SCD 3.0MW大功率两叶片风力发电机优化

胡彦君， 史 波

SCD 3.0MW大功率两叶片风力发电机优化

胡彦君， 史 波

（华电新疆发电有限公司新能源分公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

华冉风场使用的SCD 3.0MW大功率两叶片风力发电机，在投产后无法达到设计功率，并且发电机绕组温度偏高，夏季绕组温度影响机组出力或造成机组停机现象频发。为提高机组可靠性，增加机组出力。对SCD 3.0MW发电机进行优化。优化内容包括定子线圈及转子磁体、磁轭优化。优化后机组额定输出功率提升300-400kW,绕组温度稳定在80-90℃，达到预期效果，推动了大功率两叶片风机发展与成熟。

发电机； 功率； 线圈； 永磁体； 磁轭

0 引言

近年来，世界风电行业在快速发展。在国家相关政策的大力支持下，国内风电发展更是迅猛，2010年中国已超过美国，累计装机容量跃居全球第一。风电机组单机容量已经从早期的数百kW到现在的3.0MW和6.0MW等大功率机型。并网型风力发电机系统从最初的小功率异步发电机到兆瓦级的双馈型感应发电机、永磁励磁发电机等。其中，永磁发电机因其体积小、重量轻、效率高而逐渐成为主流机型。根据有无齿轮箱以及增速比不同，还可分为直驱型、半直驱型和高速型永磁发电机等多种类型。华冉风场使用的SCD 3.0MW发电机组结合了永磁同步发电机和半直驱传动齿轮箱的结构优势，成为了国内首个采用两叶片、半直驱、永磁同步发电机的机型。因此SCD3.0MW机型的投产使用及后续的优化在国内外都具有开创意义。

1 SCD 3.0MW发电机简介

1.1 SCD 3.0MW风机整体介绍

SCD 3.0MW风力发电机组采用两叶片、上风向，水平轴技术。其能量传递的通路是：通过叶轮捕获风能并转换成旋转的机械能，经变比为1:24的两级行星齿轮增速，驱动一个中速同步永磁发电机，将机械能转换成为变压、变频的电能。发电机发出的变压、变频的电能无法直接并网送到公用电网，需要通过一套全功率变频器，实现电能的变换和高质量的并网、输送。同时还通过数据采集系统对流体、机械、电气等参数进行测控处理，进行变桨、偏航和通讯等。

1.2 永磁同步发电机组

永磁发电机与大电网中的发电机属同一类型，是一种同步发电机。不同的是，它用永磁体替代普通发电机的励磁，省去电刷滑环，结构简单可靠，同时也节约了励磁功率，提高了发电机效率。但是由于风电机转速随风力大小而变化，因而无法直接并网使用。

与双馈风机相比，它可以运行在较宽的速度范围，易于实现大范围的最佳尖速比控制。一般双馈机发电机的发电机速度在1080-1750rPm，调速范围162%，而华冉项目使用的永磁发电机通常可以在130-410rPm运行，调速范围可达315%，更宽的速度调节范围提高了叶片的低风速效率，提高了风能利用率。

与直驱永磁相比，由于其速度高，需要的体积较小，使用的永磁体较少。根据电机的尺寸、转速与功率的关系：

P∝BlD2n （1）式中 P—发电机功率，kW；B—气隙磁感应强度，T；l—电机轴向长度，mm；D—电机气隙直径，mm；n—电机转速，r/min。

可见，在B一定情况下，电机的体积与速度成反比，而永磁发电机的B一般在0.7-0.9T，相比直驱发电机的十多转/分的n，华冉项目使用的发电机410rPm，是直驱的30来倍，因而具有相对小的尺寸和重量，特别是节约了昂贵的钕铁硼永磁体的耗量。

半直驱型风机的的齿轮箱因增速比小而简单，实现了整机尺寸、重量和成本的一个优化折中。综合分析，华冉项目的发电机具有如下特点：

（1）体积小，重量轻

（2）效率高，节能效果显著

（3）电压波形质量好

（4）电机过载能力强，适合于恶劣环境。

（5）无电刷，结构简单，可靠性高，使用寿命长。

（6）电磁干扰小，电磁兼容性好。

2 SCD 3.0MW风机优化立项

2.1 SCD 3.0MW风机发电机介绍

SCD 3.0MW风力发电机组永磁同步发电机由定子和转子两部分组成，转子采用永磁体励磁方式，定子绕组铁芯嵌套在定子外壳内，永磁体安装在转子磁轭上。发电机额定功率输出为3110kW，定子双绕组输出，转速范围270.5-458.4rPm，冷却方式采用水冷。

2.2 SCD 3.0MW风机优化背景

通过长时间对SCD 3.0MW机组运行数据统计与分析，发现机组发电机额定功率不满足设计要求，经过试验台多次试验，找出了发电机额定功率偏低、绕组温度高的原因。主要为：原设计定子电流密度偏大（大于3A/mm2），定子绕组每匝导线长度偏长（2210mm），造成定子铜损较高，发电机的输出功率3125kW，机组上网功率3013kW（环境温度18℃，转速410rPm），换算成（环境温度40℃，转速410rPm）时，发电机输出功率2993kW，机组上网功率2880kW。现场运行中，受多种因素影响机组额定功率平均在2550kW左右，达不到设计要求。

同时，原设计磁体采用极靴间相互切点互顶的方式进行固定，由于安装难度大，不能完全保证磁极处于同一直线上，造成级与级之间出现偏差、发电机谐波畸变率差，进而出现磁暴现象。为防止磁体脱落，原设计磁体表面加装1.2mm的不锈钢外壳，易产生涡流致使发电机绕组温度升高。现场设定发电机绕组温度报警值为110℃，停机值为120℃，当绕组温度达到110℃时，为保护发电机，风机切入到限功率运行状态，严重影响机组出力。

图1 优化前发电机功率曲线（40天）

图2 原设计发电机极靴安装示意图

为了防止磁体脱落，原设计磁体表面加装了3mm厚的不锈钢外壳，致使磁钢本体在齿槽作用下产生涡流发热，温升严重，发电机不能达到饱和点。为提高设备稳定性，提升效益，对SCD 3.0MW发电机进行了全方面优化。

3 SCD 3.0MW发电机优化分析

3.1 优化简要分析

根据发电机原理，发电端输出功率与电压公式为：

U=E-I（R+jXs）（2）

P=UI cosφ

式中 I—发电机定子电流，A；

Xs—发电机漏电抗，Ω；

j—虚数；

E—内电势，V；

R—内电阻，Ω；

U—发电机输出电压，V。

发电机输出电压，即与内电势E有关，也与内阻抗有关。发电机从冷态到额定功率长时间运行的热态，绕组发热，内电阻R会显著变大，温度越高电阻越大，这是造成电压跌落的一个原因。Xs在一般情况下不变，但是随着内部温度增高，磁回路受热影响，参数发生了变化，Xs也会变化，具体表现在横轴磁场的影响造成横轴漏感增加，等效的Xs也增加，电压U降低。

在风机获得的功率不变的情况下，功率P不变，功率因数近似为1，U降低会引起I增加，从而U进一步降低。在高温下运行的磁体，磁源会减弱，同时，磁回路里的铸铁、铸钢等的导磁系数也会降低，综合引发端电压降低，为了输出功率不变，定子电流会加大，引起更多的发热，从而引发恶性循环。因此改善散热、降低内阻是主要的手段。

为解决此问题，对电机采取的优化措施主要有：1）优化定子结构；2）优化转子磁体固定方式及磁轭。

3.2 定子优化

定子优化内容主要有以下几个方面：

（1）优化绝缘结构，将线圈电磁线绝缘层减薄，由0.3mm减薄到0.1mm，为增加导线截面让出位置。

（2）将线圈电磁线截面增加，由6×2.24×2增加到12×2.44×1，截面积由13.08×2=26.16mm2增加到29.1mm2。

原设计线圈绕制采用：6×2.24×2×3，6根并绕，其截面积：13.08×6=78.48mm2。

优化后线圈绕制采用：12×2.44×3，3根并绕，其截面积：29.1×3=87.3mm2。

优化后每把线圈增加的截面：87.3-78.48=8.82mm2。

（3）定子绕组每匝导线长度原设计：2210mm。

优化后定子绕组每匝导线长度：2210×0.95=2100mm。

（4）经过增加线圈导线截面、减短绕组导线每匝长度。

发电机每相对Y的中性点直流电阻值：

式中 R—直流电阻，Ω；

ρ—电阻率，Ω·m；

L—绕组长度，m；

S—绕组截面积，m2。

原设计R=ρL/S=0.001230Ω优化后R=ρL/S=0.001052Ω

发电机的直流电阻优化后比原设计降低了约10%，铜损PcU=I2R计算公式可知，发电机的铜损也相应降低约10%。而发热。将原设计磁极由不锈钢外壳固定，改为磁钢直接粘贴在极靴上，用3240绝缘板做切向保护板，并对磁钢的每一部位都设计限定加工标准，以便于对磁钢位置、表面完整度进行检测。同时对磁块进行超常固化处理，即对粘贴到极靴上的磁块电镀处理，并在磁块之间中性填充。

表1 定子优化参数

磁块的改进目的在于降低发电机绕组温升饱和点，降低因涡流损耗产生不必要的热量，使发电机在一个良好的温度环境下运行，防止温度过高造成永磁体退磁等现象，提高运行稳定性和可靠性。

（2）转子磁轭优化。增加磁轭安装定位筋，使磁极对处于同一条直线，有效降低谐波畸变率和产生磁暴几率，每台机组可以节约磁钢100kg以上。转子整体采用0.2mm无纬带绑缚，10层缠绕，以固定磁极，无纬带烘干后厚度约为1.5mm，可承受拉力60-80N·M。实践证明用无纬带强度高、比重小、能有效的克服电机运行时绕组所产生的电磁力和离心力；无纬带箍能增加绕组爬电距离、减少绕组端部漏磁改善了电性能；简化了加工制造工艺，由于无纬带箍表面光滑改善了转子防潮、防污和清理条件等优点，从而提高了点击运行的可靠性。

（5）增加机包线圈匝间绝缘层工艺，由边包边绕机完成线圈的绕制，可提高匝间绝缘、对地绝缘，使发电机运行更安全。

（6）重新调整槽内绝缘结构，嵌线过程中槽内填充膨胀绝缘材料（如热膨胀玻璃毡），防止线圈震动。

通过对定子优化，减少导线长度、提高导线截面积，降低发电机内阻。

3.3 转子优化

（1）转子磁体优化。原设计为防止磁体脱落磁体表面加装1.2mm不锈钢外壳，磁体在安装过程中，磁钢粘贴位置、几何尺寸把握不够精确，扣上金属盖后又无法检测判定，造成磁场偏移，使定子产生环流损耗

图3 无纬带缠绕

图4 机组发电机优化后功率曲线

%月份1月2月3月4月 5月 6月7月8月 9月 10月11月12月 占全年年份 时间比重2014年 41.0631.8939.0442.78 29.04 20.9626.2625.87 20.57 16.5912.48.32 25.49 2015年 10.01 24.0335.4529.4 38.39 22.0427.7536.9 42.96 40.0430.0842.49 31.62

4 SCD 3.0MW风机优化成果

华冉项目使用的发电机在投运后，由于工作环境与设计不同，造成实际功率偏低，如图1所示。

针对此问题，华冉风场携手厂家开展发电机的优化显目，优化后的功率曲线如图4所示，发电机输出功率达到了设计要求。

由于华冉项目所用风电机组的液压油冷却与发电机冷却共用，发电机绕组温升下降，液压油的温度也得以控制，避免了长期高温造成油液使用寿命降低。同时，发电机优化后，绕组温度较优化前降低30℃，提高了机组可利用率。

利用2013、2014年风频分布及优化后功率曲线计算得出，发电机优化后年发电量增加1887万kWh。同时机组可靠性及发电机安全性能显著提升。

通过统计，达到额定风速的时间约占全年时长的28.55%。SCD3.0MW风力发电机组优化后，在额定风速内提升功率约450kW。据此可推算出优化后电量提升。

单台机组全年提升发电量：

450×360×24×28.55%=1110024kWh=111万kWh

全场17台机组年提升发电量：

111×17=1887万kWh

5 结语

通过对SCD 3.0MW风机发电机结构的研究，结合试验台分析数据，找出了之前发电机不能满发、绕组温度高等问题的原因，是由于发电机定子结构以及转子的磁体固定方式造成。为提高风电机组出力，保证人员及设备安全稳定，华冉风场对SCD3.0风机发电机定子绕组、转子磁体、磁轭进行了一系列优化。优化后，年发电量可增加1887万kWh，机组出力满足设计要求，机组的可靠性及安全性能得到显著提升。

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[3]任永峰.双馈式风力发电机组柔性并网运行与控制[M].1版.机械工业出版社，2011.

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[5]杨校生.风力发电技术与风电场工程 [M].北京：化学工业出版社,2012.

Optimization of the SCD 3.0MW High-power Double-blades Wind Turbine Generator

HU Yan-jun，SHI Bo

（The NER Branch of CHD Xinjiang Power Company Limited.Urumchi 830000，China）

The SCD 3.0MW high power double-blades wind-turbine generator（WTG）utilized in Huaran field,cannot meet the designed power on production,moreover，output was affected and frequent shutdown happened in summer for the high temperature of windings.In order to improve the reliability and increase WTG output，we optimized the SCD3.0MW generator，including stator winding optimization and rotator magnet，magnetic yoke optimization.It proves that the optimization has brought the expected results with rated output power increasing by 300 to 400 KW and the temperature of windings standing at 80 to90℃，thereby pushes the development of high power double-blades wind-turbine generator.

generator； power； winding； magnet； magnetic yoke

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.04.011

TM315

B

2095-3429（2017）04-0047-05

胡彦君（1992-），男，甘肃人；

史 波（1977-），男，新疆人，学士，工程师。

2017-03-28

修回日期：2017-08-23