一种双馈风力发电机的电磁设计方法研究

谭 勇

(哈尔滨电机厂有限责任公司,黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

在众多新型可再生能源中,风能分布广泛,最具有大规模开发和商业化发展前景。随着风力发电技术不断完善和进步,单机容量不断扩大,新方案新技术不断涌现。目前,国内外1.5～3MW双馈风力发电机的设计和制造技术十分成熟,然而随着双馈风力发电系统在市场上装机容量的增加,单机容量扩大成为当前双馈风力发电技术的瓶颈。因此,对大型双馈风力发电机的设计进行研究具有十分重要的意义。本文在1.5MW、2MW和3MW系列双馈风力发电机开发基础上,详细分析了双馈风力发电机的运行原理和其能量转换关系[1、2],参考大中型异步电机的电磁设计程序,利用等效磁路法结合以定子电流为基准以功率校核计算为准则的方法设计了一台额定功率5.85MW,4极,额定转速1770r/min的双馈风力发电机,绘制了其在额定工况下的运行特性曲线。并将设计结果和发电机试验测试数据进行了对比分析和总结,说明了该设计方法的合理性和可靠性。

1 双馈风力发电机的运行分析

1.1 运行原理

双馈风力发电机的定、转子都可以传输电能。定子通过变压器直接并入电网,转子通过变频器和变压器再连接到电网,通过集电环和电刷,既可从电网吸收能量也可向电网输送能量。运行时电机定子通过工频f1的三相对称电流,产生转速为n1的旋转磁场,即同步旋转磁场。转子通过频率为f2的三相对称电流,产生转速为n2的旋转磁场。定义电机转子转速为n,根据旋转电机机电能量转换原理,定子、转子旋转磁场必须相对静止才能产生恒定的平均电磁转矩,双馈风力发电机定、转子旋转磁场转速和转子转速关系为[1、2]

n1=n2+n

(1)

在风速变化时,通过改变转子频率f2可使电机定、转子旋转磁场速度始终保持恒定,实现变速恒频。

并网运行的交流励磁双馈风力发电机主要有以下特点。

(1)双馈风力发电机在实际运行时,风速的变化范围很宽,风力机的功率输出特性决定了双馈风力发电机的输出特性。即在额定转速以下进行最大风能捕获控制,额定风速以上对其采取恒功率控制。

(2)转子通过变频器与电网连接,网侧变流器主要负责并网控制和直流电容电压的稳定,转子侧变流器主要负责发电机的励磁控制[3～6]。在风速变化时,通过改变转子频率f2可使定子频率f1不变,实现系统的变速恒频。

(3)可以充分利用转子的动能,释放或吸收负荷,提高了电力系统的稳定性,并具有灵活的有功无功功率调节能力,与异步电机不同,可以根据电网的无功需求来进行无功功率的调节。双馈发电机定子侧电压恒为电网电压,运用矢量控制技术,调节电机转子电压或电流的幅值和相位,可实现有功和无功功率的解耦并控制。

(4)在能量转化关系上,电机转速n>n1时,电机超同步运行,定、转子同时输出能量;电机转速n

(5)双馈发电系统和电网是柔性系统,具有显著的优越性。通过风速变化即电机转速变化调节励磁,使电机在变速条件下使发电机的定子电压恒定,实现并网。并避免了并网时发生大的电流冲击和过大的电压波动。

1.2 稳态分析

本文定子侧采用发电机惯例,转子侧采用电动机惯例分析,双馈发电机的等效电路如图1所示,转子侧各量均已经折算到定子侧。

图1 双馈发电机的等效电路

根据等效电路得到双馈发电机电压电流方程为[7、8]

(2)

式中,s—转差率;U1,I1—定子电压和电流;U2,I2—转子电压和电流;E1—感应电动势;Im—励磁电流;X1δ,X2δ—定子、转子漏抗;Rm,Xm—激磁电阻和电抗。

忽略激磁电阻Rm,定义U1=U1<0°为参考量,I1=I1p+jI1q,I1p和I1q分别为定子电流有功分量和无功分量。记P1,Q1,P2,Q2为定、转子有功功率和无功功率;Pcu1、Pcu2为定、转子绕组铜耗;Q1δ、Q2δ、Qm为定、转子漏抗和励磁电抗的无功功率,结合式(2)则有

(3)

P1=3U1I1p

(4)

Q1=-3U1I1q

(5)

(6)

P2=s(3R1I12+3U1I1P)+3R2I22

=s(Pcu1+P1)+Pcu2

(7)

Q2=3sXmIm2+s(3X1δI12-3U1I1q)+3sX2δI22

=s(Q1+Q1δ+Qm)+Q2δ

(8)

2 双馈发电机的电磁设计

交流励磁双馈风力发电机结构上与绕线式异步电机类似,较异步电机多了集电环装置和转子接线箱;在能量传递关系上,则与传统电机有着很大的差异,双馈发电机是一个三端口网络,一是轴端的机械功率,一是定子侧电功率,另外还有转子侧电功率,因此电磁设计时除需参考异步电机的相关算法外,还应考虑其以下自身的设计特点。

2.1 额定值

双馈风力发电机功率输出是电机定子、转子共同出力的结果,为保证发电机在整个转速范围内正常运行,使电机热负荷特别是转子热负荷运行在合理的状态,合理地选择电机的额定值十分关键。

首先额定功率和额定转速的选择决定了电机定、转子电流的最大值,关系到电机本身的优化设计和最大输出能力;其次额定功率和转速的选择要与风力机出力和特性相匹配,双馈风力发电机产生额定输出功率时的最低风速,为额定转速;再者就是要考虑转子变频器与电机参数的匹配,应合理匹配机组与变频器容量,选择转速运行范围,这样可节约变频器的容量,降低电机的设计成本,另一方面可提升整个机组的运行效率。

2.2 主要尺寸确定

气隙、定子内径及铁心长度是电机的主要尺寸,同时电磁负荷的选择对电机的主要尺寸影响很大,选择合理的电磁负荷可以节省材料,降低电机设计成本,一般可参考同类异步电机生产的经验数据。

双馈发电机主要尺寸设计和绕线型异步电机类似,可按下式计算[9、10]

(9)

事实上电机的额定值选择主要基于风力机的输出特性,因此计算功率P′一般按下式计算

(10)

式中,sN—额定转速时的转差率;kε—额定转速时的电势系数;PN—额定功率;cosφ1N—定子功率因数。

气隙主要决定于定子内径、轴径和轴承间距,气隙尺寸可完全参照绕线型异步电机的气隙,根据制造工艺水平设计。减小气隙可降低电机的励磁电流和励磁容量,但不能太小。气隙过小,除影响机械可靠性,因齿谐波所产生的附加铁耗将会增大,使温升增加,并产生较大噪声。

2.3 电势系数的选择

电势系数的计算公式为

(11)

双馈发电机电势系数在设计时应符合发电机惯例,异步电动机的感应电势E1U1,且电势系数会随转速的变化而变化,一般在额定转速时,电势系数kε取值在1.03～1.16左右。

2.4 绕组设计和开路电压

绕组设计和开路电压的设计十分重要,其直接关系到最终转子电压电流和变频器配置等一系列问题。转子开路电压的大小直接影响到转子电压电流的大小,在设计时务必满足,电机定、转子绕组的有效串联匝数比ku须满足下式

(12)

式中,E2o—转子开路电压,所以开路电压和定子电压等级,直接决定了电机绕组的设计。

双馈发电机的绕组设计一般定子采用双层叠绕组,转子采用双层波绕组,为了减小转子齿谐波对电机性能的影响,转子线圈一般设计成半匝式,转子铁心槽口一般为半开口,甚至不开口。

另外在进行转子绕组设计时,应合理选择转子绕组的布置形式,考虑转子出线及与集电环的连接问题,并考虑其端部和引线的支撑和固定等问题。

2.5 转子电压和电流的计算

转子电压电流直接关系到电机变频器参数的选择和匹配。双馈风力发电机的控制是通过调节转子电压或电流的频率、幅值和相位实现的,通过转子可灵活控制调节双馈发电机有功和无功功率的输出。根据双馈发电机的电压电流方程[8]

(13)

(14)

式中,X1=Xm+X1δ,X1=Xm+X1δ—定、转子电抗;a=(sR1X2+R2X1)/Xm,b=(sR1X2+R2X1-sX1δXm)/Xm,c=sX2/Xm,d=-R2/Xm—系数a、b、c、d。

上式转子电压、转子电流为电机转子侧归算到定子侧的值,转子电压、电流的实际值为

(15)

(16)

2.6 有功功率校核与电磁设计

大型双馈风力发电机电磁设计在磁路计算上与异步电机基本一致,电势系数的计算需要采用发电机惯例,而在其性能计算时,需结合双馈风发电机其自身的特点,因此双馈发电机在电磁设计时同样有三个叠代过程。

双馈发电机的在能量关系上是一个三端口网络,输出功率为定、转子共同的出力,其转子量未知,因此需要采用有功功率校核爹代的计算方法,进行电机性能的计算。记总输出功率为PZ,有

PZ=P1-P2

(17)

电机有功功率的校核计算一般以定子电流有功分量I1p为基准量进行计算[6～11],定子电流有功分量I1p的初始值根据定子功率给定值算出,根据双馈发电机的能量流动关系,经叠代计算得到准确值。即运用等效磁路法,以定子电流为基准,根据等效电路电压电流方程叠代计算电机的有功功率输出。

在电机饱和系数,有功功率和电势系数准确值确定后,进而可计算出定子电流,转子电压和电流,定、转子有功功率和无功功率、电磁负荷等参量的准确值,确定电机的输出特性。

3 运行特性和试验对比分析

在详细分析双馈风力发电机运行特性和电磁设计特点的基础上,参考大型绕线型异步电机电磁设计程序,根据其能量转换关系,运用等效磁路法编制了双馈发电机的电磁设计程序。对5.85MW的双馈风力发电机进行了电磁设计计算,绘制了其在额定功率因数下运行时的电机特性曲线,如图2、图3、图4、图5所示。5.85MW双馈风力发电机基本设计参数为:额定功率为5.85MW,定子额定电压为1140V,4极,额定转速1770r/min,额定功率因数为1,转速范围1000～2015r/min,效率 97%,环境温度为-30℃～50℃,工作制为S1。

图2 有功功率和转速变化的关系曲线

图3 定转子电流和转速变化的关系曲线

图4 转子电压和转速变化的关系曲线

图5 转子输出和转速变化关系曲线

图2为电机有功功率随转速变化的关系曲线,从曲线可以看出,双馈发电机的转子参与了整个系统的能量转换。在同步转速以下,定子发出功率,转子吸收功率;在同步转速以上,定子发出功率,转子向电网输出电能;而在同步转速时,只有定子输出电能,转子只提供直流励磁。上述三种状况下风力机输入的机械能始终与定转子有功功率的输出保持平衡。

图3为电机定、转子电流随转速变化的关系曲线,曲线说明发电机额定转速选择的重要性,其直接影响到风力发电机在整个转速范围的正常运行。

从曲线可以看出,在额定转速时,发电机的定子、转子电流都达到最大值,从根本上这是风力机的输出特性决定的。当电机运行转速低于额定转速时,随着转速的增加,定、转子电流不断增加;当电机运行转速大于额定转速时,随着转速的增加,定、转子电流不断减小。

图4为电机转子电压随转速变化的关系曲线,转子电压的大小由转差率的大小和转子开路电压的大小决定。当双馈发电机运行于同步转速时,转子电压相当于同步发电机的直流励磁,达到最小值。

转速不变时,转子电压的大小主要由转子开口电压的大小决定,同时也说明了开口电压等级选择和设计对电机运行的决定性影响。

图5为电机转子输出随转速变化的关系曲线,曲线说明风力发电机转子容量随转差率绝对值的的增大而增大,在同步转速点达到最小值,此时电机转子相当于同步电机的直流励磁,这对励磁容量的选择和匹配十分重要。同时也说明在超同步或次同步转速运行时,双馈发电机的转子亦参加了整个系统的能量转换。

将发电机在额定工况下设计值和试验数据进行对比,见表1。

表1 额定工况下设计值和实测值对比

通过设计值和试验实测值对比分析,可以得出:(1)在结构上,双馈发电机与异步发电机基本相同;从其能量转换关系上看,双馈发电机是一个三端口网络,既不同于同步发电机又不同于异步电机。(2)双馈发电机在电磁设计时,应选择合理的额定值和电机尺寸,保证电机能在整个转速范围内正常运行。(3)双馈发电机转子开路电压等级的选择和设计对转子电压、电流和变频器匹配影响非常大,关系到电机整个方案的可行性。(4)参照大中型异步电机的磁路计算进行双馈发电机的磁路计算,是可行的。(5)双馈发电机在结构和电磁关系上与异步电机非常相似,通过异步电机进行双馈发电机各方参数的计算亦非常匹配。(6)本质上双馈发电机仍是一种异步电机,等效磁路法结合以定子电流为基准以功率校核计算为准则的方法进行双馈发电机的设计,可以得到很好的应用保证。

4 结语

本文在异步电动机的电磁设计程序基础上,根据双馈发电机的运行原理和能量关系,对双馈发电机的电磁设计方法进行了探讨,总结了双馈风力发电机的电磁设计特点,利用等效磁路法,结合以定子电流为基准以功率核算准则的方法,编制了双馈风力发电机的电磁设计程序。对一台5.85MW双馈风力发电机进行了电磁设计计算,通过运行特性分析和与试验数据对比可以看出,设计值与实测值十分相近。说明了该设计思想和设计方法的可行性和可靠性,为工程设计应用和实践提供了参考和依据。