吳世展

（重慶賽力盟電機有限責任公司，重慶 400052）

為了應對金融危機，中國政府把發(fā)展風電產(chǎn)業(yè)作為改善能源結(jié)構(gòu)的重要手段和新的經(jīng)濟增長點。目前國家能源局正在制定有關新能源產(chǎn)業(yè)振興的規(guī)劃，主要是加快推進新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在新能源產(chǎn)業(yè)的各子行業(yè)中，風電將是未來的發(fā)展重點。目前不僅各大電力集團，而且有關的國有企業(yè)、民營企業(yè)、外資企業(yè)也紛紛地進軍中國風力發(fā)電行業(yè)，風力發(fā)電發(fā)展呈現(xiàn)出前所未有的蓬勃景象。

1 雙饋發(fā)電機概述

雙饋發(fā)電機是結(jié)合了異步發(fā)電機和同步發(fā)電機的優(yōu)點而發(fā)展起來的一種新型發(fā)電機。具有良好的調(diào)速性能、有功和無功功率獨立可調(diào)、改善電網(wǎng)功率因數(shù)、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及相對較小的勵磁容量等優(yōu)點?？蓮V泛應用于風力以及抽水蓄能等新型可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中。

雙饋風力發(fā)電機具有如下優(yōu)點：

1）雙饋風力發(fā)電機定子的輸出功率是恒頻恒壓的交流電，可直接并網(wǎng)；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率經(jīng)過變換后也可以與并入電網(wǎng)。

2）雙饋風力發(fā)電機僅需對轉(zhuǎn)子功率進行變頻控制，而轉(zhuǎn)子功率一般為總功率的20%以內(nèi)，即需要整流逆變?nèi)萘糠浅Ｐ?，變頻損耗小，變頻器成本低，控制系統(tǒng)體積小。

3）雙饋風力發(fā)電機在變速運轉(zhuǎn)時發(fā)出的電高頻諧波含量低，風能利用充分；而同步風力發(fā)電機發(fā)出的電在整流逆變過程中會產(chǎn)生高頻諧波電流流入電網(wǎng)，使電網(wǎng)的品質(zhì)變壞，而風能利用相對要差一些。

4）雙饋風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速受轉(zhuǎn)子上所接變頻器控制，在風速較高時不會造成發(fā)電機飛車，因此該類發(fā)電機的可靠性較高；而同步風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)速受外界風速決定，當風速較高時會造成發(fā)電機飛車，因此該類發(fā)電機的可靠性較差。

另一方面，雙饋風力發(fā)電機也具有如下缺點：

1）轉(zhuǎn)子需要采用雙向變頻器，變速恒頻控制回路多，控制技術復雜，成本昂貴。

2）轉(zhuǎn)子繞組接雙向變頻器，控制系統(tǒng)采用SPWM 或 IGBT，變速運行范圍只能控制在同步轉(zhuǎn)速的±35%以內(nèi)。

3）發(fā)電機需要安裝滑環(huán)系統(tǒng)，必須定期維護、檢修和更換。

4）控制回路會在轉(zhuǎn)軸上感應產(chǎn)生一定程度的軸向電壓，必須對軸承部份進行絕緣處理或采用絕緣軸承，而如陶瓷滾子軸承等絕緣軸承成本昂貴。

2 系統(tǒng)原理

三相雙饋風力發(fā)電機從電機結(jié)構(gòu)上與三相繞線式異步電動機相似，發(fā)電機主要運行在較大轉(zhuǎn)差的三相交流勵磁發(fā)電機狀態(tài)下，其勵磁方式主要是跟蹤發(fā)電機轉(zhuǎn)速變換情況，在電力電子器件的控制下，隨著變換交流勵磁電流的頻率進行交流勵磁，保證發(fā)電機定子產(chǎn)生的電能在頻率上與工頻50Hz一致，電能電壓可以在一定的范圍內(nèi)可控可調(diào)，從而調(diào)節(jié)雙饋發(fā)電機的運行工況，并入電網(wǎng)向電網(wǎng)輸送符合質(zhì)量標準的交流電能。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)差功率則通過電力電子器件的變換成為工頻 50Hz電能向電網(wǎng)輸送。雙饋風力發(fā)電機系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)原理圖

3 規(guī)格和設計參數(shù)

型 號：YRFKS500-4

額定功率：2150kW

額定定子電壓：690V

額定定子輸出：1840kW

額定定子電流(cosΦ=1):1750A

轉(zhuǎn)速范圍：950～2050r/min

額定轉(zhuǎn)速：1756r/min

效率：96.8%

自然功率因數(shù)：0.97

定轉(zhuǎn)子接法：△/Y

額定轉(zhuǎn)子輸出功率：310kW

額定轉(zhuǎn)子電壓：320V

額定轉(zhuǎn)子電流：577A

轉(zhuǎn)子開路電壓：1924V

絕緣等級：F/H

防護等級：IP54（滑環(huán)部份IP23）

中心高：500mm

4 基本原理

根據(jù)電機的基本能量轉(zhuǎn)換原理，可以推導出雙饋風力發(fā)電機運行時的機械轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子繞組頻率有如下關系：

f1為定子頻率，恒定為電網(wǎng)頻率。

P×n/60為發(fā)電機轉(zhuǎn)子機械旋轉(zhuǎn)頻率，P為發(fā)電機極對數(shù)，n為發(fā)電機實際運行轉(zhuǎn)速。

f2為轉(zhuǎn)子頻率。

由此可見，隨著風速不斷變化，風葉傳遞到電機轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)速n不斷變化，則必須通過改變轉(zhuǎn)子頻率f2來使定子頻率f1保持恒定。然后再通過雙向逆變器將轉(zhuǎn)子頻率f2逆變成電網(wǎng)頻率，實現(xiàn)風力發(fā)電機的變頻恒速控制。

從電動機觀點看：PΩ=PM?Pcu2= ( 1 ?s)PM，因此可以通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率s來實現(xiàn)調(diào)節(jié)PΩ，如果在轉(zhuǎn)子電路中串入一個與轉(zhuǎn)子頻率f2相同，相位與轉(zhuǎn)子電勢相同或相反的附加電勢來吸收或輸入功率，同樣也能實現(xiàn)使實際輸出的機械功率變大或變小。

作為發(fā)電機運行時必須滿足的兩個條件是：

1）n＞ns，只需要風機將電機轉(zhuǎn)子拖n＞ns即可。

運行時，雙饋風力發(fā)電機的定子直接接入電網(wǎng)，從電網(wǎng)中吸取滯后的無功電流來激磁；發(fā)電機要求其機械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶殴β?，當風速較大轉(zhuǎn)速較高時，從轉(zhuǎn)子上吸收功率輸入電網(wǎng)；當風速較低時，從電網(wǎng)上吸收功率輸入轉(zhuǎn)子。

5 結(jié)構(gòu)設計

雙饋風力發(fā)電機的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙饋風力發(fā)電機基本結(jié)構(gòu)圖

如圖2所示，發(fā)電機主要由定子、轉(zhuǎn)子、滑環(huán)、接線盒、編碼器、潤滑系統(tǒng)等組成，具體結(jié)構(gòu)如下：

1）發(fā)電機為箱式結(jié)構(gòu)，臥式安裝。主體采用空-水冷卻形式，內(nèi)部空冷，外部水冷。

2）定子機座為箱式結(jié)構(gòu)，采用鋼板焊接而成。定子鐵心采用內(nèi)壓裝結(jié)構(gòu)，直接將片疊入機座，然后將定子壓圈與機座輻板焊牢。

3）定子采用開口槽，定子線圈采用成形線圈，雙層疊繞，F(xiàn)級絕緣。定子鐵心和線圈進行2次VPI真空壓力整體浸漆。

4）轉(zhuǎn)子采用閉口平底槽，轉(zhuǎn)子線圈采用優(yōu)質(zhì)銅母排，雙層波繞，H級絕緣。因發(fā)電機堵轉(zhuǎn)電壓為1924V，并且考慮到轉(zhuǎn)子外接變頻器，且為旋轉(zhuǎn)部件，因此轉(zhuǎn)子對地絕緣按3000V級考慮。轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)子繞組同樣采用VPI真空壓力整體浸漆。

5）轉(zhuǎn)軸采用“光軸”結(jié)構(gòu)，即轉(zhuǎn)子片直接套在轉(zhuǎn)軸上。軸采用耐低溫合金鍛鋼，以便于滿足風力發(fā)電機能在-50℃～50℃范圍內(nèi)正常運行。

6）因飛逸轉(zhuǎn)速最高為 2650r/min，因此轉(zhuǎn)子引出銅條及電纜的固定是一道難題，引出銅條的固定在上下左右都要定位，防止其位移。電纜采用平衡環(huán)固定，另外每根電纜至少再用兩個線夾固定，避免電機運行時電纜有移位或甩動的現(xiàn)象。無緯帶的厚度也相應增強，轉(zhuǎn)子線圈端部加鋼帶箍2圈。

7）設計要求軸承理論壽命為150,000h，經(jīng)計算并保留余量的情況下，選取兩端均為FAG深溝球軸承；同時，為防止轉(zhuǎn)子調(diào)頻時引起的軸電流，前后軸承均采用陶瓷滾子軸承，且轉(zhuǎn)軸接地。

8）發(fā)電機安裝有自動加脂設備和手動加脂接口，可實現(xiàn)在一定周期內(nèi)自動加注油脂，有效減少維護工作。尾端安裝有光電編碼器，用于監(jiān)控發(fā)電機運行過程中的機械轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向。

9）發(fā)電機機座下部兩側(cè)設計有防潮加熱器，以便停機時防潮使用。定子繞組每相3只，共9只Pt100測溫元件，軸承每端2只，共4只Pt100測溫元件，以便監(jiān)控發(fā)電機運行時的繞組和軸承溫度。且定子每相設計有1只高壓溫度開關，以便于繞組溫度過高時可以自動切斷。所有元件均引至專門的輔助接線盒內(nèi)，并有相應標記。

10）定、轉(zhuǎn)子接線盒內(nèi)各安裝3根銅母線，發(fā)電機定子采用母排引出至定子接線盒內(nèi)，轉(zhuǎn)子采用電纜引出至轉(zhuǎn)子接線盒內(nèi)。且定、轉(zhuǎn)子接線盒內(nèi)均安裝有避雷器，以避免因雷擊產(chǎn)生的電涌對發(fā)電機造成損壞。

11）計算滿載定子繞組溫升 76K，轉(zhuǎn)子繞組溫升88K。

風力發(fā)電機一般安裝在戶外，在結(jié)構(gòu)設計過程中，充分考慮發(fā)電機運行環(huán)境的極端惡劣。冰凍不至于影響設備運行，腐蝕鹽霧等對發(fā)電機結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生危害。同時還對結(jié)構(gòu)部件進行了大量的靜、動態(tài)計算，疲勞強度校核，沖擊、波動載荷計算，使發(fā)電機整體結(jié)構(gòu)安全可靠。

6 試驗結(jié)果

該臺樣機于2010年12月在我公司質(zhì)量保證部中心試驗室做了一系列試驗（主要包括：溫升、噪聲、振動等），實測樣機噪聲88dB(A)（聲壓計），振動 1.6mm/s（速度有效值）。另外，試驗結(jié)果表明該樣機在電氣性能和機械性能上完全達到或超過設計目標，能滿足風力發(fā)電機的要求。

本試驗結(jié)果見表1。

表1 不同轉(zhuǎn)速下定、轉(zhuǎn)子部分參數(shù)和溫升測定

（續(xù)）

7 結(jié)論

雙饋風力發(fā)電機在我國起步較晚，與先進國家相比仍有不小的差距，并且由于采用繞線型異步電機，其結(jié)構(gòu)復雜，維護不便，但與同步風力發(fā)電機相比具有較明顯的優(yōu)勢。隨著我國風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，雙饋風力發(fā)電機勢必會得到更一步的長足進步。

我公司根據(jù)重慶市對兆瓦級風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)化項目子項風力發(fā)電機系統(tǒng)要求，堅持走自主研發(fā)、自主制造和不斷創(chuàng)新之路，成功開發(fā)了 2MW 雙饋風力發(fā)電機。通過試驗驗證，完全達到或超過預期設計目標，完全能滿足風力發(fā)電對發(fā)電機的相求。設計過程中在產(chǎn)品設計、新材料選擇、人性化操作等方面綜合考慮，保證產(chǎn)品質(zhì)量。同時，雙饋發(fā)電機防雷技術是設計時關注的另一重要方面，但目前國內(nèi)對風電防雷技術的研究仍然嚴重不足，還需要進行進一步的研究。

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