2MW雙饋發電機的研制和開發

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，中國政府把發展風電產業作為改善能源結構的重要手段和新的經濟增長點。目前國家能源局正在制定有關新能源產業振興的規劃，主要是加快推進新能源產業的發展。在新能源產業的各子行業中，風電將是未來的發展重點。目前不僅各大電力集團，而且有關的國有企業、民營企業、外資企業也紛紛地進軍中國風力發電行業，風力發電發展呈現出前所未有的蓬勃景象。

1 雙饋發電機概述

雙饋發電機是結合了異步發電機和同步發電機的優點而發展起來的一種新型發電機。具有良好的調速性能、有功和無功功率獨立可調、改善電網功率因數、提高系統的穩定性以及相對較小的勵磁容量等優點。可廣泛應用于風力以及抽水蓄能等新型可再生能源發電系統中。

雙饋風力發電機具有如下優點：

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

2）雙饋風力發電機僅需對轉子功率進行變頻控制，而轉子功率一般為總功率的20%以內，即需要整流逆變容量非常小，變頻損耗小，變頻器成本低，控制系統體積小。

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

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

另一方面，雙饋風力發電機也具有如下缺點：

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

3）發電機需要安裝滑環系統，必須定期維護、檢修和更換。

4）控制回路會在轉軸上感應產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 系統原理

三相雙饋風力發電機從電機結構上與三相繞線式異步電動機相似，發電機主要運行在較大轉差的三相交流勵磁發電機狀態下，其勵磁方式主要是跟蹤發電機轉速變換情況，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，保證發電機定子產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可控可調，從而調節雙饋發電機的運行工況，并入電網向電網輸送符合質量標準的交流電能。轉子的轉差功率則通過電力電子器件的變換成為工頻 50Hz電能向電網輸送。雙饋風力發電機系統原理圖如圖1所示。

圖1 雙饋風力發電系統原理圖

3 規格和設計參數

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

轉速范圍：950～2050r/min

額定轉速：1756r/min

效率：96.8%

自然功率因數：0.97

定轉子接法：△/Y

額定轉子輸出功率：310kW

額定轉子電壓：320V

額定轉子電流：577A

轉子開路電壓：1924V

絕緣等級：F/H

防護等級：IP54（滑環部份IP23）

中心高：500mm

4 基本原理

根據電機的基本能量轉換原理，可以推導出雙饋風力發電機運行時的機械轉速與定、轉子繞組頻率有如下關系：

f1為定子頻率，恒定為電網頻率。

P×n/60為發電機轉子機械旋轉頻率，P為發電機極對數，n為發電機實際運行轉速。

f2為轉子頻率。

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

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

作為發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子拖n＞ns即可。

運行時，雙饋風力發電機的定子直接接入電網，從電網中吸取滯后的無功電流來激磁；發電機要求其機械功率轉變為電磁功率，當風速較大轉速較高時，從轉子上吸收功率輸入電網；當風速較低時，從電網上吸收功率輸入轉子。

5 結構設計

雙饋風力發電機的基本結構如圖2所示。

圖2 雙饋風力發電機基本結構圖

如圖2所示，發電機主要由定子、轉子、滑環、接線盒、編碼器、潤滑系統等組成，具體結構如下：

1）發電機為箱式結構，臥式安裝。主體采用空-水冷卻形式，內部空冷，外部水冷。

2）定子機座為箱式結構，采用鋼板焊接而成。定子鐵心采用內壓裝結構，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）轉子采用閉口平底槽，轉子線圈采用優質銅母排，雙層波繞，H級絕緣。因發電機堵轉電壓為1924V，并且考慮到轉子外接變頻器，且為旋轉部件，因此轉子對地絕緣按3000V級考慮。轉子鐵心與轉子繞組同樣采用VPI真空壓力整體浸漆。

5）轉軸采用“光軸”結構，即轉子片直接套在轉軸上。軸采用耐低溫合金鍛鋼，以便于滿足風力發電機能在-50℃～50℃范圍內正常運行。

6）因飛逸轉速最高為 2650r/min，因此轉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象。無緯帶的厚度也相應增強，轉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，為防止轉子調頻時引起的軸電流，前后軸承均采用陶瓷滾子軸承，且轉軸接地。

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

9）發電機機座下部兩側設計有防潮加熱器，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，以便監控發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，并有相應標記。

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

11）計算滿載定子繞組溫升 76K，轉子繞組溫升88K。

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

6 試驗結果

該臺樣機于2010年12月在我公司質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，能滿足風力發電機的要求。

本試驗結果見表1。

表1 不同轉速下定、轉子部分參數和溫升測定

（續）

7 結論

雙饋風力發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，其結構復雜，維護不便，但與同步風力發電機相比具有較明顯的優勢。隨著我國風電產業的發展，雙饋風力發電機勢必會得到更一步的長足進步。

我公司根據重慶市對兆瓦級風力發電產業化項目子項風力發電機系統要求，堅持走自主研發、自主制造和不斷創新之路，成功開發了 2MW 雙饋風力發電機。通過試驗驗證，完全達到或超過預期設計目標，完全能滿足風力發電對發電機的相求。設計過程中在產品設計、新材料選擇、人性化操作等方面綜合考慮，保證產品質量。同時，雙饋發電機防雷技術是設計時關注的另一重要方面，但目前國內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。

[1] 陳世坤.電機設計[M].北京:機械工業出版社,1982.

[2] 湯蘊繆,史乃.電機學[M].北京:機械工業出版社,2005.

[3] 李鐵才,杜坤梅.電機控制技術[M].哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2000.

[4] 楊長能.電力拖動基礎[M].重慶:重慶大學出版社,1994.

[5] 馬志源.電力拖動控制系統[M].北京:科學出版社,2004.

[6] 湘潭電機廠.交流電機設計手冊[M].長沙:湖南人民出版社,1978.

[7] 黃俊.電力電子變流技術[M].北京:機械工業出版社,1999.