一種雙饋風力發電機的電磁設計方法研究

譚 勇

(哈爾濱電機廠有限責任公司,黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

在眾多新型可再生能源中,風能分布廣泛,最具有大規模開發和商業化發展前景。隨著風力發電技術不斷完善和進步,單機容量不斷擴大,新方案新技術不斷涌現。目前,國內外1.5～3MW雙饋風力發電機的設計和制造技術十分成熟,然而隨著雙饋風力發電系統在市場上裝機容量的增加,單機容量擴大成為當前雙饋風力發電技術的瓶頸。因此,對大型雙饋風力發電機的設計進行研究具有十分重要的意義。本文在1.5MW、2MW和3MW系列雙饋風力發電機開發基礎上,詳細分析了雙饋風力發電機的運行原理和其能量轉換關系[1、2],參考大中型異步電機的電磁設計程序,利用等效磁路法結合以定子電流為基準以功率校核計算為準則的方法設計了一臺額定功率5.85MW,4極,額定轉速1770r/min的雙饋風力發電機,繪制了其在額定工況下的運行特性曲線。并將設計結果和發電機試驗測試數據進行了對比分析和總結,說明了該設計方法的合理性和可靠性。

1 雙饋風力發電機的運行分析

1.1 運行原理

雙饋風力發電機的定、轉子都可以傳輸電能。定子通過變壓器直接并入電網,轉子通過變頻器和變壓器再連接到電網,通過集電環和電刷,既可從電網吸收能量也可向電網輸送能量。運行時電機定子通過工頻f1的三相對稱電流,產生轉速為n1的旋轉磁場,即同步旋轉磁場。轉子通過頻率為f2的三相對稱電流,產生轉速為n2的旋轉磁場。定義電機轉子轉速為n,根據旋轉電機機電能量轉換原理,定子、轉子旋轉磁場必須相對靜止才能產生恒定的平均電磁轉矩,雙饋風力發電機定、轉子旋轉磁場轉速和轉子轉速關系為[1、2]

n1=n2+n

(1)

在風速變化時,通過改變轉子頻率f2可使電機定、轉子旋轉磁場速度始終保持恒定,實現變速恒頻。

并網運行的交流勵磁雙饋風力發電機主要有以下特點。

(1)雙饋風力發電機在實際運行時,風速的變化范圍很寬,風力機的功率輸出特性決定了雙饋風力發電機的輸出特性。即在額定轉速以下進行最大風能捕獲控制,額定風速以上對其采取恒功率控制。

(2)轉子通過變頻器與電網連接,網側變流器主要負責并網控制和直流電容電壓的穩定,轉子側變流器主要負責發電機的勵磁控制[3～6]。在風速變化時,通過改變轉子頻率f2可使定子頻率f1不變,實現系統的變速恒頻。

(3)可以充分利用轉子的動能,釋放或吸收負荷,提高了電力系統的穩定性,并具有靈活的有功無功功率調節能力,與異步電機不同,可以根據電網的無功需求來進行無功功率的調節。雙饋發電機定子側電壓恒為電網電壓,運用矢量控制技術,調節電機轉子電壓或電流的幅值和相位,可實現有功和無功功率的解耦并控制。

(4)在能量轉化關系上,電機轉速n>n1時,電機超同步運行,定、轉子同時輸出能量;電機轉速n

(5)雙饋發電系統和電網是柔性系統,具有顯著的優越性。通過風速變化即電機轉速變化調節勵磁,使電機在變速條件下使發電機的定子電壓恒定,實現并網。并避免了并網時發生大的電流沖擊和過大的電壓波動。

1.2 穩態分析

本文定子側采用發電機慣例,轉子側采用電動機慣例分析,雙饋發電機的等效電路如圖1所示,轉子側各量均已經折算到定子側。

圖1 雙饋發電機的等效電路

根據等效電路得到雙饋發電機電壓電流方程為[7、8]

(2)

式中,s—轉差率;U1,I1—定子電壓和電流;U2,I2—轉子電壓和電流;E1—感應電動勢;Im—勵磁電流;X1δ,X2δ—定子、轉子漏抗;Rm,Xm—激磁電阻和電抗。

忽略激磁電阻Rm,定義U1=U1<0°為參考量,I1=I1p+jI1q,I1p和I1q分別為定子電流有功分量和無功分量。記P1,Q1,P2,Q2為定、轉子有功功率和無功功率;Pcu1、Pcu2為定、轉子繞組銅耗;Q1δ、Q2δ、Qm為定、轉子漏抗和勵磁電抗的無功功率,結合式(2)則有

(3)

P1=3U1I1p

(4)

Q1=-3U1I1q

(5)

(6)

P2=s(3R1I12+3U1I1P)+3R2I22

=s(Pcu1+P1)+Pcu2

(7)

Q2=3sXmIm2+s(3X1δI12-3U1I1q)+3sX2δI22

=s(Q1+Q1δ+Qm)+Q2δ

(8)

2 雙饋發電機的電磁設計

交流勵磁雙饋風力發電機結構上與繞線式異步電機類似,較異步電機多了集電環裝置和轉子接線箱;在能量傳遞關系上,則與傳統電機有著很大的差異,雙饋發電機是一個三端口網絡,一是軸端的機械功率,一是定子側電功率,另外還有轉子側電功率,因此電磁設計時除需參考異步電機的相關算法外,還應考慮其以下自身的設計特點。

2.1 額定值

雙饋風力發電機功率輸出是電機定子、轉子共同出力的結果,為保證發電機在整個轉速范圍內正常運行,使電機熱負荷特別是轉子熱負荷運行在合理的狀態,合理地選擇電機的額定值十分關鍵。

首先額定功率和額定轉速的選擇決定了電機定、轉子電流的最大值,關系到電機本身的優化設計和最大輸出能力;其次額定功率和轉速的選擇要與風力機出力和特性相匹配,雙饋風力發電機產生額定輸出功率時的最低風速,為額定轉速;再者就是要考慮轉子變頻器與電機參數的匹配,應合理匹配機組與變頻器容量,選擇轉速運行范圍,這樣可節約變頻器的容量,降低電機的設計成本,另一方面可提升整個機組的運行效率。

2.2 主要尺寸確定

氣隙、定子內徑及鐵心長度是電機的主要尺寸,同時電磁負荷的選擇對電機的主要尺寸影響很大,選擇合理的電磁負荷可以節省材料,降低電機設計成本,一般可參考同類異步電機生產的經驗數據。

雙饋發電機主要尺寸設計和繞線型異步電機類似,可按下式計算[9、10]

(9)

事實上電機的額定值選擇主要基于風力機的輸出特性,因此計算功率P′一般按下式計算

(10)

式中,sN—額定轉速時的轉差率;kε—額定轉速時的電勢系數;PN—額定功率;cosφ1N—定子功率因數。

氣隙主要決定于定子內徑、軸徑和軸承間距,氣隙尺寸可完全參照繞線型異步電機的氣隙,根據制造工藝水平設計。減小氣隙可降低電機的勵磁電流和勵磁容量,但不能太小。氣隙過小,除影響機械可靠性,因齒諧波所產生的附加鐵耗將會增大,使溫升增加,并產生較大噪聲。

2.3 電勢系數的選擇

電勢系數的計算公式為

(11)

雙饋發電機電勢系數在設計時應符合發電機慣例,異步電動機的感應電勢E1U1,且電勢系數會隨轉速的變化而變化,一般在額定轉速時,電勢系數kε取值在1.03～1.16左右。

2.4 繞組設計和開路電壓

繞組設計和開路電壓的設計十分重要,其直接關系到最終轉子電壓電流和變頻器配置等一系列問題。轉子開路電壓的大小直接影響到轉子電壓電流的大小,在設計時務必滿足,電機定、轉子繞組的有效串聯匝數比ku須滿足下式

(12)

式中,E2o—轉子開路電壓,所以開路電壓和定子電壓等級,直接決定了電機繞組的設計。

雙饋發電機的繞組設計一般定子采用雙層疊繞組,轉子采用雙層波繞組,為了減小轉子齒諧波對電機性能的影響,轉子線圈一般設計成半匝式,轉子鐵心槽口一般為半開口,甚至不開口。

另外在進行轉子繞組設計時,應合理選擇轉子繞組的布置形式,考慮轉子出線及與集電環的連接問題,并考慮其端部和引線的支撐和固定等問題。

2.5 轉子電壓和電流的計算

轉子電壓電流直接關系到電機變頻器參數的選擇和匹配。雙饋風力發電機的控制是通過調節轉子電壓或電流的頻率、幅值和相位實現的,通過轉子可靈活控制調節雙饋發電機有功和無功功率的輸出。根據雙饋發電機的電壓電流方程[8]

(13)

(14)

式中,X1=Xm+X1δ,X1=Xm+X1δ—定、轉子電抗;a=(sR1X2+R2X1)/Xm,b=(sR1X2+R2X1-sX1δXm)/Xm,c=sX2/Xm,d=-R2/Xm—系數a、b、c、d。

上式轉子電壓、轉子電流為電機轉子側歸算到定子側的值,轉子電壓、電流的實際值為

(15)

(16)

2.6 有功功率校核與電磁設計

大型雙饋風力發電機電磁設計在磁路計算上與異步電機基本一致,電勢系數的計算需要采用發電機慣例,而在其性能計算時,需結合雙饋風發電機其自身的特點,因此雙饋發電機在電磁設計時同樣有三個疊代過程。

雙饋發電機的在能量關系上是一個三端口網絡,輸出功率為定、轉子共同的出力,其轉子量未知,因此需要采用有功功率校核爹代的計算方法,進行電機性能的計算。記總輸出功率為PZ,有

PZ=P1-P2

(17)

電機有功功率的校核計算一般以定子電流有功分量I1p為基準量進行計算[6～11],定子電流有功分量I1p的初始值根據定子功率給定值算出,根據雙饋發電機的能量流動關系,經疊代計算得到準確值。即運用等效磁路法,以定子電流為基準,根據等效電路電壓電流方程疊代計算電機的有功功率輸出。

在電機飽和系數,有功功率和電勢系數準確值確定后,進而可計算出定子電流,轉子電壓和電流,定、轉子有功功率和無功功率、電磁負荷等參量的準確值,確定電機的輸出特性。

3 運行特性和試驗對比分析

在詳細分析雙饋風力發電機運行特性和電磁設計特點的基礎上,參考大型繞線型異步電機電磁設計程序,根據其能量轉換關系,運用等效磁路法編制了雙饋發電機的電磁設計程序。對5.85MW的雙饋風力發電機進行了電磁設計計算,繪制了其在額定功率因數下運行時的電機特性曲線,如圖2、圖3、圖4、圖5所示。5.85MW雙饋風力發電機基本設計參數為:額定功率為5.85MW,定子額定電壓為1140V,4極,額定轉速1770r/min,額定功率因數為1,轉速范圍1000～2015r/min,效率 97%,環境溫度為-30℃～50℃,工作制為S1。

圖2 有功功率和轉速變化的關系曲線

圖3 定轉子電流和轉速變化的關系曲線

圖4 轉子電壓和轉速變化的關系曲線

圖5 轉子輸出和轉速變化關系曲線

圖2為電機有功功率隨轉速變化的關系曲線,從曲線可以看出,雙饋發電機的轉子參與了整個系統的能量轉換。在同步轉速以下,定子發出功率,轉子吸收功率;在同步轉速以上,定子發出功率,轉子向電網輸出電能;而在同步轉速時,只有定子輸出電能,轉子只提供直流勵磁。上述三種狀況下風力機輸入的機械能始終與定轉子有功功率的輸出保持平衡。

圖3為電機定、轉子電流隨轉速變化的關系曲線,曲線說明發電機額定轉速選擇的重要性,其直接影響到風力發電機在整個轉速范圍的正常運行。

從曲線可以看出,在額定轉速時,發電機的定子、轉子電流都達到最大值,從根本上這是風力機的輸出特性決定的。當電機運行轉速低于額定轉速時,隨著轉速的增加,定、轉子電流不斷增加;當電機運行轉速大于額定轉速時,隨著轉速的增加,定、轉子電流不斷減小。

圖4為電機轉子電壓隨轉速變化的關系曲線,轉子電壓的大小由轉差率的大小和轉子開路電壓的大小決定。當雙饋發電機運行于同步轉速時,轉子電壓相當于同步發電機的直流勵磁,達到最小值。

轉速不變時,轉子電壓的大小主要由轉子開口電壓的大小決定,同時也說明了開口電壓等級選擇和設計對電機運行的決定性影響。

圖5為電機轉子輸出隨轉速變化的關系曲線,曲線說明風力發電機轉子容量隨轉差率絕對值的的增大而增大,在同步轉速點達到最小值,此時電機轉子相當于同步電機的直流勵磁,這對勵磁容量的選擇和匹配十分重要。同時也說明在超同步或次同步轉速運行時,雙饋發電機的轉子亦參加了整個系統的能量轉換。

將發電機在額定工況下設計值和試驗數據進行對比,見表1。

表1 額定工況下設計值和實測值對比

通過設計值和試驗實測值對比分析,可以得出:(1)在結構上,雙饋發電機與異步發電機基本相同;從其能量轉換關系上看,雙饋發電機是一個三端口網絡,既不同于同步發電機又不同于異步電機。(2)雙饋發電機在電磁設計時,應選擇合理的額定值和電機尺寸,保證電機能在整個轉速范圍內正常運行。(3)雙饋發電機轉子開路電壓等級的選擇和設計對轉子電壓、電流和變頻器匹配影響非常大,關系到電機整個方案的可行性。(4)參照大中型異步電機的磁路計算進行雙饋發電機的磁路計算,是可行的。(5)雙饋發電機在結構和電磁關系上與異步電機非常相似,通過異步電機進行雙饋發電機各方參數的計算亦非常匹配。(6)本質上雙饋發電機仍是一種異步電機,等效磁路法結合以定子電流為基準以功率校核計算為準則的方法進行雙饋發電機的設計,可以得到很好的應用保證。

4 結語

本文在異步電動機的電磁設計程序基礎上,根據雙饋發電機的運行原理和能量關系,對雙饋發電機的電磁設計方法進行了探討,總結了雙饋風力發電機的電磁設計特點,利用等效磁路法,結合以定子電流為基準以功率核算準則的方法,編制了雙饋風力發電機的電磁設計程序。對一臺5.85MW雙饋風力發電機進行了電磁設計計算,通過運行特性分析和與試驗數據對比可以看出,設計值與實測值十分相近。說明了該設計思想和設計方法的可行性和可靠性,為工程設計應用和實踐提供了參考和依據。