2MW電勵磁直驅同步風力發電機研制

雷向福，張 顆，楊國偉，王步瑤, 王 振，郭燈塔

海上風力發電技術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境意識的提升，對可再生能源的開發利用已成為共識，風能作為最常見的可再生清潔能源之一，受到人們的廣泛關注，風能已成為世界上開發速度最快的一種新能源。我國風電產業的發展速度已超過世界平均發展速度，風力發電裝備制造產業已成為社會發展的需要，風力發電技術在近二十年得到了迅猛發展[1-4]。直驅風力發電機由風輪直接驅動，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等系列直驅永磁風力發電機，由于永磁材料價格急遽上漲以及國家對稀土的調控，使得永磁直驅式風力發電機的成本居高不下，生產成本面臨極大壓力。近年來越來越多的風電研發者開始關注電勵磁直驅同步風力發電機，與永磁直驅發電機相比，同步發電機采用直流電線圈可控勵磁，可以對發電機電壓進行調控，發電電能品質好，功率因數可調，不僅能輸出有功功率還能輸出無功功率，功率因數可達到1，更主要的是可以避免采用昂貴的稀土釹鐵硼磁鋼，達到節約成本的目的。

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

1 電勵磁同步發電機主要參數

2MW 電勵磁直驅風力發電機的主要技術參數如下：

發電機型號：XE93 TFDD2000

額定功率：2180kW

額定電壓：690V

額定轉速：17 r/min

額定頻率：8.5Hz

效率：93%

相數：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+強迫內風冷

海拔：1000m

防護等級：IP54

環境溫度：-30～40℃

質量：74T

2 電勵磁同步發電機的設計

2.1 設計原則

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

2.2 單支撐結構

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

圖1 單支撐直驅風力發電機示意圖

2.3 轉子磁極設計

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構，電磁線采用漆包線，線圈直接繞在鐵芯上，無阻尼繞組，轉子整體VPI浸漆。磁極結構示意圖見圖2。

圖2 多層多排勵磁磁極結構示意圖

2.4 通風冷卻設計

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

3 仿真結果分析

用Maxwell電磁場有限元Ansoft軟件對電勵磁直驅風力發電機進行電磁場有限元仿真，建立 XE93 2MW TFDD2000三相同步發電機分析二維有限元模型，為節約求解時間，采用十二分之一模型。用Ansoft中的瞬態求解器對同步電動機模型進行求解可以得到發電機相關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

在設計同步發電機時，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的瞬態場對 XE93 2MW TFDD2000電勵磁直驅風力發電機進行空載勵磁分析，求解飽和系數。把發電機勵磁電流定義為變量，進行參數化掃描分析，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 型式試驗結果及應用情況

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

圖6 電勵磁直驅風力發電機背靠背型試試驗

空載特性是同步發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是由電勵磁直驅風力發電機空載特性曲線，發電機定子開路，在額定轉速 17轉/分下不同勵磁電流下測得發電機端電壓，描點繪制的曲線。圖中空載勵磁電流52A對應反電勢約690V，空載勵磁電流線性部分延長線與690V交點約為 45A，發電機磁路飽和系數為 1.16，表明電機磁路設計合理。

圖7 空載特性曲線

表1 發電機主要參數試驗結果對比

從表1可以看出，2MW電勵磁直驅發電機樣機各項性能指標達到了設計預期，XE93 2MW TFDD2000電勵磁直驅風力發電機樣機研制取得了成功。樣機研制成功后，后續批量投產了近50臺。

5 結語

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

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