大型永磁同步发电机在风力发电中的应用
2010-08-18张新丽张世福
赵 祥 张新丽 张世福
(1.新疆金风科技股份有限公司,乌鲁木齐 830026;2.北京金风科创风电设备有限公司,北京 100176)
1 国内外大型永磁风力发电机的应用
永磁同步发电机是用永磁体来代替普通同步发电机的励磁系统,为发电机提供励磁的一种发电机。由于永磁发电机自身无法调节励磁,发电机端口电压将随着转速而变化,因而早期永磁发电机往往与小功率的变流装置配套应用于小型风力发电机上,但随着永磁技术及大功率变流技术的提高,风电新技术方案的出现,永磁发电机逐渐在大型风力发电上得到了广泛的应用,并将成为未来风力发电机的一种趋势。
2000年瑞典ABB公司研制成功了3MW-5MW的巨型可变速风力发电机组,其中发电机采用了低速多极的永磁式转子结构的高压风力发电机Windformer,由于Windformer为风轮直接驱动永磁转子,结构简单,可直接并网使用,具有容量大、效率高、运行可靠及环保效果好等特点[1]。
2003年日本三菱重工完全自行制造的MWT-S2000型风力发电机组上采用了2MW永磁同步电机,在Okinawa电力公司开始运行,是当时商业化应用的最大永磁风力发电机[2-3]。
2005年德国 Multibrid安装了第一台 5MW 风机,M5000风机由德国工程咨询公司aerodyn设计,采用了单级齿轮箱和水冷式中速永磁同步发电机相结合的混合传动技术[2],相比传统三级齿轮箱的双馈技术方案,大大简化了传动系统结构,提高了电能品质,而相比直驱技术中采用的低速电机,中速电机的尺寸和重量也大为减小,从而为生产、运输和吊装带来了一系列的优势。
采用永磁电机的其他国外风机厂商也为数众多,如基于Multibrid授权,WinWind 的WWD1和WWD3 机型、Multibrid的5MW机型;采用带三级齿轮箱的GE公司2.5XL系列的永磁风力发电机;Vensys的1.5MW及2.5MW直驱永磁风力发电机、Scanwind的3MW和3.5MW直驱永磁风力发电机等。
图1 Multibrid公司5MW半直驱永磁发电机
图2 Vestas公司3MW机组配套永磁发电机
图3 Scanwind机组配套的永磁发电机
国内目前能够批量化生产永磁风力发电机仅有金风科技和湘电风能公司两家风电整机厂商。
Siemens机组的陆上风电采用异步发电机+全功率变流,而海上风电发电则采用直驱永磁和全功率变流的技术路线。Vestas 即将推出高速齿轮箱、永磁风力发电机和全功率变流的3MW机组,未来的6MW机组公司官方宣称为直驱机组。GE 2.5XL系列机组为高速齿轮箱、永磁风力发电机和全功率变流机组,最近GE公司收购了Scanwind 公司,其拥有3MW、3.5MW直驱永磁机组。GE公司计划利用1.5MW机组成熟的开发和运行经验,把3MW直驱机组打造成为海上风电的主力机型。Gamesa公司则推出了中速齿轮箱、永磁风力发电机和全功率变流的4.5MW机组。从以上几个国际主要风力发电机厂商的最新技术路线来看,其共同的技术趋势是永磁风力发电机和全功率变流技术,将成为海上风力发电机组的技术发展趋势。
2 不同类型风力发电机的技术对比
目前风电市场中,以三级齿轮箱加双馈异步发电机为技术方案的变速恒频风力发电机应用最为广泛。但随着大功率器件的发展,大功率变流器的成本及技术瓶颈已逐渐打破,低速同步发电机配全功率整流器的直驱式结构成为了风力发电的另一个重要发展方向。永磁电机具有结构简单、效率高、免维护等优点,尤其在船舶、风机等这种对电机稳定性要求高且维修不易的环境中具有应用优势,因而低速永磁电机往往是直驱式结构风机用发电机的首选方案。
随着风力发电机不断大功率化,双馈式风力发电机组齿轮箱的机械故障率较高,稳定性及电能品质较差,同时直驱式风力发电机组中的低速同步电机尺寸偏大也增加了设计及运行难度,因而将上述两种方案相结合的第三种技术路线即齿轮箱加中高速同步电机的混合传动结构风机(基于Multibrid技术)异军突起,而采用永磁同步发电机作为中高速等级的同步电机也是最优的选择。
除了上述三种最具代表的技术路线外,其他一些技术路线不再在此赘述,下面仅对风力发电上最多采用这三种方式进行分析。
(1)变速恒频双馈式风力发电机
如图4(a)所示,双馈式风力发电机组主要由风机叶轮、三级齿轮箱、双馈异步发电机、双向PWM变流器等部件组成。双馈机的定子与电网直接连接,而转子通过滑环与变频器连接到电网中,通过调节转子励磁电流,可实现对发电机无功功率和有功功率的调节。由于该发电机定转子都有外接电源并与之实现能量交换,因而称为双馈发电机[4]。
双馈式异步发电机具有技术成熟、风机厂商进入的门槛低、制造成本低、非全功率变流器容量小等优点,但是同时也具有运行范围较窄、转子滑环部分容易磨损、齿轮箱机械部件故障率高维护量大、对电力品质相对较差等不足[5]。这种齿轮箱加常规电机的传统技术路线,将有可能在即将到来的新一轮风能产业技术革新中被新的技术方案所取代[2]。
(2)直驱同步风力发电机
直驱风力发电机组包括风机叶轮、多极低速同步发电机、全功率变流器等。风机的控制系统主要靠变流器对发电机输出电流进行调节,从而实现对转矩的调节。由于此类发电机组中风力机与发电机直接连接,而不使用齿轮箱即“直接驱动”的风力发电技术,因而被称为直驱风力发电机[6]。
与双馈式风机不同,此风机系统的输出功率通过全功率变流器输送到电网中而与电网彻底隔开,电能品质优越;同时直驱风力发电机组省去了故障率高的齿轮箱,传动系统简单,可靠性增加,维护性好;由于低负荷下能发出更多的电能,又使其具有较高的效率[2]。
图4 三种风力发电机机组结构示意图
(3)混合传动风力发电机
混合传动风力发电机包括风机叶轮、齿轮箱、中高速发电机及全功率变流装置。风机叶轮转速经齿轮箱后被升高至 100~2000r/min的中高速等级,再与中高速等级发电机相连,发电机发出的功率通过全功率变流器后并网运行。
相比三级齿轮箱的双馈方案,此种技术方案可将传动系统简化,可靠性高,电能品质优越;相比带低速发电机的直驱方案,其发电机转速高,尺寸重量大幅降低,制造难度降低,运行稳定性也有所提高。
在这种方案下,理论上可选用永磁同步发电机、电励磁同步发电机作为发电设备,但由于永磁电机具备前述的优越性,目前采用这种技术路线的Multibrid和Winwind两家公司都无一例外选用了永磁发电机。
(4)对比关系
根据上述分析,对各种性能指标进行总结,并列在表1中。
表1 三种技术路线的指标对比
可以看出,双馈机组虽然技术门槛低,价格便宜,但在电能品质、维护性和稳定性都不及其他两种方案;制约直驱机组的主要方面是发电机尺寸重量过大,也带来了机舱与塔架的设计与制造难度,并随着功率的增大难度加剧;而混合传动虽然在维护性和经济性居中,但其中速电机尺寸相对较小,机舱内部更加紧凑,相应零部件设计制造简单,在未来更大功率风机应用上将具有显著优势。
3 大型永磁风力发电机的技术难点
(1)电机设计难点
永磁体是永磁电机代替传统电机励磁系统的关键部件,同时它也是磁路的组成部分之一。由于不同型号永磁体的内在磁性能差异较大、磁路结构形式多样、漏磁路复杂且漏磁比例较大、同时还要考虑故障下的过流冲击及正常运行时工作温度带来的永磁退磁问题等,都使永磁发电机的电磁设计变得异常复杂。而永磁体材料中含有大量的稀有金属,如果永磁材料用得过多会造成成本的增加,过少又达不到使用要求,因而兼顾经济性与稳定性也是方案设计的重要考核目标之一[7-8]。
除了合理的磁路设计,还要考虑如何确切地计算出风力发电机的起动阻力矩并采取措施予以降低,如果起动阻力矩小,发电机在较低风速时便能起动发电,就可以更加有效地利用资源,提高发电性能。
在开发永磁风力发电机时,电机的温升也是电机设计的主要关键点。由于永磁电机运行在风机上,空间狭小,散热性能较差,如果电机散热设计不合理,工作温升过高会导致永磁体退磁,带来电机出力不够、效率下降等一系列问题,因而如何利用有限空间,同时兼顾经济性及运行效率,设计出合理的散热系统是一个重点与难点问题。
此外,风机往往运行在戈壁、盐海、滩涂及海上等环境恶劣的地方,尤其对于大功率机组,安装在海上将是未来的一个必然趋势,因而如何对电机进行防护将是设计成败的关键因素。如果永磁体不能很好地防护,表面腐蚀后会导致电机性能下降,而盐雾、风沙以及雨水的侵袭,也会造成电机绝缘性能的下降,严重时将会导致击穿事故的发生。
(2)电机工艺难点
目前大功率电机均采用先将永磁体充磁后,再安装到转子上,这就带来了永磁体的安装问题。磁极由多个永磁体组成,永磁体由专门的磁材厂家制作并充磁,目前风电用永磁体多为烧结工艺制作,永磁体机械强度小且易碎,同时永磁体的强磁性又使其很容易吸附在铁心、转轴等地方,增加了安装难度。尤其对于内置式结构,一旦安装中发生永磁体破碎,碎块残留在转子铁心内部,很难清理,因而必须设计可行的导入工装来保证安装成功。而对于面贴式结构,还要考虑如何固定永磁体,目前较多的处理方式是将永磁体用特殊的粘接剂粘在磁轭表面,防止转子运行时,永磁体脱落或在磁轭表面移动。
永磁体安装完毕后,下一个面对的难题就是定转子的套装。与传统套装不同,安装了永磁体的转子整体吸附力极强,定、转子之间气隙较小,在总装时容易造成定、转子之间因吸力大而发生碰撞,一旦定、转子吸附在一起将难以分开,甚至报废,且易造成人身伤害。因而传统的立装或卧装工艺已无法满足要求,因此必须制作精确的导入及定位工装,在保证定、转子绝对同心的条件下再行总装是套装工艺的关键[9]。
另外,在制造过程中,还必须做好清洁防护工作,防止铁屑、杂物掉入,工序安排也要合理,永磁体安装后,尽量避免再进行焊接、打磨等容易产生铁屑的工序。同时在永磁体运输过程中及发电机安装完成后,要做好防护工作。
4 永磁风力发电机在金风机组上的应用
(1)直驱永磁风力发电机
金风科技在引进Vensys技术后,经过二次研发,目前已形成 1.5MW 直驱风力发电机的批量化生产。1.5MW采用永磁发电机,相比直驱电励磁风力发电机在尺寸和重量上相对较小,结构简单;永磁体面贴在转子表面,便于安装,也利于永磁体表面散热;采用了外转子结构、自然空冷的独特通风设计,大大提高了散热效果,也省去了冷却设备,使整机具有较高的效率。
图5 金风1.5MW风机安装
随着 1.5MW 兆瓦机组的运行稳定性逐步提高,机组的高使用效率和低故障率为业主所满意,可以说,永磁直趋技术路线的可行性得到了验证。但由于目前国内风电场招标还是以单机价格为主要指标,直驱型机组优势没有得到充分体现,随着时间推移,永磁直驱风机的高效、低维护和高的可利用率的优良特性将逐渐显现,同时随着风电场电网接入标准的制定,直驱型机组将体现出更大的综合性价比优势。
金风2.5MW发电机同样采用了和1.5MW相类似的外转子永磁同步电机的结构,但进一步的提高了整个发电机的防护等级,使得发电机具有很好的防尘、防水等抵抗恶劣环境的功能;此外,由于通风系统采用内部强制风冷的方式,冷空气从外界进入气隙通过径向风道直接将线圈上的热量带走,因此紧凑式结构及良好散热系统使2.5MW发电机的体积并没有因为容量的增大而比1.5MW的体积有明显的增加;2.5MW 发电机采用单轴承结构,这样进一步简化了机组的传动链,从而使机组的结构更为紧凑、简单。2.5MW 发电机克服了大型直驱风机的主要缺点并具备了适应环境能力强、体积小、结构紧凑等优点,预计会成为金风公司未来几年的主要机型。研制的2.5MW 直驱发电机完成了全功率试验测试。目前,2.5MW机组运行稳定,达到了全功率运行。
图6 金风2.5MW永磁发电机全功率试验
(2)混合传动永磁风力发电机
鉴于混合传动技术路线结合了传统的高速齿轮传动方案及现代直驱技术的优势,更适合在大功率风力发电上采用,金风科技从2006年起,就开始了3MW半直驱式变速恒频风电机组研制工作。其中,发电机采用了中速永磁发电机,可在不同风区内实现160~400r/min的转速范围内运行。转子为永磁体插入式结构,使极限工况下永磁体抗退磁能力大为增强;采用传统的内转子结构,更适合电机在较高转速下运转;高防护等级及特殊的绝缘防护设计,更加适合未来海上机组的运行。
目前,3MW半直驱式变速恒频风电机组已成功实现并网运行,并顺利达到了全功率运行。
图7 金风3MW永磁发电机
发电机在额定转速下,实际测量磁体在 25.3 ℃(绕组的平均温度)下的空载电动势基波有效值为431.1 V,折算到磁体80℃的基波有效值为 401.5 V(Br的温度系数为 0.12%),有限元仿真计算在磁体为80℃的基波有效值为396.94 V,上偏差为1%。
从试验数据和有限元计算结果对比可知,发电机的整体电磁设计方案合理,达到了设计指标。
图8 试验和有限元计算的空载反动势波形对比
5 结论
永磁发电机以自身的优越性,越来越广泛地应用于风力发电机组中。国内外许多风机厂商虽然在双馈技术路线上有成熟的品牌机型,如GE、东汽等,但近年来都在致力于采用永磁发电机风机机型的研发制造。
同时我们也看到永磁发电机目前在结构设计、工艺制造等方面仍存在很大的改进空间,相信随着永磁电机研发技术的提高与成本的降低、机组可靠性与可维护性要求的加大以及电力系统对供电品质的要求更加严格,采用永磁发电机加全功率变流的技术方案将成为海上风力发电机组的技术发展趋势。
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[3]Yoshinori Ueda, Hidehiko Itaka,Kosuke Inoue,Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. Technical Review Vol.40 No.4 (Aug. 2003).
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[8]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京:机械工业出版社,2005.
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