2MW電勵(lì)磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)研制

雷向福，張 顆，楊國(guó)偉，王步瑤, 王 振，郭燈塔

海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與檢測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（湘潭電機(jī)股份有限公司） 湖南 湘潭 411101

前言

由于能源危機(jī)以及環(huán)境意識(shí)的提升，對(duì)可再生能源的開發(fā)利用已成為共識(shí)，風(fēng)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(fēng)能已成為世界上開發(fā)速度最快的一種新能源。我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度已超過世界平均發(fā)展速度，風(fēng)力發(fā)電裝備制造產(chǎn)業(yè)已成為社會(huì)發(fā)展的需要，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)由風(fēng)輪直接驅(qū)動(dòng)，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(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于永磁材料價(jià)格急遽上漲以及國(guó)家對(duì)稀土的調(diào)控，使得永磁直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)電研發(fā)者開始關(guān)注電勵(lì)磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)，與永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)相比，同步發(fā)電機(jī)采用直流電線圈可控勵(lì)磁，可以對(duì)發(fā)電機(jī)電壓進(jìn)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(wú)功功率，功率因數(shù)可達(dá)到1，更主要的是可以避免采用昂貴的稀土釹鐵硼磁鋼，達(dá)到節(jié)約成本的目的。

與永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)相比，電勵(lì)磁的缺點(diǎn)在于碳刷滑環(huán)以及磁極線圈復(fù)雜，需要定期維護(hù)，與同功率同轉(zhuǎn)速永磁電機(jī)相比較重，發(fā)電機(jī)效率低。湘潭電機(jī)已經(jīng)在大型兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和制造方面積累了豐富經(jīng)驗(yàn)，其工藝和結(jié)構(gòu)為 2MW 大功率低速電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的研制提供很好的參考。該型發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)上借鑒了直驅(qū)永磁發(fā)電機(jī)先進(jìn)成熟的結(jié)構(gòu), 對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，將電勵(lì)磁轉(zhuǎn)子代替永磁轉(zhuǎn)子，同時(shí)運(yùn)用先進(jìn)設(shè)計(jì)及工藝制造方法，成功研制出 2MW 電勵(lì)磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)以達(dá)到降低風(fēng)電成本要求。

1 電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)主要參數(shù)

2MW 電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

發(fā)電機(jī)型號(hào)：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(jí)：F級(jí)(溫升按B級(jí)考核)

冷卻方式：IC40+強(qiáng)迫內(nèi)風(fēng)冷

海拔：1000m

防護(hù)等級(jí)：IP54

環(huán)境溫度：-30～40℃

質(zhì)量：74T

2 電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)原則

由于XE93 2MW TFYD2000直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)已經(jīng)研制成功，XE93 2MW TFDD2000電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在XE93 2MW直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)上改進(jìn)，通用定子、錐形支撐、軸承等，設(shè)計(jì)目標(biāo)滿足發(fā)電機(jī)輸出功率，同時(shí)勵(lì)磁功率要求最小化，發(fā)電機(jī)的性能指標(biāo)接近永磁發(fā)電機(jī)，對(duì)XE93 2MW TFYD2000直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，用勵(lì)磁磁極代替永磁體。

2.2 單支撐結(jié)構(gòu)

直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(diǎn)電壓不為零，這個(gè)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(duì)地的脈沖電壓。另外，由于分?jǐn)?shù)槽磁路不對(duì)稱也容易產(chǎn)生軸電壓。轉(zhuǎn)子軸電壓一旦形成回路就會(huì)產(chǎn)生軸電流。 湘潭電機(jī)系列直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用如下圖1所示單支撐結(jié)構(gòu)[5-6]，不會(huì)產(chǎn)生軸電流，避免了軸電流的危害。

圖1 單支撐直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)示意圖

2.3 轉(zhuǎn)子磁極設(shè)計(jì)

由于采用全功率變頻器直流母線電壓作為勵(lì)磁電壓，額定工況時(shí)勵(lì)磁電壓較高，發(fā)電機(jī)60極，極靴寬度空間受到限值，勵(lì)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(wú)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(lì)磁磁極結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 通風(fēng)冷卻設(shè)計(jì)

相對(duì)XE93 2MW TFYD2000直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)XE93 2MW TFDD2000電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)增加了約50kW勵(lì)磁損耗，因此在XE93 2MW TFYD2000直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)上須改進(jìn)電機(jī)冷卻系統(tǒng)，以提高其散熱能力。根據(jù)電磁計(jì)算的損耗進(jìn)行溫升計(jì)算，按照2m3/s風(fēng)量，由機(jī)組內(nèi)部空-空冷卻器強(qiáng)迫循環(huán)風(fēng)冷。大型電機(jī)的結(jié)構(gòu)、電磁、散熱互為影響，在初步電磁方案設(shè)計(jì)后進(jìn)行電機(jī)散熱計(jì)算，根據(jù)散熱計(jì)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(jī)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(shí)采用成熟設(shè)計(jì)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(chǎng)有限元Ansoft軟件對(duì)電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)有限元仿真，建立 XE93 2MW TFDD2000三相同步發(fā)電機(jī)分析二維有限元模型，為節(jié)約求解時(shí)間，采用十二分之一模型。用Ansoft中的瞬態(tài)求解器對(duì)同步電動(dòng)機(jī)模型進(jìn)行求解可以得到發(fā)電機(jī)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(lì)磁電流55A時(shí)磁力線分布圖，空載時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)功率角接近零，磁力線以極身為對(duì)稱分布。

圖3 空載時(shí)磁力線分布圖

在設(shè)計(jì)同步發(fā)電機(jī)時(shí)，通常使額定電壓時(shí)的磁通量位于磁化曲線開始彎曲的部分，同步發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行點(diǎn)都有一定程度的飽和。如果取額定電壓時(shí)的磁通量在直線部分，則說明磁路不飽和，此時(shí)鐵心沒有得到充分利用。同時(shí)，勵(lì)磁電流稍有變化，就會(huì)引起電勢(shì)和端電壓的較大變動(dòng)。另一方面，如果電機(jī)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(lì)磁磁勢(shì)，這樣用銅量以及電機(jī)的銅耗都將增加。利用 Maxwell 2D的瞬態(tài)場(chǎng)對(duì) XE93 2MW TFDD2000電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)進(jìn)行空載勵(lì)磁分析，求解飽和系數(shù)。把發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流定義為變量，進(jìn)行參數(shù)化掃描分析，得到反電勢(shì)與勵(lì)磁電流曲線，如圖4所示。

圖4 空載勵(lì)磁電流與反電勢(shì)

圖5是在額定工況下勵(lì)磁電流72A時(shí)磁密分布云圖，額定負(fù)載時(shí)，同步電動(dòng)機(jī)功角60度，磁密在極靴肩部有飽和。

圖5 負(fù)載時(shí)磁密分布圖

4 型式試驗(yàn)結(jié)果及應(yīng)用情況

試驗(yàn)方案由兩臺(tái)XE93 2MW TFDD2000電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)背靠背進(jìn)行試驗(yàn)，拖動(dòng)機(jī)通過聯(lián)軸器拖動(dòng)發(fā)電機(jī)到額定轉(zhuǎn)速，發(fā)電機(jī)發(fā)出電功率通過逆變器回饋到電網(wǎng)，由于發(fā)電機(jī)為 S1工作制，過載倍數(shù)為1.15，溫升試驗(yàn)采用拖動(dòng)機(jī)等效電流法。圖7為2MW直驅(qū)發(fā)電機(jī)背靠背型試試驗(yàn)。

圖6 電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)背靠背型試試驗(yàn)

空載特性是同步發(fā)電機(jī)的基本特性之一。通過空載特性可以判斷電機(jī)磁路的設(shè)計(jì)是否合理，判斷電機(jī)磁路的飽和趨勢(shì)及電機(jī)輸出電壓的能力[7-8]。圖7是由電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載特性曲線，發(fā)電機(jī)定子開路，在額定轉(zhuǎn)速 17轉(zhuǎn)/分下不同勵(lì)磁電流下測(cè)得發(fā)電機(jī)端電壓，描點(diǎn)繪制的曲線。圖中空載勵(lì)磁電流52A對(duì)應(yīng)反電勢(shì)約690V，空載勵(lì)磁電流線性部分延長(zhǎng)線與690V交點(diǎn)約為 45A，發(fā)電機(jī)磁路飽和系數(shù)為 1.16，表明電機(jī)磁路設(shè)計(jì)合理。

圖7 空載特性曲線

表1 發(fā)電機(jī)主要參數(shù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表1可以看出，2MW電勵(lì)磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)樣機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，XE93 2MW TFDD2000電勵(lì)磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)研制取得了成功。樣機(jī)研制成功后，后續(xù)批量投產(chǎn)了近50臺(tái)。

5 結(jié)語(yǔ)

直驅(qū)式電勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開發(fā)可避免稀土材料價(jià)格的上漲對(duì)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)原材料成本造成的極大壓力，可以規(guī)避市場(chǎng)潛在風(fēng)險(xiǎn)，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。通過 2MW 電勵(lì)磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)產(chǎn)品開發(fā)的實(shí)施，不僅拓寬了湘電風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品類型，而且保證了在風(fēng)電市場(chǎng)的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，穩(wěn)固了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，該類型自主創(chuàng)新的產(chǎn)品，具有獨(dú)立的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在技術(shù)先進(jìn)性上與國(guó)外同類產(chǎn)品相當(dāng)，在國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展風(fēng)電行業(yè)的大背景下，湘電集團(tuán)通過研制 2MW 電勵(lì)磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，將掌握此種電機(jī)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、工藝、制造等實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)和鍛煉風(fēng)電行業(yè)的技術(shù)和管理人才，將促進(jìn)我國(guó)風(fēng)力發(fā)電機(jī)行業(yè)朝多樣化、新型化方向迅速發(fā)展，為我國(guó)風(fēng)電行業(yè)做出更大貢獻(xiàn)。還可促進(jìn)我國(guó)綠色可再生能源事業(yè)，減小二氧化碳排放量，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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