同步异步二次发电风电系统

风力发电机技术，从最初的小功率同步发电机，进化到上世纪八十年代的大型风电机所采用的定速型鼠笼发电机。用升速齿轮箱的定速型鼠笼发电机，属于异步发电机技术。优点是鼠笼发电机结构简单、维保方便、价格便宜，并网容易，采用齿轮箱提高风轮机的转速配合体轻价廉的高速鼠笼发电机，经济合理，具有比较高的性价比。由于技术简单、经济性高，该机种从上世纪末至今，获得了许多国家广泛的应用，目前我国已建成运行中的大型风电机，绝大多数属于这一技术类型。 但是定速型鼠笼发电机的缺点也很明显。首先，定速型风机在不同的风速下难以获得合适的尖速比，导致截获风能的效率降低；其次，齿轮箱在风况和环境变化中承受变荷冲击、悬殊温差，工

况严酷，维修保养的成本很高，成为风力发电机组中的软肋环节；第三，鼠笼发电机的效率不高，转差功率无法利用，转差率稍高就严重发热，同时还必须从电网中吸收励磁功率，功率因数低。 针对定速型鼠笼发电机的缺点，变速双馈风力发电机的技术方案开始采用。变速双馈风力发电机，同样属于异步发电机。变速双馈风力发电机与定速型鼠笼发电机相同的是，发电机定子都直接并网，能将大部分电能输入电网，同时从电网吸收励磁功率；不同的是，随着风电机转速的变化，双馈机转子绕组能将转子所产生的转差功率，通过变频器转化为工频电流，回输到电网，同时这部分工频电流也可以调节功率因数，从而使机组的总的功率因数得到改善。目前美国GE能源、德国Fuhrländer等公司的很多风力发电机产品，采用变速双馈风力发电的技术方案。

以德国Enercon公司为首的风电机制造商，着力去掉齿轮箱，推出无齿轮箱变速永磁风力发电机。永磁风力发电机是一种同步发电机，与大电网中的发电机属同一类型，所不同的是，它用永磁体替代普通发电机的励磁，省去电刷滑环，结构简单可靠，同时也节约了励磁功率，提高了发电机效率。随着风电机转速的变化，永磁风力发电机所发电力的频率也是不断变化的，所以还必须用一台全功率的变频器，将这些电能改变为恒频恒压的交流电，才能输入电网。致力于无齿轮箱变速永磁风力发电机开发的还有德国的Siemens公司、Vensys公司，瑞典的ABB等公司。 目前先进的风力发电机产品中的典型技术方案，不外乎变速双馈异步风力发电机和无齿轮箱变速永磁同步风力发电机二种，二者各有优劣。变速双馈异步风力发电机的变频器，功率约为机组功率的四分之一，机组的总价格较低，但是存在齿轮箱，其维护保养费用远高于无齿轮箱变速永磁同步风力发电机。

也许有人会问，将变速双馈异步风力发电机实现无齿轮化，不就能兼顾两者的优点，既节约机组成本，又可以减少维保费用吗？但是，也许还没有人去做过这样的改进，因为适合直驱的低速双馈无齿轮箱风力发电机的制造成本，要比目前同功率的无齿轮箱永磁发电机高得多，所以，这样一种改进，无疑会抵消双馈异步风力发电机的价格优势。 获得最多的风能、并以最低的设备制造成本和最低的维保费用为目标进行技术创新，应是任何一种先进的风力发电机技术改进提高的方向和动力。那么，在提高、改进当前变速双馈异步风力发电机或无齿轮箱变速永磁同步风力发电机二大先进机种的同时，能否找到第三种先进风电机技术，它既能综合当前二大先进机种的优点，同时还能克服二者的缺点呢？ 答案是非常地肯定的，那就是同步异步二次发电风电系统，简称同步异步二次风力发电机。

顾名思义，同步异步二次风力发电机有二次发电过程，第一次是同步发电，第二次是异步发电。其原理是，首先用无齿轮化永磁同步发电机实现一次发电，与无齿轮箱变速永磁风力发电机的技术方案基本相同；第二步，则用PCT异步发电机系统代替永磁风力发电机的全功率变频器，不需要整流成直流然后变频，大部分电能直接通过升频、稳频的二次发电，得到恒频恒压电能，输送到电网。那为什么不简单化地采用现有的永磁同步方式发电，要搞二次发电呢？其目的是为了尽量减少风力机机舱重量和制造成本，二次发电系统中的永磁发电机比现有永磁发电机更轻巧更便宜；且它所发的是低频三相交流电，然后将该低频三相交流电引入PCT异步发电机进行二次发电，升频、稳频成为恒频恒压的工频电流输入电网。

本系统的二次发电起先是源于无齿轮箱永磁同步发电，所以永磁同步发电的无齿轮箱优点也保留了下来，同时，可以合理估算出，PCT异步发电机及其配置的变频器，二者加起来的成本，还没有原来永磁发电机组中的一台全功率的变频器高，所以同步异步二次风力发电机的发电机和变频器成本都有所下降，总的性价比还优于无齿轮箱永磁同步发电机。 再进一步探讨第二次发电与双馈异步风力发电机的异同。二次发电机与双馈异步风力发电机的工作过程实际上是一样的，都能把变频变压的电流改变为恒频恒压的电流，另一个相同之处是，二次发电时的PCT异步发电机，也只要配置一个四分之一功率的变频器，这是相同点。

不同之处是，PCT二次发电机具有升频和稳频的双重功能，而现有双馈异步风力发电机仅仅只有稳频功能但没有升频功能，除非将双馈异步发电机的变频器功率从四分之一提高到三分之二以上，双馈异步发电机才具有升频功能，而这样一来，又将抵消双馈异步发电机设备成本低的经济优势，所以在同步异步二次风力发电机系统中，不能以双馈异步发电机代替PCT异步发电机。虽然同步异步二次风力发电机的电机设备成本可能高于双馈异步发电机，但是省掉齿轮箱的费用，和省掉齿轮箱的高昂维保费用，以及无齿轮化的技术效果，都能胜过双馈异步发电机。

综上所述，目前最先进的风力发电二大主流技术方案，变速双馈异步风力发电机和无齿轮箱变速永磁同步风力发电机，都各具优点，正处于难分高下的技术竞争格局中，同步异步二次风力发电机能兼具二者优点，同时克服二者的缺点，既能降低无齿轮箱变速永磁同步风力发电机的设备制造成本，又能解决双馈异步风力发电机难以实现的无齿轮化技术及由此带来的高维保费用问题，其技术优势是明显的。

可以预见，同步异步二次风力发电机的技术优势所带来的市场潜力是非常地高的，通过该基本技术方案，吸收国内外成熟产品的其它配套技术作实用化开发，从根本上大幅度提高我国风力发电机制造技术，改变我国风电机制造业大量依靠进口机产品和进口机技术的落后局面，是一条快速发展我国风电机制造业的捷径。 关键词：二次发电风电系统