雷向福，張 顆，楊國偉，王步瑤, 王 振，郭燈塔

海上風力發(fā)電技術(shù)與檢測國家重點實驗室（湘潭電機股份有限公司） 湖南 湘潭 411101

前言

由于能源危機以及環(huán)境意識的提升，對可再生能源的開發(fā)利用已成為共識，風能作為最常見的可再生清潔能源之一，受到人們的廣泛關(guān)注，風能已成為世界上開發(fā)速度最快的一種新能源。我國風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度已超過世界平均發(fā)展速度，風力發(fā)電裝備制造產(chǎn)業(yè)已成為社會發(fā)展的需要，風力發(fā)電技術(shù)在近二十年得到了迅猛發(fā)展[1-4]。直驅(qū)風力發(fā)電機由風輪直接驅(qū)動，沒有齒輪箱及齒輪箱所引起的缺陷故障，因而具有高可靠性。湘潭電機已成功開發(fā)研制了 XE72 22.5RPM 2MW、XE82 19RPM 2MW、XE93 17RPM 2MW、XE93 18RPM 2.5M、XE115 18RPM 5M等系列直驅(qū)永磁風力發(fā)電機，由于永磁材料價格急遽上漲以及國家對稀土的調(diào)控，使得永磁直驅(qū)式風力發(fā)電機的成本居高不下，生產(chǎn)成本面臨極大壓力。近年來越來越多的風電研發(fā)者開始關(guān)注電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機，與永磁直驅(qū)發(fā)電機相比，同步發(fā)電機采用直流電線圈可控勵磁，可以對發(fā)電機電壓進行調(diào)控，發(fā)電電能品質(zhì)好，功率因數(shù)可調(diào)，不僅能輸出有功功率還能輸出無功功率，功率因數(shù)可達到1，更主要的是可以避免采用昂貴的稀土釹鐵硼磁鋼，達到節(jié)約成本的目的。

與永磁直驅(qū)發(fā)電機相比，電勵磁的缺點在于碳刷滑環(huán)以及磁極線圈復(fù)雜，需要定期維護，與同功率同轉(zhuǎn)速永磁電機相比較重，發(fā)電機效率低。湘潭電機已經(jīng)在大型兆瓦級風力發(fā)電機設(shè)計和制造方面積累了豐富經(jīng)驗，其工藝和結(jié)構(gòu)為 2MW 大功率低速電勵磁發(fā)電機的研制提供很好的參考。該型發(fā)電機在設(shè)計上借鑒了直驅(qū)永磁發(fā)電機先進成熟的結(jié)構(gòu), 對轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)重新進行設(shè)計，將電勵磁轉(zhuǎn)子代替永磁轉(zhuǎn)子，同時運用先進設(shè)計及工藝制造方法，成功研制出 2MW 電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機以達到降低風電成本要求。

1 電勵磁同步發(fā)電機主要參數(shù)

2MW 電勵磁直驅(qū)風力發(fā)電機的主要技術(shù)參數(shù)如下：

發(fā)電機型號：XE93 TFDD2000

額定功率：2180kW

額定電壓：690V

額定轉(zhuǎn)速：17 r/min

額定頻率：8.5Hz

效率：93%

相數(shù)：3（接線方式雙Y）

絕緣等級：F級(溫升按B級考核)

冷卻方式：IC40+強迫內(nèi)風冷

海拔：1000m

防護等級：IP54

環(huán)境溫度：-30～40℃

質(zhì)量：74T

2 電勵磁同步發(fā)電機的設(shè)計

2.1 設(shè)計原則

由于XE93 2MW TFYD2000直驅(qū)永磁風力發(fā)電機已經(jīng)研制成功，XE93 2MW TFDD2000電勵磁直驅(qū)風力發(fā)電機在XE93 2MW直驅(qū)永磁風力發(fā)電機基礎(chǔ)上改進，通用定子、錐形支撐、軸承等，設(shè)計目標滿足發(fā)電機輸出功率，同時勵磁功率要求最小化，發(fā)電機的性能指標接近永磁發(fā)電機，對XE93 2MW TFYD2000直驅(qū)永磁風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行重新設(shè)計，用勵磁磁極代替永磁體。

2.2 單支撐結(jié)構(gòu)

直驅(qū)風力發(fā)電機由于采用全功率變頻器并網(wǎng)供電方式導(dǎo)致三相輸出電壓矢量和不為零，導(dǎo)致中性點電壓不為零，這個電壓稱為共模電壓，共模電壓與轉(zhuǎn)子耦合，產(chǎn)生轉(zhuǎn)軸對地的脈沖電壓。另外，由于分數(shù)槽磁路不對稱也容易產(chǎn)生軸電壓。轉(zhuǎn)子軸電壓一旦形成回路就會產(chǎn)生軸電流。 湘潭電機系列直驅(qū)風力發(fā)電機采用如下圖1所示單支撐結(jié)構(gòu)[5-6]，不會產(chǎn)生軸電流，避免了軸電流的危害。

圖1 單支撐直驅(qū)風力發(fā)電機示意圖

2.3 轉(zhuǎn)子磁極設(shè)計

由于采用全功率變頻器直流母線電壓作為勵磁電壓，額定工況時勵磁電壓較高，發(fā)電機60極，極靴寬度空間受到限值，勵磁磁極線圈采用多層多排結(jié)構(gòu)，電磁線采用漆包線，線圈直接繞在鐵芯上，無阻尼繞組，轉(zhuǎn)子整體VPI浸漆。磁極結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 多層多排勵磁磁極結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 通風冷卻設(shè)計

相對XE93 2MW TFYD2000直驅(qū)永磁風力發(fā)電機XE93 2MW TFDD2000電勵磁直驅(qū)風力發(fā)電機增加了約50kW勵磁損耗，因此在XE93 2MW TFYD2000直驅(qū)永磁風力發(fā)電機上須改進電機冷卻系統(tǒng)，以提高其散熱能力。根據(jù)電磁計算的損耗進行溫升計算，按照2m3/s風量，由機組內(nèi)部空-空冷卻器強迫循環(huán)風冷。大型電機的結(jié)構(gòu)、電磁、散熱互為影響，在初步電磁方案設(shè)計后進行電機散熱計算，根據(jù)散熱計算結(jié)果調(diào)整電磁方案，再根據(jù)電磁結(jié)果調(diào)整電機結(jié)構(gòu)。采用成型產(chǎn)品可靠的結(jié)構(gòu)及材料以保證可靠性，同時采用成熟設(shè)計手段和類比方法，努力做到一次試制成功。

3 仿真結(jié)果分析

用Maxwell電磁場有限元Ansoft軟件對電勵磁直驅(qū)風力發(fā)電機進行電磁場有限元仿真，建立 XE93 2MW TFDD2000三相同步發(fā)電機分析二維有限元模型，為節(jié)約求解時間，采用十二分之一模型。用Ansoft中的瞬態(tài)求解器對同步電動機模型進行求解可以得到發(fā)電機相關(guān)性能曲線及磁力線分布圖、磁密分布云圖等。

圖3是空載勵磁電流55A時磁力線分布圖，空載時，同步電動機功率角接近零，磁力線以極身為對稱分布。

圖3 空載時磁力線分布圖

在設(shè)計同步發(fā)電機時，通常使額定電壓時的磁通量位于磁化曲線開始彎曲的部分，同步發(fā)電機在額定運行點都有一定程度的飽和。如果取額定電壓時的磁通量在直線部分，則說明磁路不飽和，此時鐵心沒有得到充分利用。同時，勵磁電流稍有變化，就會引起電勢和端電壓的較大變動。另一方面，如果電機的額定工況工作在磁路過于飽和之處，要得到額定電壓就需要較多的勵磁磁勢，這樣用銅量以及電機的銅耗都將增加。利用 Maxwell 2D的瞬態(tài)場對 XE93 2MW TFDD2000電勵磁直驅(qū)風力發(fā)電機進行空載勵磁分析，求解飽和系數(shù)。把發(fā)電機勵磁電流定義為變量，進行參數(shù)化掃描分析，得到反電勢與勵磁電流曲線，如圖4所示。

圖4 空載勵磁電流與反電勢

圖5是在額定工況下勵磁電流72A時磁密分布云圖，額定負載時，同步電動機功角60度，磁密在極靴肩部有飽和。

圖5 負載時磁密分布圖

4 型式試驗結(jié)果及應(yīng)用情況

試驗方案由兩臺XE93 2MW TFDD2000電勵磁直驅(qū)風力發(fā)電機背靠背進行試驗，拖動機通過聯(lián)軸器拖動發(fā)電機到額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電機發(fā)出電功率通過逆變器回饋到電網(wǎng)，由于發(fā)電機為 S1工作制，過載倍數(shù)為1.15，溫升試驗采用拖動機等效電流法。圖7為2MW直驅(qū)發(fā)電機背靠背型試試驗。

圖6 電勵磁直驅(qū)風力發(fā)電機背靠背型試試驗

空載特性是同步發(fā)電機的基本特性之一。通過空載特性可以判斷電機磁路的設(shè)計是否合理，判斷電機磁路的飽和趨勢及電機輸出電壓的能力[7-8]。圖7是由電勵磁直驅(qū)風力發(fā)電機空載特性曲線，發(fā)電機定子開路，在額定轉(zhuǎn)速 17轉(zhuǎn)/分下不同勵磁電流下測得發(fā)電機端電壓，描點繪制的曲線。圖中空載勵磁電流52A對應(yīng)反電勢約690V，空載勵磁電流線性部分延長線與690V交點約為 45A，發(fā)電機磁路飽和系數(shù)為 1.16，表明電機磁路設(shè)計合理。

圖7 空載特性曲線

表1 發(fā)電機主要參數(shù)試驗結(jié)果對比

從表1可以看出，2MW電勵磁直驅(qū)發(fā)電機樣機各項性能指標達到了設(shè)計預(yù)期，XE93 2MW TFDD2000電勵磁直驅(qū)風力發(fā)電機樣機研制取得了成功。樣機研制成功后，后續(xù)批量投產(chǎn)了近50臺。

5 結(jié)語

直驅(qū)式電勵磁風力發(fā)電機的開發(fā)可避免稀土材料價格的上漲對永磁風力發(fā)電機原材料成本造成的極大壓力，可以規(guī)避市場潛在風險，提高產(chǎn)品的市場競爭力。通過 2MW 電勵磁直驅(qū)同步風力發(fā)電機產(chǎn)品開發(fā)的實施，不僅拓寬了湘電風電產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品類型，而且保證了在風電市場的價格優(yōu)勢，穩(wěn)固了市場競爭力。同時，該類型自主創(chuàng)新的產(chǎn)品，具有獨立的知識產(chǎn)權(quán)，在技術(shù)先進性上與國外同類產(chǎn)品相當，在國家鼓勵發(fā)展風電行業(yè)的大背景下，湘電集團通過研制 2MW 電勵磁風力發(fā)電機，將掌握此種電機的設(shè)計、生產(chǎn)、工藝、制造等實際經(jīng)驗，培養(yǎng)和鍛煉風電行業(yè)的技術(shù)和管理人才，將促進我國風力發(fā)電機行業(yè)朝多樣化、新型化方向迅速發(fā)展，為我國風電行業(yè)做出更大貢獻。還可促進我國綠色可再生能源事業(yè)，減小二氧化碳排放量，為國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

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