高海拔异步风力发电机设计解析

邵平安

(南车株洲电机有限公司，湖南株州 412001)

0 引言

随着内蒙、新疆、沿海等地方优良风资源的不断开发，普通海拔可用的优良风资源越来越少，为了寻求风机的持续发展，须突破原有的风场开发思路，一是将风机从普通海拔转移到风速相对好的高海拔上，二是将风机从普通海拔转移到风速相对好的海上，另外也可以采用高效能的永磁风力发电机和超导风力发电机替代现有风力发电机的方法。海上风力发电技术还不够成熟，且基础建设费用很高，目前还不便于大量推广;永磁风力发电机和超导风力发电机的制造成本很高，主要适合大功率风机机组开发;高海拔风机可充分利用目前没开发的盲区进行开发，基础建设费用相对低些，机组技术可直接移植普通海拔风机机组技术，风险小，便于马上投产，适合大批量推广。

高海拔异步风力发电机的应用刚刚起步，且有很好的市场前景，通过对高海拔异步风力发电机设计解析的分析及750 kW高海拔异步风力发电机的实际应用，为以后不同海拔的异步风力发电机的开发提供了借鉴意义。

1 设计概述及原则

高海拔异步风力发电机相对普通海拔异步风力发电机主要是外部环境(空气稀薄、气压低、散热能力差、热辐射作用强、昼夜温差大)发生了变化，从而因外部环境条件的变化带来了以下几个问题［1］:

(1)电机的绝缘应修正，包括电气间隙、绝缘强度和防电晕能力;

(2)电机的温升应修正;

(3)绝缘与金属结构件的抗低温性和冷热冲击;

(4)电机外部防护涂层的抗紫外线、风沙腐蚀能力;

(5)结构件、绝缘材料的耐低温性能。

1.1 电气间隙和爬电距离修正

对应海拔高度的电气绝缘距离满足式(1):

LH——海拔H下的电气绝缘距离;

L0——标准大气条件下的电气绝缘距离;

K2——接线盒内部接线柱电气距离放大系数;

H——风电安装地点的海拔高;

t——风电安装地点最高气温。

1.2 对地耐压值的修正

高于2 000 m的设备，工频耐受电压值和冲击耐受电压值应符合常规型产品标准的要求，在产品使用地点海拔和试验地点海拔不同时，试验电压值应乘以修正系数，修正系数值参考标准GB/T20645—2006的要求。

海拔在1 000～4 000 m地区的风力发电机，其工频试验电压UH与海拔高度的关系为

式中:U0——标准额定试验电压;

Ka——海拔修正系数;

H——风电设备安装海拔高度。

高海拔发电机在低海拔地区进行对地耐压检查时，试验电压为正常电压的Ka倍。

1.3 起晕电压的修正

(1)电机绕组起晕电压与气体密度(即气压)有直接关系。

(2)在海拔1 km以上、5 km以下，气压与海拔高度关系为

p=101.3 × 103e－0.121H

式中:p——大气压;

H——海拔高。

(3)随着海拔上升，气压下降，电机绕组起晕电压也随之下降。

(4)起晕电压与大气压关系为

式中:p——风电安装地点海拔H的气压;

t——安装点最高气温;

UKH——海拔H时电机起晕电压;

UK0——标准气压下电机起晕电压。

(5)试验证明，海拔每上升100 m，起晕电压将下降0.47% ～1.04%，平均下降约0.79%。

(6)电机绕组的防晕应按照计算值UKH放大至UK0。

目前的异步风力发电机属于低压电机范畴，由于工作电压低，在正常试验电压下一般不会起晕。另外，将绕组对地绝缘改用耐电晕性能优良的材料，也可以进一步提高绕组的起晕电压。

1.4 电机温升的修正

随着海拔高度的增加，空气密度的降低会引起空气冷却效果的降低，造成发电机散热能力降低，绕组温升会增加，按昆明电器科学研究所验证，海拔高度每升高1 000 m，按电机的温升提高10%进行计算，工作在4 000 m海拔地区时，发电机温升将提高约30 K［2］。再按标准GB/T20645《特殊环境条件高原用电器技术要求》，环境温度随海拔的升高而降低，对电机温升递增有一定的补偿作用，所以实际电机的温升增加不会太大。

1.5 结构件抗寒及紫外线性

由于高海拔地区外部环境温度低，昼夜温差大，所以机座、端盖、轴承盖、转轴等选择抗低温性能好的材料。

转轴推荐采用与风力发电机组主轴相同或更高级的抗低温性能材料。表1是两种常用抗低温的转轴材料的机械性能对照表。

表1 两种常用抗低温的转轴材料的机械性能对照表

从表1的数据来看，34CrNiMo6和34CrMo的低温冲击功性能好，可作为高海拔风力发电机的转轴材料。

整机外壳涂层采用的底漆、腻子、中涂漆和色漆须进行耐低温冷冻性能的测定，测得冲击性能和附着力应满足GB1732和GB9286的要求，漆膜表面无气泡、脱落和开裂现象;且通过原化试验，试验后防腐层的光泽度和色差均满足标准要求。

2 电磁方案设计

相对普通海拔风力发电机设计的结构数据和性能参数数据，应将上述修正数值考虑进去，特别是温升的修正值，以保证高海拔异步风力发电机在高海拔的环境条件下能长期运行。电磁方案设计应注意以下几点:

(1)根据以往相似类型发电机的设计参数和试验数据，合理选择高海拔异步风力发电机的槽配合、铁心长度、齿槽比等结构数据。

(2)合理选择通风结构，以充分提高发电机效率和可靠性。

(3)发电机设计应充分考虑高原特殊环境下的绝缘和散热问题，以及西北地区的风沙及盐滩地区的潮湿、盐蚀等自然条件的影响。

(4)发电机的设计必须充分考虑风机的安装、运行特点(如风的不可控性、随机性，有时瞬时变化可达10 m/s以上)。发电机处于负载不稳定状态，随风速变化机组负载存在波动，产生晃动;还应考虑频繁的切入和切出及振动的影响，考虑风机运行中所受的各类载荷(稳定、周期、随机、瞬态、谐振载荷)，以满足现场使用要求。

(5)轴承润滑脂的选用应满足电机轴承的工况要求和长期运行的需要并经需方认可。润滑脂应具有良好的耐候性，在－40℃低温下不会出现黏度增加，甚至冷凝冻结，影响产品起动性能的现象。

(6)发电机基本属于低电压大电流电机，设计中须考虑定子线圈制造、嵌线、并头等工艺性，减少生产制造难度。

(7)风机普遍采用发电机直接并网，起动电流大，设计中须满足起动电流倍数要求。

3 温升计算方案设计

为保证所设计的发电机能在高海拔条件下长期可靠的运行，除保证发电机起动、运行等性能满足用户要求外，特别要求发电机的温升控制在绝缘材料允许的寿命内。但是，因试验条件的限制(试验设备一般在普通海拔的工厂内)，发电机一般只能在普通海拔的条件下进行试验，这就要根据发电机的运行经验或相关标准推算出普通海拔下的温升试验值折算到对应高海拔条件的温升值，从而保证发电机在高海拔条件下能安全可靠的运行。

以一款750 kW高海拔异步风力发电机为例进行温升分析计算，该发电机电磁计算后的损耗为铁耗 PFe=8.5 kW;定子铜耗Pcu1=5.0 kW;转子铜耗Pcu2=10 kW;机械损耗PMec=2.0 kW。

该发电机有内、外两条风路。内风路由内风扇产生风压，形成从内风扇→机座风道→转子通风道→内风扇的内风路;外风路由外风扇产生风压冷却机座表面散热筋。采用热路法计算(等效热路图见图1)。

图1 等效热路图

对此热路图所做的假设［3］如下:(1)定子绕组铜作为一个等温体;(2)定子铁心作为一个等温体;(3)转子整体作为一个等温体;(4)机座和端盖整体作为一个等温体;(5)电机内部各处的空气作为一个等温体;(6)不考虑轴承温升及其传热影响;(7)电机内部的部分机械损耗作为一个热源。

图1中:PFe——定子铁耗;

Pcu1——定子铜耗;

Pcu2——转子铜耗;

PMec——定子内部通过机座散热的机械损耗部分;

R1——定、转子铁心间气隙热阻;

R2——定子绕组铜和铁心间的绝缘热阻;

R3——转子端部铜、铁心和空气间的热阻;

R4——转子铁心通风道内铁心和空气之间的热阻;

R5——定子铁心与机座之间的间隙的传热热阻;

R6——定子铁心端面铁心和空气之间的热阻;

R7——绕组端部铜和空气之间的热阻;

R8——内部空气对机座和端盖的热阻;

R9——机座表面和端盖表面的散热热阻。

令:G1=1/R1;G2=1/R2;…;G9=1/R9;设φ1～φ5为结点电压(温度)。

该热路图共有6个独立结点，选择电机内部空气温度为参考零点(见图1)，根据电路理论列写结点电压线形方程组如下:

将已知数据代入式(1)～式(5)，解得:转子温升为99 K;定子铁心温升为57 K;定子绕组温升为74 K。

再有，按上述方法初步估算高海拔条件发电机温升约增加10 K，则发电机在高海拔条件下的对应温升如下:转子温升为109 K;定子铁心温升为67 K;定子绕组温升84 K。因该发电机的绝缘等级为H级，允许绕组运行温度为180℃，按最高环境温度为45℃计算，绕组运行允许温升为135 K，大于84 K。即使按H级设计F级考核的风力发电机普遍规律推算，绕组运行允许温升为110 K，大于84 K。因此该发电机还留有很大的安全裕量，能安全可靠地运行。转子采用铜条转子，转子温升运行到200 K均没问题。

4 运行情况

从750 kW高海拔异步风力发电机现场运行情况来看，该风机安装在海拔3 500 m的高山上，经过了将近2年的运行考核，目前运行正常。2010年9月从现场测得的数据如表2所示。

从表2的数据来看，编号为2、3和4号发电机已运行在额定功率下，并且温升达到了稳定，满功率运行的绕组温升约为88.1 K。该发电机的地面型式试验温升数值为82.5 K，不考虑发电机温升测量方法的差异性(地面型式试验温升采用电阻法测量，现场运行采用温度传感器测量)，高海拔异步风力发电机相比普通海拔异步风力发电机绕组的温升增加5.6 K。

表2 2010年9月现场测得数据

将表2的温升值与第3条的绕组温升推算值进行比较，发现推算数值基本与实际运行数值相当，证明了前期的推算是有效的。

5 结语

从以上分析可知:高海拔异步风力发电机的设计要进行一系列的修正，其中温升修正是该高海拔异步风力发电机设计的难点，本文采用热路法进行温升推算，并通过样机验证了推算的正确性。

［1］Canale M，Fagiano L，Milanese M.High altitude wind energy generation using controlled power kites［J］.IEEE Transactions on Control Systems Technology，in press，2010(18):279-293.

［2］陈开运.高海拔电气设备工作特点及设计要求［J］.机车电传动，2005(2):19-22.

［3］魏永田，孟大伟，温嘉斌.电机内热交换［M］.北京:机械工业出版社，1998.