混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)效益分析

夏永洪，李夢(mèng)茹，周 琳，張 聰，辛建波

(1.南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330031;2.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院，南昌 330096)

0 引 言

水能作為一種清潔能源，在發(fā)電過程中污染較小，可循環(huán)利用，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)成本低，發(fā)展相對(duì)成熟。無(wú)論是改善能源結(jié)構(gòu)，還是創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益，表現(xiàn)都較為優(yōu)異。我國(guó)小水電資源充沛，中小河流在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛分布。據(jù)統(tǒng)計(jì)，可開發(fā)的小水電總裝機(jī)容量約為1.28 億kW，約占水能資源技術(shù)可開發(fā)總量的30%。根據(jù)我國(guó)水電開發(fā)規(guī)劃目標(biāo)，至2030年，小水電裝機(jī)容量達(dá)9 300 萬(wàn)kW，至2050年小水電裝機(jī)容量達(dá)1 億kW，開發(fā)率達(dá)到80%[1]。然而，目前的小水電廠基本上都是采用電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，并且以徑流式為主，發(fā)電效率不高，沒有充分發(fā)揮清潔能源的優(yōu)勢(shì)，造成水資源的浪費(fèi)。永磁同步發(fā)電機(jī)以永磁體替代電勵(lì)磁繞組建立電機(jī)主磁場(chǎng)，且取消了容易出故障的電刷和滑環(huán)，具有效率高、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電、小型內(nèi)燃機(jī)發(fā)電、汽車發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。因此，也有學(xué)者提出采用永磁同步發(fā)電機(jī)替代小型水電站傳統(tǒng)的電勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)[2,3]。文獻(xiàn)[2]在永磁水輪發(fā)電機(jī)的定子鐵芯中加入一定匝數(shù)的消磁線圈來(lái)降低發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，以滿足并網(wǎng)的要求，但因調(diào)節(jié)能力有限，并網(wǎng)操作時(shí)仍很難完全滿足并網(wǎng)的條件，通常都是強(qiáng)行并入，導(dǎo)致很大的沖擊電流，對(duì)機(jī)組機(jī)械強(qiáng)度造成了一定的破壞，其轉(zhuǎn)子示意圖如圖1所示。為了解決永磁水輪發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的問題，文獻(xiàn)[3]在永磁水輪發(fā)電機(jī)的輸出端增加了一個(gè)變流裝置，將發(fā)電機(jī)輸出的10 Hz、230 V三相交流電通過AC-DC-AC變換成50 Hz，400 V的工頻交流電，可以滿足并網(wǎng)運(yùn)行的要求，但增加了電力電子裝置，成本較高，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 轉(zhuǎn)子示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotor

圖2 永磁水輪發(fā)電機(jī)外形結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Outline structure of permanent magnet hydro-generator

為此，本文提出一種混合勵(lì)磁永磁水輪發(fā)電機(jī)，該電機(jī)兼具永磁發(fā)電機(jī)效率高和電勵(lì)磁發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)方便的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)解決現(xiàn)有小型電勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率低，以及永磁水輪發(fā)電機(jī)并網(wǎng)困難的問題。闡述混合勵(lì)磁永磁水輪發(fā)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)和工作原理，通過與電勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行比較，分析混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)主要材料用量，以及經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

1 混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)均為電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)，如圖3(a)所示。以8極為例，在保持定子結(jié)構(gòu)不變的情況下，將其轉(zhuǎn)子的一半電勵(lì)磁磁極改為永磁磁極，如圖3(b)所示。改進(jìn)后形成的混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)存在兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)源，氣隙主磁場(chǎng)由永磁體和電勵(lì)磁繞組共同建立。

工作時(shí)的磁通路徑由兩部分組成：①永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)從永磁體N極出發(fā)，經(jīng)氣隙、定子齒、定子軛、定子齒、氣隙、永磁體S極、轉(zhuǎn)子軛，回到永磁體N極，形成一個(gè)閉合磁路。②勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)從鐵磁極N極出發(fā)，經(jīng)氣隙、定子齒、定子軛、定子齒、氣隙、鐵磁極S極、極身、轉(zhuǎn)子軛、極身，回到鐵磁極N極，形成一個(gè)閉合磁路。

因此，當(dāng)調(diào)節(jié)輸入到勵(lì)磁繞組的直流電流，則可以改變其產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)，以實(shí)現(xiàn)水輪發(fā)電機(jī)端電壓的調(diào)節(jié)，從而滿足其并網(wǎng)的要求。

圖3 水輪發(fā)電機(jī)截面圖Fig.3 Sectional view of hydro-generator

2 效率及成本分析

為了便于分析，保證混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)和電勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)相同，如表1所示。根據(jù)兩種水輪發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)，采用磁路法[4]，計(jì)算得到了水輪發(fā)電機(jī)氣隙、定子齒、定子軛以及轉(zhuǎn)子軛的磁密值，如表2所示。

表2 水輪發(fā)電機(jī)各部分磁密對(duì)比 T

由于電勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)沒有永磁體，所以其永磁極下氣隙磁密為空。由表2可知，混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)和電勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)的主要磁路的磁密基本相等。

2.1 效率計(jì)算

發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率取決于電機(jī)的損耗，主要分為4類：定、轉(zhuǎn)子銅耗、鐵芯損耗、機(jī)械損耗、雜散附加損耗。對(duì)混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)和電勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的損耗和效率進(jìn)行了計(jì)算，如表3所示，其中機(jī)械損耗和附加損耗采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[5]。

表3 發(fā)電機(jī)損耗和效率比較

與電勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)相比，混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)的電勵(lì)磁磁極較少，相應(yīng)的電勵(lì)磁損耗也較少，而其他損耗基本相等，因此，其運(yùn)行效率較高。

2.2 成本對(duì)比

混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上除了永磁體外，還有勵(lì)磁繞組。根據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)，計(jì)算得到了2種電機(jī)的主要材料的用量，如表4所示。

表4 水輪發(fā)電機(jī)材料用量對(duì)比 kg

由表4可知，當(dāng)兩種發(fā)電機(jī)的額定參數(shù)和主要尺寸相同時(shí)，電樞繞組和定子硅鋼片用量相同，而轉(zhuǎn)子硅鋼片由于混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)下永磁磁極面積略大于鐵磁極，用量有所增加，與理論相符。此外，混合勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組為電勵(lì)磁同步電機(jī)的一半，同時(shí)新增了4個(gè)永磁磁極。

通過調(diào)研，目前硅鋼片的價(jià)格為6 元/kg，銅的價(jià)格為45 元/kg，永磁體價(jià)格為450 元/kg，由此可計(jì)算出2種水輪發(fā)電機(jī)主要材料的成本，如表5所示。

表5 水輪發(fā)電機(jī)成本對(duì)比

對(duì)于一臺(tái)300kW的混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)，盡管運(yùn)行效率提高了1.1%，但電機(jī)的總成本增加了12 187元。

3 效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

以徑流式小型水電站為例，假設(shè)年發(fā)電小時(shí)數(shù)為3 000 h，小水電平均上網(wǎng)電價(jià)是0.313 元/kWh，對(duì)于1臺(tái)300 kW的小型混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)，每年新增經(jīng)濟(jì)效益為2 817元。對(duì)于某一富含小水電的地區(qū)或者全國(guó)的小水電而言，若均采用混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)，則可以獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。截至2014年底，全國(guó)小水電站總裝機(jī)7 300 萬(wàn)kW，江西省小水電裝機(jī)總?cè)萘?08.3萬(wàn)kW，其新增經(jīng)濟(jì)效益如表6所示。

表6 采用混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)的經(jīng)濟(jì)效益

由表5和表6的分析可知，對(duì)于1臺(tái)300 kW混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)，其增加的設(shè)計(jì)成本大約需要4 a可以回收，從長(zhǎng)期來(lái)看，25 a為例，可多發(fā)電24.75 萬(wàn)kWh，新增經(jīng)濟(jì)效益7.747 5 萬(wàn)元。

3.2 環(huán)境效益

采用混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)可以提高水資源的利用率，其多發(fā)的電量假如由火電廠提供，在社會(huì)用電量一定的情況下，相當(dāng)于減少了煤炭的消耗，從而降低了二氧化碳和二氧化硫等污染物的排放。根據(jù)節(jié)能減排的通用計(jì)算方法[6]，水輪發(fā)電機(jī)多發(fā)1 kWh的電量，可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.4 kg，減少碳粉塵的排放量為0.272 kg，CO2的排放量為0.996 kg，SO2的排放量為0.03 kg，NOx的排放量為0.015 2 kg。

由表6可知，以江西小水電的裝機(jī)為例，采用混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)后，年多發(fā)電量為1.02 億kWh，則可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤0.408 億kg，減少碳粉塵的排放量為0.277 億kg，CO2的排放量為1.016 億kg，SO2的排放量為0.030 億kg，NOx的排放量為0.016 億kg。

對(duì)于全國(guó)的小水電而言，年多發(fā)電量為24.1 億kWh，可以節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤9.640億kg，減少碳粉塵的排放量為6.555億kg，CO2的排放量為24.004 億kg，SO2的排放量為0.723 億kg，NOx的排放量為0.366 億kg。

小水電是清潔能源，其帶來(lái)的環(huán)境效益可用公式表示為[7]：

(1)

式中：n為污染物數(shù)量；Vei代表其環(huán)境價(jià)值，元/kg，碳粉塵的環(huán)境價(jià)值為2.2元/kg，CO2的環(huán)境價(jià)值為0.023元/kg，SO2的環(huán)境價(jià)值為6.00 元/kg，NOx的環(huán)境價(jià)值為8.00元/kg；Qi表示第i種污染物的排放量，kg。

根據(jù)公式(1)可得，采用混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)后帶來(lái)的環(huán)境效益，如表7所示。

由表7可知，采用混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)后，可以帶來(lái)可觀的環(huán)境效益，對(duì)促進(jìn)節(jié)能減排，降低二氧化碳等氣體的排放具有非常重要的意義。

表7 采用混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)的環(huán)境效益

4 結(jié) 語(yǔ)

圍繞提出的小型混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究，介紹了其基本結(jié)構(gòu)和氣隙磁場(chǎng)調(diào)節(jié)原理，解決了永磁水輪發(fā)電機(jī)并網(wǎng)困難的問題。與電勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)相比，混合勵(lì)磁水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率較高；通過提高水資源的利用率多發(fā)的電量，有助于減少二氧化碳和二氧化硫等污染物的排放，同時(shí)帶來(lái)了較大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。

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[1] 劉大宏，楊鵬隆．我國(guó)小水電開發(fā)現(xiàn)狀及發(fā)展建議[J]．北京農(nóng)業(yè)，2014，(24)：255-256．

[2] 藺 義．320 kW永磁水輪發(fā)電機(jī)的缺陷原因分析及改造建議[J]．小水電，2002，(6)：34-35．

[3] 劉仲恕．低速永磁水輪發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能仿真[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016，48(4)：502-506．

[4] 陳世坤．電機(jī)設(shè)計(jì)[M]．2版．北京：機(jī)械工業(yè)， 2000．

[5] 戴文進(jìn)，楊 莉．電機(jī)設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2013．

[6] 楊 泉，楊洪興，呂 建．地源熱泵系統(tǒng)綜合效益分析[J]．環(huán)境工程，2015，(4)：128-136．

[7] 魏學(xué)好，周 浩．中國(guó)火力發(fā)電行業(yè)減排污染物的環(huán)境價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)估算[J]．環(huán)境科學(xué)研究．2003，16(1)：53-56．

[8] 錢科軍，袁 越，石曉丹，等．分布式發(fā)電的環(huán)境效益分析[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)．2008，28(29)：11-15．

[9] 丁淑英，張清宇，潘麗娜．電力生產(chǎn)環(huán)境成本計(jì)算方法的研究[J]．熱力發(fā)電，2007，36(2)：1-4．

[10] 夏永洪，陳 瑛，黃劭剛．混合磁極式的混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)[J]．微電機(jī)，2012，45(9)：18-21．

[11] 夏永洪，王善銘，黃劭剛，等．齒諧波勵(lì)磁的混合勵(lì)磁永磁同步發(fā)電機(jī)[J]．清華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2011，(11)：1 647-1 651．

[12] Zhang Zhuoran，Yan Yangguang，Yang Shanshui，et al．Principle of operation and feature investigation of a new topology of hybrid excitation synchronous machine[J]．IEEE Transactions on Magnetics，2008，44(9)：2 174-2 180．

[13] Sanjida Moury．Design of Low Speed Axial Flux Permanent Magnet Generators for Marine Current Application[D]． Memorial University of Newfoundland，2009．

[14] 張卓然，周竟捷，嚴(yán)仰光，等．新型并列結(jié)構(gòu)混合勵(lì)磁同步電機(jī)的結(jié)構(gòu)與原理[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29(33)：49-54．