的直驱和半直驱风力发电机组都不用双馈电机，不仅如此，随着海上风电机组的高可靠性要求和电力电子器件价格的进一步降低，在高速领域中，双馈电机也逐步失去了其明显优势而被永磁电机、鼠笼异步电机和电励磁同步电机所取代。 双馈电机且行且珍惜吧！