双馈风力发电机的设计和制造

　第一部分第二部分第三部分风电技术简述双馈发电机结构及技术特点双馈发电机技术难点及对策　第一部分风电技术简述风风电电技技术术发发展展趋趋势势风风电电产产业业发发展展趋趋势势双双馈馈风风力力发发电电系系统统11风风电电产产业业发发展展趋趋势势——中国风电产业近年来持续快速增长¾近5年来，世界风能市场每年都以40%的速度增长。在国家相关政策的大力支持下，中国的风电行业的发展更是发展迅猛。¾中国风电机组整机单机容量、产品型号、生产能力、产品布局、产品开发能力等都有了一个新的飞跃。¾中国风电机组整机市场已出现2.5MW、3.0MW和5.0MW等大功率机型，中国已可生产0.6MW-5.0MW全系列风电整机。2001-2008年中国风电装机容量增长趋势图22风风电电技技术术发发展展趋趋势势——单机功率和风轮直径越来越大风风电电技技术术发发展展趋趋势势——海上风电技术发展迅速世界海上风电发展情况¾2000年，丹麦政府在哥本哈根湾建设了世界上第1个商业化的海上风电场，安装了20台2MW海上风机，运行至今；¾到2007年海上风电装机容量达到108万千瓦，占世界总装机容量的1.5%；¾其中欧盟约为90万千瓦，占世界海上风电的90%。风风电电技技术术发发展展趋趋势势风风电电技技术术发发展展趋趋势势——风电系统的技术发展方向风风电电技技术术发发展展趋趋势势——双馈风电与直驱风电技术并存直驱型永磁同步风力发电系统双馈异步风力发电系统发电系统发电机类型优点缺点异步发电异步发电机简单、成熟、可靠。生产维护总成本低。风能利用效率低、结构受风力影响较大。双馈发电双馈发电机风能利用效率较高、变流器功率较小、受力合理。存在滑环，需要进行维护，变速箱复杂。同步发电机(高速永磁)体积小、功率大、全功率变流上网、效率高、无滑环变流器功率大、变速箱复杂。同步发电机(中速永磁)体积略小、电机简单、效率高、可靠性高。变流器功率大、变速箱复杂。同步发电机(低速永磁)结构简单、无变速箱、低速、可靠、长寿、低噪音。体积大、变流器功率大、吊装和运输困难。同步发电风风电电技技术术发发展展趋趋势势——风电系统的技术路线比较3双馈风力发电系统双馈风力发电机组的控制核心是通过变流器对双馈发电机转子电流(频率、幅值、相位)的控制，以达到与风电机组机械部分运行特性匹配、提高风能的利用效率及改善供电质量的目的。¾双馈变速恒频型风力发电机组的风轮叶片桨距角可以调节，同时发电机可以变速，并输出恒频恒压电能；¾在低于额定风速时，它通过改变转速和叶片桨距角使风力发电机组在最佳叶尖速比下运行，输出最大的功率；¾在高风速时通过改变叶片桨距角使风力发电机组功率输出稳定在额定功率。双馈风力发电系统双馈发电机增速齿轮箱叶片双馈风力发电系统主要由叶片、增速齿轮箱、双馈发电机、双向变流器和控制器组成。双馈风力发电系统传动示意图双馈风力发电系统双馈风力发电系统发电机采用绕线式异步电机，定子直接与电网相连，转子侧通过变流器与电网相连。当双馈发电机的负载和转速变化时，通过调节馈入转子绕组的电流，不仅能保持定子输出的电压和频率不变，而且还能调节双馈发电机的功率因数。¾发电机转子侧变流器功率仅需要25％～30%的风机额定功率，大大降低了变流器的造价；¾发电机体积小、运输安装方便、成本低；¾可承受电压波动范围：额定电压±10%；¾网侧及直流侧滤波电感、电容功率相应缩小，电磁干扰也大大降低;¾可方便地实现无功功率控制。双馈风力发电系统——主要特点　第二部分双馈发电机主要特点双馈发电机类型双馈发电机结构双馈发电机技术特点1双馈发电机类型风冷双馈风力发电机水冷双馈风力发电机（水夹克机座或空水冷却器）水冷机座空空冷却器独立冷却风机水冷双馈风力发电机外部结构2双馈发电机结构转子接线盒滑环水冷机座及定子端盖轴承装配转子定子接线盒双馈发电机结构风冷双馈风力发电机内部结构转子接线盒滑环系统定子端盖轴承装配转子定子接线盒机座冷却器独立风机顶置风机直驱型风力发电机¾绕线式异步电机，采用定、转子两套绕组和滑环；¾发电机冷却方式：采用空空冷或空水冷或机座水冷；¾发电机防护方式：IP54，滑环系统IP23；¾发电机定子直接与电网相连，电压范围为额定电压±10%；¾转子绕组通过变流器与电网相连，承受较高的du/dt；¾发电机转速变化范围最大可为同步转速±30％，一般在同步转速70％～130％内调节调速；¾定子功率因数：-0.9（超前）～1～0.9（滞后）；¾温升限值：额定点按降低一个绝缘等级考核温升，一般F级绝缘/B级温升考核，H级绝缘/F级温升考核。3双馈发电机技术特点　第三部分双馈发电机技术难点及对策转子结构绝缘结构滑环系统轴承电蚀电磁设计直驱型风力发电机¾发电机电压等级一般为低压或中压（多为低压690V）z按发电机设计观点功率3MW以上的发电机用中压较合适；z低压大电流电机，嵌线、出线困难；z风电中压变流器设备的价格通常较高；z600V、660V、690V、950V、3000V、6000V、12000V。¾发电机极数可以是4极或6极z4极发电机比6极体积要小，现2MW以下发电机多采用4极；z4极发电机的轴中心高不宜超过710mm（对应发电机功率可达4～4.5MW），现2.5MW、3MW发电机极数多采用6极；z60Hz系列的机组一般采用6极发电机。1电磁设计——电压、极数选取电磁设计——负荷选取¾整个运行范围内发电机的温升和效率z发电机转速范围宽：最大可为同步转速±30％，要注意低速时，发电机的通风散热能力会降低；z发电机功率因数波动范围较大：-0.9（超前）～1～0.9（滞后）——热负荷；z电网电压的波动范围较大：额定电压±10%——磁负荷、热负荷；z电网电压、功率因数波动范围内的电磁计算、性能计算、温升计算；z磁路饱和程度还将影响发电机输出电能质量。电磁设计——负荷选取¾转子采用变频器供电时发电机的谐波影响z引起转子铁损和定转子绕组铜损增加，引起定转子绕组温升上升；z将增加发电机噪音和电磁振动，增加转子导条的集肤效应；z转子铁心应设有轴向通风孔或径向通风道，保证良好的通风冷却效果。考虑到高次谐波增加将加深磁路的饱和，发电机的磁路应设计成不饱和结构。发电机定子电流波形发电机侧变频器电流波形电磁设计——负荷选取¾系统控制方式的影响z桨距控制——动态入流现象：引起暂态过电流，引起磁路饱和效应，从而产生高次谐波；z低电压穿越——短路棒保护：当电压严重跌落时，高次谐波会使暂态电流增加。电磁设计——负荷选取¾电磁设计时，电磁负荷、热负荷、温升应留有一定的裕度。z定转子电流密度及线负荷设计均较普通YR型电机低；z定转子热负荷AJ比YR型电机大约低30％左右，一般900～1300[A2/(cm﹒mm2)]。定、转子热负荷相当（因定转子绕组的对地绝缘厚度相当，转子的最好略低）；同功率空冷比水冷略低（约200～300）；随功率增加而降低。z发电机磁负荷选取应略低于常规发电机。特别应注意超负荷（如1.1倍、1.15倍额定功率）、高网压、低功率因数时的定转子齿磁密（转子齿磁密Bt2可比定子的Bt1略高，因其只会使功率因数降低，不会导致铁耗增加），气隙磁密Bg不宜过大（影响转轴的临界转速、挠度、轴承寿命和齿谐波）。电磁设计——槽形、线圈型式电磁设计时，常采用以下措施。¾定、转子槽采用开口槽、半开口槽、半闭口槽；¾定子或转子铁心采用斜槽结构；¾短距绕组形式；¾适当增大电机气隙。减小发电机的气隙磁密谐波、改善感应电势的波形，达到以下目的。z降低电压波形正弦性畸变率；z减小发电机损耗和提高效率；z降低定转子绕组温升。电磁设计——槽形、线圈型式（1）定子开口槽、转子半闭口槽定子成型线圈转子插入式一端成型的半线圈（2）定子开口槽、转子半开口槽定子成型线圈转子嵌入式两端成型的半线圈电磁设计——槽形、线圈型式（4）定、转子半开口槽定子成型线圈转子嵌入式两端成型的半线圈（3）定子半开口槽、转子半闭口槽定子成型线圈转子插入式一端成型的半线圈定子半开口槽的嵌线定子电磁设计——槽形、线圈型式（5）定子梨形槽、转子开口槽定子散嵌线圈、转子成型线圈（6）定、转子梨形槽定、转子散嵌线圈电磁设计——槽形、线圈型式（7）定子梨形槽、转子半闭口槽定子散嵌线圈、转子插入式一端成型半线圈（8）定子梨形槽、转子半开口槽定子散嵌线圈、转子嵌入式两端成型的半线圈电磁设计——斜槽¾为了减小发电机的气隙磁密齿谐波，可采用定子铁心斜槽或转子铁心斜槽结构。定子铁心斜槽结构转子铁心斜槽结构2转子结构——结构类型图1成型绕组转子双馈发电机转子绕组有3种型式：¾成型绕组——详见图1¾矩形半线圈——详见图2¾散嵌绕组图2矩形半线圈转子转轴转子铁心转子线圈无纬带转子线圈（插入式或嵌入式半线圈）转子结构——主要考虑因数¾发电机转子接变流器，会增大转子损坏的危险；¾发电机转速变化范围最大可为同步转速±30％，一般在同步转速70％～130％内调节调速；¾转子绕组端部必须有牢固的支撑，以适应机械旋转和发电机内部的温度环境要求。转子绕组端部的固定与防护是一个难点，既要能经受飞逸工况下的最大离心力不被损坏，又能保证适宜的通风；¾转子引线连接和固定，确保运行可靠；¾转子在稳态和暂态性能方面还有一些新问题需要研究，如桨距控制——动态入流现象、低电压穿越——短路棒保护等。转子结构——转轴强度计算¾动态入流现象——变桨过程中风轮的机械转矩过冲。¾快速变桨时，在桨距控制型风电机组机械转矩会出现明显过冲，过冲量取决于风轮运行状态和风轮半径，风速越低、变桨速率越大、风轮半径越大，过冲量就越大。¾发电机在转速上升阶段时，会有数倍额定转矩施在其转轴上。（大于系统要求的最大转矩：2倍额定转矩）。桨距控制型风电机组以不同变桨速率使功率从额定功率的20%提高到100%时的机械转矩转子结构——转轴强度计算低电压穿越低电压穿越——短路棒保护：在转子侧变流器闭锁的同时，发电机转子回路通过一定阻值的短路棒短接，发电机继续作为常规感应发电机运行。在系统采取短路棒保护方式进行低电压穿越时，将可能在瞬时将数倍发电机额定转矩施加在其转轴上（远大于系统要求的最大转矩：2倍额定转矩）。转子结构——转轴强度计算¾脉冲极限转矩Mk下的静态及疲劳强度计算——静态及疲劳安全系数k1＞2¾故障态最大转矩Mp下的静态强度计算——静态安全系数k2＞1转子结构——转子线圈并头联接¾对于采用半闭口槽或半开口槽的转子来说，其矩形半线圈两端头的钎焊是个制造的难点，也是影响发电机运行可靠性的关键项点之一。z合理设计并头结构z钎焊工艺研究并头钎焊转子矩形半线圈转子结构——转子电缆引出线的固定¾转子电缆引出线需与转子线圈端部并头环连接，然后从转轴滑环端的深孔中引出，再连接到滑环上，如何确保可靠连接和可靠固定，是直接影响高速运转的发电机运行可靠性关键项点之一。z电缆引出线两端可靠连接和可靠固定z在深孔中的可靠固定电缆引出线电缆引出线在转轴深孔中固定方式之一——灌封固定工艺试验电缆引出线转轴深孔灌封填料¾可借鉴下图中的汽轮发电机集电环结构，转轴深孔中导电杆与集电环固定方式。转子结构——转子电缆引出线的固定一种汽轮发电机集电环装配简图导电杆导电螺钉导流环集电环绝缘筒转轴绝缘3绝缘结构——绝缘破坏的主要因素发电机绝缘老化因子四大主要因素：¾电因素¾热因素¾机械因素¾化学(或环境)因素绝缘结构——运行环境及条件¾极端环境气候条件z环境温度：-30°C～50°C；z污秽：Ⅱ～Ⅲ级污区；z三北地区：低温、昼夜温差大、风沙大、高海拔（＜4000m）；z沿海地区、海上风电场：盐蚀、潮湿（空气湿度：95％，最大达到100％）。沿海地区（、盐雾）三北地区（低温、昼夜温差大、风沙大）绝缘结构——运行环境及条件¾电气条件z电流、电压变化频繁、无规律——受自然风变化及电网波动的影响z过电压：雷电过电压和转子变频器产生的重复陡脉冲雷击在风力发电机定子（或转子）绕组产生的过电压应适当考虑。z变浆控制引起过冲电压z低电压穿越时，由于发电机内磁场变化不能跟踪电网电压的变化，将产生直流分量，会造成转子电压上升。某风电场实测功率曲线绝缘结构