大容量永磁式風力發(fā)電機的研制

(1發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心， 黑龍江哈爾濱 150040； 2哈爾濱電機廠有限責任公司， 黑龍江哈爾濱 150040；)

0 引言

新型永磁轉(zhuǎn)子同步發(fā)電機的優(yōu)點如下：(1)勵磁電壓恒定-永磁體內(nèi)的電勢保持恒定不變，因為它取決于永磁體的幾何形狀和尺寸；(2)轉(zhuǎn)動慣量較小-包括風力機透平轉(zhuǎn)輪和永磁式轉(zhuǎn)子在內(nèi)的轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量，只是常規(guī)同步發(fā)電機的10%～40%s；(3)同步電抗很低-只是常規(guī)同步發(fā)電機的40%～50%；(4)瞬態(tài)電抗為0，因為沒有勵磁繞組；(5)次瞬態(tài)電抗小-只是常規(guī)同步發(fā)電機的15%～35%；(6)永磁體內(nèi)電勢-為額定電壓的100%～130%；(7)縱軸電抗與其橫軸電抗，兩者相等；(8)無功功率控制-因為發(fā)出的無功功率，取決于發(fā)電機的端電壓與恒定的永磁體內(nèi)電勢之差，只要調(diào)節(jié)發(fā)電機的端電壓，就可以調(diào)節(jié)無功功率輸出；(9)電機感應(yīng)電壓與發(fā)電機轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系；(10)裝有阻尼繞組-可以使發(fā)電機能夠承受反向電流，并防止短路工況下的局部去磁；(11)它是一種魯棒(健壯)性能好、維護成本低、工作效率高的發(fā)電機。

目前世界上大約有10家大型風電設(shè)備制造廠商，其中一半以上都在進行永磁發(fā)電機技術(shù)的研究，或早已向市場推出了這種產(chǎn)品。采用永磁發(fā)電機來取代現(xiàn)有的雙饋式異步發(fā)電機，方法很簡單，那就是采用相同轉(zhuǎn)速的永磁發(fā)電機和全功率變流器來取代有升速齒輪箱的雙饋式異步發(fā)電機，只要對風力機和機艙的布置進行很小的改動即可。

當今世界大容量風力發(fā)電機的發(fā)展趨勢正在由陸地轉(zhuǎn)向海洋。然而在海洋這種環(huán)境下，設(shè)備的維護很不方便，所以要求發(fā)電設(shè)備的尺寸小、重量輕，而且還要提高效率和運行可靠性。為了滿足這些要求，研究了幾種方案的磁極和繞組形式，通過折中分析和優(yōu)化對比，決定采用每極每相槽數(shù)q為分數(shù)槽的繞組來提高效率，并同時減小其所有高次諧波的畸變率，此時，最佳的q值應(yīng)當在1和3/2之間。這種設(shè)計方案通過了轉(zhuǎn)速為18r/min、容量為2.2MW中間機組的驗證試驗[1]。

1 分數(shù)槽繞組

大容量風力發(fā)電機典型傳動系統(tǒng)對比數(shù)據(jù)見表1。

表1 大容量風力發(fā)電機典型的傳動系統(tǒng)對比

大型永磁同步發(fā)電機采用分數(shù)槽繞組(見圖1)的優(yōu)點有：(1)能削弱磁極磁場非正弦分布所產(chǎn)生的高次諧波電勢；(2)能削弱齒諧波電勢的幅值，改善電動勢的波形，采用雙層短距分數(shù)槽繞組，使同一相中的導線感應(yīng)的齒諧波電勢不相同，使在合成總電勢時能夠減小齒諧波的效果；(3)減小因氣隙磁導變化引起的每極磁通的脈振幅值，減少磁極表面的脈振損耗。其缺點是分數(shù)槽繞組的電動勢存在奇數(shù)次和偶數(shù)次諧波，它們和主極磁場相互作用可能產(chǎn)生一些干擾力，當其頻率和定子機座固有振動頻率重合時，將引起共振，導致定子鐵心振動。因此，分數(shù)槽q值選擇必須進行優(yōu)化。

圖1永磁式風力發(fā)電機分數(shù)槽繞組分布示意圖

根據(jù)表1可見，如果選擇每極每相槽數(shù)q為q≤1/2的分數(shù)槽集中式分布的繞組，其線圈之間的間隔比較小，線圈端部的重疊部位也比較小，從而縮短了端部長度，減小了電機的銅損，下線操作也比較方便。 如果選擇低中速型的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，缺點是尺寸比較大，重量比較重。如果選擇高速型，雖然體積小、重量輕，但是需要裝設(shè)多級齒輪箱，容易受到風力機旋轉(zhuǎn)偏載的損壞，運行可靠性比較低。所以采用了一種折中方案，即中速型。

為了提高發(fā)電機的效率和改善氣隙磁通的所有高次諧波的畸變率，就應(yīng)當采用q≤1/2的多極方式，在這種情況下，既要提高發(fā)電機效率，又要減小所有高次諧波的畸變率，就必須通過分析對比和優(yōu)化設(shè)計來予以平衡(見表2)。按照IEEE標準規(guī)定，所有高次諧波的畸變率應(yīng)當≤5%。

表2 高次諧波畸變率(T)和銅損(P)與每極每相槽數(shù)(q)的關(guān)系

2 驗證試驗

在工程上通常把經(jīng)過比例模型試驗以后的設(shè)計項目，最后再按照比例或采用M1：1的比例制成真機，此時被稱為中間機組，雖然它主要用于驗證試驗，但是以后多數(shù)都被利用到其它產(chǎn)品上。本文采用的中間機組是按照M1:1的比例制作的，它相當于真機。但是主要是用于驗證試驗。其主要參數(shù)見表3。

表3 中間機組的主要參數(shù)

永磁體的矯頑磁力以及抵抗外部磁場的能力，主要依賴的就是永磁體的溫度。發(fā)電機的短路計算和確定永磁體的參數(shù)時，都必須在轉(zhuǎn)子溫度最高的情況下進行。此外，這個溫度是考慮退磁危險的關(guān)鍵參數(shù)。永磁體的剩磁密度也取決于這個溫度。它能影響發(fā)電機的性能和損耗。永磁體的溫度越高，電壓越低，就需要更大的定子電流，銅耗也增大。此時就必須考慮加強冷卻。所以發(fā)電機采用了冷卻效率比較高的水冷方式。

為了針對這種發(fā)電系統(tǒng)進行評價，采用了背靠背試驗系統(tǒng)，即機組的一側(cè)由電動機驅(qū)動，而另一側(cè)則由發(fā)電機驅(qū)動，兩機之間通過轉(zhuǎn)矩計直接連接。驅(qū)動側(cè)的變換器采用速度控制，發(fā)電側(cè)的變換器采用轉(zhuǎn)矩控制。在采用電網(wǎng)供電驅(qū)動時， 發(fā)電機發(fā)電；如果提高電動機效率，則發(fā)電機容量增大，就能實施負載試驗。發(fā)電機效率可由測得的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之積，再除以發(fā)電機電功率即可得到。由于驗證試驗機組采用了嵌入式的永磁體，它具有凸極性特點，在相位角θ=17°時的效率能夠提高0.5%左右。這是由于對于電流相位的超前控制，對于永磁體來說會起到減弱磁場的作用，所以能減小鐵耗。如果情況相反，電流的控制不是在超前相位區(qū)域，而是在滯后相位區(qū)域，則相對于永磁體轉(zhuǎn)矩來說，磁阻轉(zhuǎn)矩成分就會起到負面作用，而使永磁體增磁。如不進行電流相位的超前控制時，比如θ= 0°時，發(fā)電機的效率約降低1.0%。這是因為鐵損增加，無效電流增加，銅損也增加，所以效率降低[2]。

3 諧波分析

氣隙磁通電動勢的諧波分量見表4。

表4 氣隙磁通電動勢的諧波分量

注 ：諧波比是指相對于電動勢基波的諧波比

由表4可見， 在針對氣隙磁通電動勢波形所有高次諧波的畸變率采用FFT(傅里葉)進行分析時取得的結(jié)果表明，對應(yīng)于設(shè)計的線電壓所有高次諧波的畸變率為1.6%時的實際測量值為0.46%，這就明顯的表明了：實際測量值遠遠優(yōu)于原來的設(shè)計值，其中原因在于原來設(shè)計時設(shè)想的氣隙磁通波形為方波，但是在實際上，矩形的兩個肩部都沒有角，而形成了具有一定光滑度的方波所帶來的良好效果。

中間機組的試驗結(jié)果表明，選擇分數(shù)槽繞組q=8/7時的極數(shù)84，槽數(shù)288時，發(fā)電機輸出電流的特性，包括所有高次諧波的畸變率(各次諧波的基準值或最大高次諧波畸變率的基準值)都優(yōu)于IEEE—519規(guī)定的標準值，證明中間機組的設(shè)計是良好的，中間機組的開發(fā)是成功的。

4 結(jié)語

(1)對于多極永磁同步發(fā)電機來說，即使不增加分數(shù)槽繞組的槽數(shù)，也能增加繞組的分布效果，這是有效改善線間電壓所有高次諧波畸變率特性的手段。

(2)由于采用分數(shù)槽繞組能夠縮小線圈跨越范圍，縮短線圈端部長度，所以就能夠 (3)在減小電動勢波形的高次諧波時，應(yīng)當重視對采用分數(shù)槽繞組時高次諧波繞組系數(shù)的研究，以便優(yōu)化永磁體的形狀、特別是它的寬度。

(4)在中間機組上測量的電動勢線，間電壓所有高次諧波的畸變率為0.46%，這遠遠優(yōu)于標準規(guī)定值的5%。

[1] 永磁風力發(fā)電機結(jié)構(gòu)特點.大中型風力發(fā)電機文集(D).哈爾濱大電機研究所，1996.

[2] 戴慶忠.超高壓永磁發(fā)電機.超高壓電機文集(D).哈爾濱電機廠有限責任公司，2004.

[3] 包金山.分數(shù)槽永磁發(fā)電機的繞組排列(J).電機技術(shù)，1996(2)，17-19.