2MW双馈发电机的研制和开发

吴世展

（重庆赛力盟电机有限责任公司，重庆 400052）

为了应对金融危机，中国政府把发展风电产业作为改善能源结构的重要手段和新的经济增长点。目前国家能源局正在制定有关新能源产业振兴的规划，主要是加快推进新能源产业的发展。在新能源产业的各子行业中，风电将是未来的发展重点。目前不仅各大电力集团，而且有关的国有企业、民营企业、外资企业也纷纷地进军中国风力发电行业，风力发电发展呈现出前所未有的蓬勃景象。

1 双馈发电机概述

双馈发电机是结合了异步发电机和同步发电机的优点而发展起来的一种新型发电机。具有良好的调速性能、有功和无功功率独立可调、改善电网功率因数、提高系统的稳定性以及相对较小的励磁容量等优点。可广泛应用于风力以及抽水蓄能等新型可再生能源发电系统中。

双馈风力发电机具有如下优点：

1）双馈风力发电机定子的输出功率是恒频恒压的交流电，可直接并网；转子的转差功率经过变换后也可以与并入电网。

2）双馈风力发电机仅需对转子功率进行变频控制，而转子功率一般为总功率的20%以内，即需要整流逆变容量非常小，变频损耗小，变频器成本低，控制系统体积小。

3）双馈风力发电机在变速运转时发出的电高频谐波含量低，风能利用充分；而同步风力发电机发出的电在整流逆变过程中会产生高频谐波电流流入电网，使电网的品质变坏，而风能利用相对要差一些。

4）双馈风力发电机的转速受转子上所接变频器控制，在风速较高时不会造成发电机飞车，因此该类发电机的可靠性较高；而同步风力发电机的转速受外界风速决定，当风速较高时会造成发电机飞车，因此该类发电机的可靠性较差。

另一方面，双馈风力发电机也具有如下缺点：

1）转子需要采用双向变频器，变速恒频控制回路多，控制技术复杂，成本昂贵。

2）转子绕组接双向变频器，控制系统采用SPWM 或 IGBT，变速运行范围只能控制在同步转速的±35%以内。

3）发电机需要安装滑环系统，必须定期维护、检修和更换。

4）控制回路会在转轴上感应产生一定程度的轴向电压，必须对轴承部份进行绝缘处理或采用绝缘轴承，而如陶瓷滚子轴承等绝缘轴承成本昂贵。

2 系统原理

三相双馈风力发电机从电机结构上与三相绕线式异步电动机相似，发电机主要运行在较大转差的三相交流励磁发电机状态下，其励磁方式主要是跟踪发电机转速变换情况，在电力电子器件的控制下，随着变换交流励磁电流的频率进行交流励磁，保证发电机定子产生的电能在频率上与工频50Hz一致，电能电压可以在一定的范围内可控可调，从而调节双馈发电机的运行工况，并入电网向电网输送符合质量标准的交流电能。转子的转差功率则通过电力电子器件的变换成为工频 50Hz电能向电网输送。双馈风力发电机系统原理图如图1所示。

图1 双馈风力发电系统原理图

3 规格和设计参数

型 号：YRFKS500-4

额定功率：2150kW

额定定子电压：690V

额定定子输出：1840kW

额定定子电流(cosΦ=1):1750A

转速范围：950～2050r/min

额定转速：1756r/min

效率：96.8%

自然功率因数：0.97

定转子接法：△/Y

额定转子输出功率：310kW

额定转子电压：320V

额定转子电流：577A

转子开路电压：1924V

绝缘等级：F/H

防护等级：IP54（滑环部份IP23）

中心高：500mm

4 基本原理

根据电机的基本能量转换原理，可以推导出双馈风力发电机运行时的机械转速与定、转子绕组频率有如下关系：

f1为定子频率，恒定为电网频率。

P×n/60为发电机转子机械旋转频率，P为发电机极对数，n为发电机实际运行转速。

f2为转子频率。

由此可见，随着风速不断变化，风叶传递到电机转子的机械转速n不断变化，则必须通过改变转子频率f2来使定子频率f1保持恒定。然后再通过双向逆变器将转子频率f2逆变成电网频率，实现风力发电机的变频恒速控制。

从电动机观点看：PΩ=PM−Pcu2= ( 1 −s)PM，因此可以通过调节转差率s来实现调节PΩ，如果在转子电路中串入一个与转子频率f2相同，相位与转子电势相同或相反的附加电势来吸收或输入功率，同样也能实现使实际输出的机械功率变大或变小。

作为发电机运行时必须满足的两个条件是：

1）n＞ns，只需要风机将电机转子拖n＞ns即可。

运行时，双馈风力发电机的定子直接接入电网，从电网中吸取滞后的无功电流来激磁；发电机要求其机械功率转变为电磁功率，当风速较大转速较高时，从转子上吸收功率输入电网；当风速较低时，从电网上吸收功率输入转子。

5 结构设计

双馈风力发电机的基本结构如图2所示。

图2 双馈风力发电机基本结构图

如图2所示，发电机主要由定子、转子、滑环、接线盒、编码器、润滑系统等组成，具体结构如下：

1）发电机为箱式结构，卧式安装。主体采用空-水冷却形式，内部空冷，外部水冷。

2）定子机座为箱式结构，采用钢板焊接而成。定子铁心采用内压装结构，直接将片叠入机座，然后将定子压圈与机座辐板焊牢。

3）定子采用开口槽，定子线圈采用成形线圈，双层叠绕，F级绝缘。定子铁心和线圈进行2次VPI真空压力整体浸漆。

4）转子采用闭口平底槽，转子线圈采用优质铜母排，双层波绕，H级绝缘。因发电机堵转电压为1924V，并且考虑到转子外接变频器，且为旋转部件，因此转子对地绝缘按3000V级考虑。转子铁心与转子绕组同样采用VPI真空压力整体浸漆。

5）转轴采用“光轴”结构，即转子片直接套在转轴上。轴采用耐低温合金锻钢，以便于满足风力发电机能在-50℃～50℃范围内正常运行。

6）因飞逸转速最高为 2650r/min，因此转子引出铜条及电缆的固定是一道难题，引出铜条的固定在上下左右都要定位，防止其位移。电缆采用平衡环固定，另外每根电缆至少再用两个线夹固定，避免电机运行时电缆有移位或甩动的现象。无纬带的厚度也相应增强，转子线圈端部加钢带箍2圈。

7）设计要求轴承理论寿命为150,000h，经计算并保留余量的情况下，选取两端均为FAG深沟球轴承；同时，为防止转子调频时引起的轴电流，前后轴承均采用陶瓷滚子轴承，且转轴接地。

8）发电机安装有自动加脂设备和手动加脂接口，可实现在一定周期内自动加注油脂，有效减少维护工作。尾端安装有光电编码器，用于监控发电机运行过程中的机械转速和旋转方向。

9）发电机机座下部两侧设计有防潮加热器，以便停机时防潮使用。定子绕组每相3只，共9只Pt100测温元件，轴承每端2只，共4只Pt100测温元件，以便监控发电机运行时的绕组和轴承温度。且定子每相设计有1只高压温度开关，以便于绕组温度过高时可以自动切断。所有元件均引至专门的辅助接线盒内，并有相应标记。

10）定、转子接线盒内各安装3根铜母线，发电机定子采用母排引出至定子接线盒内，转子采用电缆引出至转子接线盒内。且定、转子接线盒内均安装有避雷器，以避免因雷击产生的电涌对发电机造成损坏。

11）计算满载定子绕组温升 76K，转子绕组温升88K。

风力发电机一般安装在户外，在结构设计过程中，充分考虑发电机运行环境的极端恶劣。冰冻不至于影响设备运行，腐蚀盐雾等对发电机结构不会产生危害。同时还对结构部件进行了大量的静、动态计算，疲劳强度校核，冲击、波动载荷计算，使发电机整体结构安全可靠。

6 试验结果

该台样机于2010年12月在我公司质量保证部中心试验室做了一系列试验（主要包括：温升、噪声、振动等），实测样机噪声88dB(A)（声压计），振动 1.6mm/s（速度有效值）。另外，试验结果表明该样机在电气性能和机械性能上完全达到或超过设计目标，能满足风力发电机的要求。

本试验结果见表1。

表1 不同转速下定、转子部分参数和温升测定

（续）

7 结论

双馈风力发电机在我国起步较晚，与先进国家相比仍有不小的差距，并且由于采用绕线型异步电机，其结构复杂，维护不便，但与同步风力发电机相比具有较明显的优势。随着我国风电产业的发展，双馈风力发电机势必会得到更一步的长足进步。

我公司根据重庆市对兆瓦级风力发电产业化项目子项风力发电机系统要求，坚持走自主研发、自主制造和不断创新之路，成功开发了 2MW 双馈风力发电机。通过试验验证，完全达到或超过预期设计目标，完全能满足风力发电对发电机的相求。设计过程中在产品设计、新材料选择、人性化操作等方面综合考虑，保证产品质量。同时，双馈发电机防雷技术是设计时关注的另一重要方面，但目前国内对风电防雷技术的研究仍然严重不足，还需要进行进一步的研究。

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