殷宗林

(國華愛依斯(黃驊)風電有限公司,河北黃驊 061100)

1.5MW雙饋風力發(fā)電機的設計探索

殷宗林

(國華愛依斯(黃驊)風電有限公司,河北黃驊 061100)

當今世界普遍面臨著資源短缺的問題,而風能作為一種可再生資源,也是地球本身擁有的資源,其憑借著較大的商業(yè)價值以及環(huán)保效益,在新能源以及可持續(xù)發(fā)展的能源行業(yè)中得到了快速利用。伴隨著科學技術的深入發(fā)展,風力發(fā)電技術也實現(xiàn)了一定變化,很多風力發(fā)電機不斷問世。當前風力發(fā)電機擁有很多種類,例如,永磁電機、雙饋發(fā)電機、繞線式異步發(fā)電機、異步感應發(fā)電機、同步電機以及直驅永磁、變速、恒速等多種形式各異的風力發(fā)電機,然而應用最多且容量最大的電機便是雙饋風力發(fā)電機,由于自身擁有很強的經(jīng)濟性,因而逐漸在市場上占據(jù)著主導地位。以下筆者將通過本文,并結合自身多年實踐工作經(jīng)驗,針對1.5MW雙饋風力發(fā)電機的設計進行集中闡述。

風力資源 可持續(xù)發(fā)展 雙饋風力發(fā)電機

隨著環(huán)境污染以及能源日趨短缺，世界各國為找到一種可持續(xù)發(fā)展的方式，將常規(guī)能源中最有競爭力的風力發(fā)電，作為促進電力機構多樣化以及改善生態(tài)環(huán)境的重要途徑。在世界各國不斷擴大風電場規(guī)模，各類風力發(fā)電機不斷涌現(xiàn)時，人們發(fā)現(xiàn)應用雙饋風力發(fā)電機能夠有效提升風能利用率，改善工作效率，因此，各國又爭相提高單機容量。我國作為世界第二大能源消費國，面臨著更為嚴峻的形勢。最近幾年，風能資源的不斷開發(fā)，擴大了大容量風機的市場份額，由于雙饋風力發(fā)電機具有較為優(yōu)越的性能，如今在變速恒頻風力發(fā)電機組中，雙饋風力發(fā)電機已得到更廣泛的應用。

1 定額數(shù)據(jù)以及尺寸大小

1.1 轉子接力磁后的極對數(shù)

雙饋異步風力發(fā)電機極對數(shù)的選擇標準，通常應用4極或者6極。同時，由于帶轉差運行，若轉速范圍固定時，其選擇極數(shù)就不是唯一的。為了減少勵磁容量，須選取正常運行范圍內勵磁容量最小時的極數(shù)。此外，出于減少制造電機成本和降低電機制造工藝難度的考慮，雙饋風力發(fā)電機應選用更為合適的4極。

1.2 確定氣隙

一般情況下，氣隙應選擇最小數(shù)值的。為了降低磁力容量，可以通過縮短氣隙長度的辦法來實現(xiàn)。但需要注意，氣隙的長度不宜過短，如若不然將會帶來較大的諧波附加鐵耗、噪音以及溫度。氣隙的大小通常是由軸直徑、定子內徑以及軸承間轉子長度大小共同決定的。所以，雙饋異步風力發(fā)電機的氣隙大小，需要在保證制造工藝以及電機效率的基礎之上，選取盡可能小的數(shù)值。

1.3 確定電磁負荷

一般電磁的負荷越大，電機尺寸就越小，相應的成本也就越低，所以選擇較高的氣隙長度值是較為理想的。在選取相對合適的氣隙長度時，應從電機的綜合技術經(jīng)濟指標來考慮，以此保證制造、運行的費用最小，且性能良好。

圖一 迭代飽和系數(shù)過程圖

圖二 迭代電流有功分量過程圖

2 設計繞線轉子鐵心和繞組

2.1 選擇轉子槽數(shù)

繞線轉子感應電機的轉子繞組一般情況下為對稱三相繞組，線圈節(jié)距通常等于或是接近基波極距，所以，電子諧波磁場不會出現(xiàn)很大附加轉矩。出于遏制高頻諧波的考慮，轉子可裝有阻尼繞組。此外，為降低振動和噪音，通常會選擇數(shù)槽繞組。選擇轉子槽還應充分考慮控制數(shù)字轉子開路電壓，因此槽數(shù)不能過多。

圖三 迭代電勢系數(shù)過程圖

圖四 主程序流程圖

2.2 轉子繞組的基本特點

較大功率電機的轉子繞組均是雙層整距波繞組，這主要是為了節(jié)省線圈極之間的連接，并保持轉子易處于平衡機械狀態(tài)。此外，降低齒諧波，轉子應用半閉口槽，且口槽選擇用磁性槽楔，這主要為了縮小槽開口和由此帶來的氣隙磁導變化，其并聯(lián)的支路數(shù)量通常在1到2個，在大中型水輪發(fā)電機的定子以及繞線型感應電機中波繞線得到了廣泛應用。

3 1.5MW雙饋風力發(fā)電機的設計

這種風力發(fā)電機電磁計算模塊通常需要計算尺寸、氣隙，磁路尺寸，公用系數(shù)，各類參數(shù)，鐵心實際重量，電機銅耗量、鐵耗等等。此外，也包括幾個迭代過程，例如，在校核電壓調整率時，迭代空載轉子電流；在校核氣隙磁密最大值以及齒部磁密時，迭代飽和系數(shù)；在電校核有功功率時，迭代定子電流有功分量；迭代電勢系數(shù)。下面我們將主要分析飽和系數(shù)的迭代、電勢系數(shù)的迭代以及定子電流有功分量的迭代。

3.1 迭代飽和系數(shù)

先設定飽和系數(shù)，得出磁路的每極磁通、氣隙磁密、定子及轉子齒部磁密，再計算出氣隙磁壓以及電子及轉子齒部磁壓降，然后再按照得出的磁壓降，求出炮和系數(shù)，最后判斷解得數(shù)值和初設數(shù)值是否小于1%，若沒有，需重新設飽和系數(shù)，然后再一次計算。具體計算過程如圖一。

3.2 迭代電流有功分量

先設定子電流有功分量，依據(jù)設計任務書上的功率因數(shù)，得出定子電流無功分量；再根據(jù)等效電路求出系統(tǒng)總有功功率；最后，判斷所得系統(tǒng)總有功功率是否達到任務書上的相關要求。如果未達到要求，則需要重新進行計算。具體計算過程如圖二。

3.3 迭代電勢系數(shù)

這一迭代，一方面包括計算整個磁路，另一方面也包括計算部分電路。先應假設一個電勢系數(shù)，根據(jù)這一系數(shù)得出已變化的勵磁電流；然后計算出感應電動勢；再在感應電動勢基礎上，求出電勢系數(shù)計算值；最后，判斷求的值和假設值的誤差是否為負值，并且低于0.5%，若果不滿足條件，便需要重新進行計算。

具體計算過程如圖三。

3.4 主程序流程

根據(jù)大中型異步電機的電磁設計程序，可知道雙饋異步發(fā)電機電磁設計程序再包含上述計算模塊和迭代之外，還有電磁計算模塊流程。如圖四。

4 結語

總之，隨著環(huán)境污染以及能源危機的進一步加重，風能作為一種可再生的環(huán)保型資源，憑借其自身巨大的應用價值，逐漸在新的形勢下得到廣泛應用，這便由此推動了風力發(fā)電機相關工作的開展，其中又以設計、研發(fā)先進的風力發(fā)電設備最為關鍵。雙饋風力發(fā)電機憑借自身多方面優(yōu)勢，是目前風力發(fā)電機組中應用最為廣泛的設備。相信隨著相關工作人員的不懈努力以及科學技術的進一步發(fā)展，1.5MW雙饋風力發(fā)電機的設計將更趨于完善。

[1]楊健.1.5MW雙饋風力發(fā)電機的工程應用實例[J].上海大中型電機,2010(3)：10-13.

[2]穆鋼,郎斌斌,嚴干貴,崔揚,王曉波,鄭太一.風電機組聯(lián)網(wǎng)運行風速-功率特性曲線的研究[A].高效/清潔/安全電力發(fā)展與和諧社會建設——吉林省電機工程學會2008年學術年會論文集[C].2008.

[3]楊明皓.“農(nóng)村新能源開發(fā)與節(jié)能關鍵技術研究”項目——課題三：農(nóng)村戶用風、水、光發(fā)電關鍵技術研究[J].建設科技,2010(02).

[4]林波,宋平崗,趙芳.變松恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)中雙饋發(fā)電機的理論分析[J].電工技術,2008(02)：20-25.