2MW电励磁直驱同步风力发电机研制

雷向福，张 颗，杨国伟，王步瑶, 王 振，郭灯塔

海上风力发电技术与检测国家重点实验室（湘潭电机股份有限公司） 湖南 湘潭 411101

前言

由于能源危机以及环境意识的提升，对可再生能源的开发利用已成为共识，风能作为最常见的可再生清洁能源之一，受到人们的广泛关注，风能已成为世界上开发速度最快的一种新能源。我国风电产业的发展速度已超过世界平均发展速度，风力发电装备制造产业已成为社会发展的需要，风力发电技术在近二十年得到了迅猛发展[1-4]。直驱风力发电机由风轮直接驱动，没有齿轮箱及齿轮箱所引起的缺陷故障，因而具有高可靠性。湘潭电机已成功开发研制了 XE72 22.5RPM 2MW、XE82 19RPM 2MW、XE93 17RPM 2MW、XE93 18RPM 2.5M、XE115 18RPM 5M等系列直驱永磁风力发电机，由于永磁材料价格急遽上涨以及国家对稀土的调控，使得永磁直驱式风力发电机的成本居高不下，生产成本面临极大压力。近年来越来越多的风电研发者开始关注电励磁直驱同步风力发电机，与永磁直驱发电机相比，同步发电机采用直流电线圈可控励磁，可以对发电机电压进行调控，发电电能品质好，功率因数可调，不仅能输出有功功率还能输出无功功率，功率因数可达到1，更主要的是可以避免采用昂贵的稀土钕铁硼磁钢，达到节约成本的目的。

与永磁直驱发电机相比，电励磁的缺点在于碳刷滑环以及磁极线圈复杂，需要定期维护，与同功率同转速永磁电机相比较重，发电机效率低。湘潭电机已经在大型兆瓦级风力发电机设计和制造方面积累了丰富经验，其工艺和结构为 2MW 大功率低速电励磁发电机的研制提供很好的参考。该型发电机在设计上借鉴了直驱永磁发电机先进成熟的结构, 对转子结构重新进行设计，将电励磁转子代替永磁转子，同时运用先进设计及工艺制造方法，成功研制出 2MW 电励磁直驱同步风力发电机以达到降低风电成本要求。

1 电励磁同步发电机主要参数

2MW 电励磁直驱风力发电机的主要技术参数如下：

发电机型号：XE93 TFDD2000

额定功率：2180kW

额定电压：690V

额定转速：17 r/min

额定频率：8.5Hz

效率：93%

相数：3（接线方式双Y）

绝缘等级：F级(温升按B级考核)

冷却方式：IC40+强迫内风冷

海拔：1000m

防护等级：IP54

环境温度：-30～40℃

质量：74T

2 电励磁同步发电机的设计

2.1 设计原则

由于XE93 2MW TFYD2000直驱永磁风力发电机已经研制成功，XE93 2MW TFDD2000电励磁直驱风力发电机在XE93 2MW直驱永磁风力发电机基础上改进，通用定子、锥形支撑、轴承等，设计目标满足发电机输出功率，同时励磁功率要求最小化，发电机的性能指标接近永磁发电机，对XE93 2MW TFYD2000直驱永磁风力发电机转子进行重新设计，用励磁磁极代替永磁体。

2.2 单支撑结构

直驱风力发电机由于采用全功率变频器并网供电方式导致三相输出电压矢量和不为零，导致中性点电压不为零，这个电压称为共模电压，共模电压与转子耦合，产生转轴对地的脉冲电压。另外，由于分数槽磁路不对称也容易产生轴电压。转子轴电压一旦形成回路就会产生轴电流。 湘潭电机系列直驱风力发电机采用如下图1所示单支撑结构[5-6]，不会产生轴电流，避免了轴电流的危害。

图1 单支撑直驱风力发电机示意图

2.3 转子磁极设计

由于采用全功率变频器直流母线电压作为励磁电压，额定工况时励磁电压较高，发电机60极，极靴宽度空间受到限值，励磁磁极线圈采用多层多排结构，电磁线采用漆包线，线圈直接绕在铁芯上，无阻尼绕组，转子整体VPI浸漆。磁极结构示意图见图2。

图2 多层多排励磁磁极结构示意图

2.4 通风冷却设计

相对XE93 2MW TFYD2000直驱永磁风力发电机XE93 2MW TFDD2000电励磁直驱风力发电机增加了约50kW励磁损耗，因此在XE93 2MW TFYD2000直驱永磁风力发电机上须改进电机冷却系统，以提高其散热能力。根据电磁计算的损耗进行温升计算，按照2m3/s风量，由机组内部空-空冷却器强迫循环风冷。大型电机的结构、电磁、散热互为影响，在初步电磁方案设计后进行电机散热计算，根据散热计算结果调整电磁方案，再根据电磁结果调整电机结构。采用成型产品可靠的结构及材料以保证可靠性，同时采用成熟设计手段和类比方法，努力做到一次试制成功。

3 仿真结果分析

用Maxwell电磁场有限元Ansoft软件对电励磁直驱风力发电机进行电磁场有限元仿真，建立 XE93 2MW TFDD2000三相同步发电机分析二维有限元模型，为节约求解时间，采用十二分之一模型。用Ansoft中的瞬态求解器对同步电动机模型进行求解可以得到发电机相关性能曲线及磁力线分布图、磁密分布云图等。

图3是空载励磁电流55A时磁力线分布图，空载时，同步电动机功率角接近零，磁力线以极身为对称分布。

图3 空载时磁力线分布图

在设计同步发电机时，通常使额定电压时的磁通量位于磁化曲线开始弯曲的部分，同步发电机在额定运行点都有一定程度的饱和。如果取额定电压时的磁通量在直线部分，则说明磁路不饱和，此时铁心没有得到充分利用。同时，励磁电流稍有变化，就会引起电势和端电压的较大变动。另一方面，如果电机的额定工况工作在磁路过于饱和之处，要得到额定电压就需要较多的励磁磁势，这样用铜量以及电机的铜耗都将增加。利用 Maxwell 2D的瞬态场对 XE93 2MW TFDD2000电励磁直驱风力发电机进行空载励磁分析，求解饱和系数。把发电机励磁电流定义为变量，进行参数化扫描分析，得到反电势与励磁电流曲线，如图4所示。

图4 空载励磁电流与反电势

图5是在额定工况下励磁电流72A时磁密分布云图，额定负载时，同步电动机功角60度，磁密在极靴肩部有饱和。

图5 负载时磁密分布图

4 型式试验结果及应用情况

试验方案由两台XE93 2MW TFDD2000电励磁直驱风力发电机背靠背进行试验，拖动机通过联轴器拖动发电机到额定转速，发电机发出电功率通过逆变器回馈到电网，由于发电机为 S1工作制，过载倍数为1.15，温升试验采用拖动机等效电流法。图7为2MW直驱发电机背靠背型试试验。

图6 电励磁直驱风力发电机背靠背型试试验

空载特性是同步发电机的基本特性之一。通过空载特性可以判断电机磁路的设计是否合理，判断电机磁路的饱和趋势及电机输出电压的能力[7-8]。图7是由电励磁直驱风力发电机空载特性曲线，发电机定子开路，在额定转速 17转/分下不同励磁电流下测得发电机端电压，描点绘制的曲线。图中空载励磁电流52A对应反电势约690V，空载励磁电流线性部分延长线与690V交点约为 45A，发电机磁路饱和系数为 1.16，表明电机磁路设计合理。

图7 空载特性曲线

表1 发电机主要参数试验结果对比

从表1可以看出，2MW电励磁直驱发电机样机各项性能指标达到了设计预期，XE93 2MW TFDD2000电励磁直驱风力发电机样机研制取得了成功。样机研制成功后，后续批量投产了近50台。

5 结语

直驱式电励磁风力发电机的开发可避免稀土材料价格的上涨对永磁风力发电机原材料成本造成的极大压力，可以规避市场潜在风险，提高产品的市场竞争力。通过 2MW 电励磁直驱同步风力发电机产品开发的实施，不仅拓宽了湘电风电产业的产品类型，而且保证了在风电市场的价格优势，稳固了市场竞争力。同时，该类型自主创新的产品，具有独立的知识产权，在技术先进性上与国外同类产品相当，在国家鼓励发展风电行业的大背景下，湘电集团通过研制 2MW 电励磁风力发电机，将掌握此种电机的设计、生产、工艺、制造等实际经验，培养和锻炼风电行业的技术和管理人才，将促进我国风力发电机行业朝多样化、新型化方向迅速发展，为我国风电行业做出更大贡献。还可促进我国绿色可再生能源事业，减小二氧化碳排放量，为国民经济可持续发展做出贡献。

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