高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)解析

邵平安

(南車株洲電機(jī)有限公司，湖南株州 412001)

0 引言

隨著內(nèi)蒙、新疆、沿海等地方優(yōu)良風(fēng)資源的不斷開發(fā)，普通海拔可用的優(yōu)良風(fēng)資源越來越少，為了尋求風(fēng)機(jī)的持續(xù)發(fā)展，須突破原有的風(fēng)場(chǎng)開發(fā)思路，一是將風(fēng)機(jī)從普通海拔轉(zhuǎn)移到風(fēng)速相對(duì)好的高海拔上，二是將風(fēng)機(jī)從普通海拔轉(zhuǎn)移到風(fēng)速相對(duì)好的海上，另外也可以采用高效能的永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)替代現(xiàn)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)的方法。海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還不夠成熟，且基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用很高，目前還不便于大量推廣;永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)和超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制造成本很高，主要適合大功率風(fēng)機(jī)機(jī)組開發(fā);高海拔風(fēng)機(jī)可充分利用目前沒開發(fā)的盲區(qū)進(jìn)行開發(fā)，基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用相對(duì)低些，機(jī)組技術(shù)可直接移植普通海拔風(fēng)機(jī)機(jī)組技術(shù)，風(fēng)險(xiǎn)小，便于馬上投產(chǎn)，適合大批量推廣。

高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用剛剛起步，且有很好的市場(chǎng)前景，通過對(duì)高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)解析的分析及750 kW高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用，為以后不同海拔的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開發(fā)提供了借鑒意義。

1 設(shè)計(jì)概述及原則

高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)相對(duì)普通海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要是外部環(huán)境(空氣稀薄、氣壓低、散熱能力差、熱輻射作用強(qiáng)、晝夜溫差大)發(fā)生了變化，從而因外部環(huán)境條件的變化帶來了以下幾個(gè)問題［1］:

(1)電機(jī)的絕緣應(yīng)修正，包括電氣間隙、絕緣強(qiáng)度和防電暈?zāi)芰?

(2)電機(jī)的溫升應(yīng)修正;

(3)絕緣與金屬結(jié)構(gòu)件的抗低溫性和冷熱沖擊;

(4)電機(jī)外部防護(hù)涂層的抗紫外線、風(fēng)沙腐蝕能力;

(5)結(jié)構(gòu)件、絕緣材料的耐低溫性能。

1.1 電氣間隙和爬電距離修正

對(duì)應(yīng)海拔高度的電氣絕緣距離滿足式(1):

LH——海拔H下的電氣絕緣距離;

L0——標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下的電氣絕緣距離;

K2——接線盒內(nèi)部接線柱電氣距離放大系數(shù);

H——風(fēng)電安裝地點(diǎn)的海拔高;

t——風(fēng)電安裝地點(diǎn)最高氣溫。

1.2 對(duì)地耐壓值的修正

高于2 000 m的設(shè)備，工頻耐受電壓值和沖擊耐受電壓值應(yīng)符合常規(guī)型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，在產(chǎn)品使用地點(diǎn)海拔和試驗(yàn)地點(diǎn)海拔不同時(shí)，試驗(yàn)電壓值應(yīng)乘以修正系數(shù)，修正系數(shù)值參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T20645—2006的要求。

海拔在1 000～4 000 m地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其工頻試驗(yàn)電壓UH與海拔高度的關(guān)系為

式中:U0——標(biāo)準(zhǔn)額定試驗(yàn)電壓;

Ka——海拔修正系數(shù);

H——風(fēng)電設(shè)備安裝海拔高度。

高海拔發(fā)電機(jī)在低海拔地區(qū)進(jìn)行對(duì)地耐壓檢查時(shí)，試驗(yàn)電壓為正常電壓的Ka倍。

1.3 起暈電壓的修正

(1)電機(jī)繞組起暈電壓與氣體密度(即氣壓)有直接關(guān)系。

(2)在海拔1 km以上、5 km以下，氣壓與海拔高度關(guān)系為

p=101.3 × 103e－0.121H

式中:p——大氣壓;

H——海拔高。

(3)隨著海拔上升，氣壓下降，電機(jī)繞組起暈電壓也隨之下降。

(4)起暈電壓與大氣壓關(guān)系為

式中:p——風(fēng)電安裝地點(diǎn)海拔H的氣壓;

t——安裝點(diǎn)最高氣溫;

UKH——海拔H時(shí)電機(jī)起暈電壓;

UK0——標(biāo)準(zhǔn)氣壓下電機(jī)起暈電壓。

(5)試驗(yàn)證明，海拔每上升100 m，起暈電壓將下降0.47% ～1.04%，平均下降約0.79%。

(6)電機(jī)繞組的防暈應(yīng)按照計(jì)算值UKH放大至UK0。

目前的異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)屬于低壓電機(jī)范疇，由于工作電壓低，在正常試驗(yàn)電壓下一般不會(huì)起暈。另外，將繞組對(duì)地絕緣改用耐電暈性能優(yōu)良的材料，也可以進(jìn)一步提高繞組的起暈電壓。

1.4 電機(jī)溫升的修正

隨著海拔高度的增加，空氣密度的降低會(huì)引起空氣冷卻效果的降低，造成發(fā)電機(jī)散熱能力降低，繞組溫升會(huì)增加，按昆明電器科學(xué)研究所驗(yàn)證，海拔高度每升高1 000 m，按電機(jī)的溫升提高10%進(jìn)行計(jì)算，工作在4 000 m海拔地區(qū)時(shí)，發(fā)電機(jī)溫升將提高約30 K［2］。再按標(biāo)準(zhǔn)GB/T20645《特殊環(huán)境條件高原用電器技術(shù)要求》，環(huán)境溫度隨海拔的升高而降低，對(duì)電機(jī)溫升遞增有一定的補(bǔ)償作用，所以實(shí)際電機(jī)的溫升增加不會(huì)太大。

1.5 結(jié)構(gòu)件抗寒及紫外線性

由于高海拔地區(qū)外部環(huán)境溫度低，晝夜溫差大，所以機(jī)座、端蓋、軸承蓋、轉(zhuǎn)軸等選擇抗低溫性能好的材料。

轉(zhuǎn)軸推薦采用與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主軸相同或更高級(jí)的抗低溫性能材料。表1是兩種常用抗低溫的轉(zhuǎn)軸材料的機(jī)械性能對(duì)照表。

表1 兩種常用抗低溫的轉(zhuǎn)軸材料的機(jī)械性能對(duì)照表

從表1的數(shù)據(jù)來看，34CrNiMo6和34CrMo的低溫沖擊功性能好，可作為高海拔風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸材料。

整機(jī)外殼涂層采用的底漆、膩?zhàn)?、中涂漆和色漆須進(jìn)行耐低溫冷凍性能的測(cè)定，測(cè)得沖擊性能和附著力應(yīng)滿足GB1732和GB9286的要求，漆膜表面無氣泡、脫落和開裂現(xiàn)象;且通過原化試驗(yàn)，試驗(yàn)后防腐層的光澤度和色差均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 電磁方案設(shè)計(jì)

相對(duì)普通海拔風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和性能參數(shù)數(shù)據(jù)，應(yīng)將上述修正數(shù)值考慮進(jìn)去，特別是溫升的修正值，以保證高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)在高海拔的環(huán)境條件下能長期運(yùn)行。電磁方案設(shè)計(jì)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)根據(jù)以往相似類型發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，合理選擇高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槽配合、鐵心長度、齒槽比等結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

(2)合理選擇通風(fēng)結(jié)構(gòu)，以充分提高發(fā)電機(jī)效率和可靠性。

(3)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮高原特殊環(huán)境下的絕緣和散熱問題，以及西北地區(qū)的風(fēng)沙及鹽灘地區(qū)的潮濕、鹽蝕等自然條件的影響。

(4)發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)必須充分考慮風(fēng)機(jī)的安裝、運(yùn)行特點(diǎn)(如風(fēng)的不可控性、隨機(jī)性，有時(shí)瞬時(shí)變化可達(dá)10 m/s以上)。發(fā)電機(jī)處于負(fù)載不穩(wěn)定狀態(tài)，隨風(fēng)速變化機(jī)組負(fù)載存在波動(dòng)，產(chǎn)生晃動(dòng);還應(yīng)考慮頻繁的切入和切出及振動(dòng)的影響，考慮風(fēng)機(jī)運(yùn)行中所受的各類載荷(穩(wěn)定、周期、隨機(jī)、瞬態(tài)、諧振載荷)，以滿足現(xiàn)場(chǎng)使用要求。

(5)軸承潤滑脂的選用應(yīng)滿足電機(jī)軸承的工況要求和長期運(yùn)行的需要并經(jīng)需方認(rèn)可。潤滑脂應(yīng)具有良好的耐候性，在－40℃低溫下不會(huì)出現(xiàn)黏度增加，甚至冷凝凍結(jié)，影響產(chǎn)品起動(dòng)性能的現(xiàn)象。

(6)發(fā)電機(jī)基本屬于低電壓大電流電機(jī)，設(shè)計(jì)中須考慮定子線圈制造、嵌線、并頭等工藝性，減少生產(chǎn)制造難度。

(7)風(fēng)機(jī)普遍采用發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)，起動(dòng)電流大，設(shè)計(jì)中須滿足起動(dòng)電流倍數(shù)要求。

3 溫升計(jì)算方案設(shè)計(jì)

為保證所設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)能在高海拔條件下長期可靠的運(yùn)行，除保證發(fā)電機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行等性能滿足用戶要求外，特別要求發(fā)電機(jī)的溫升控制在絕緣材料允許的壽命內(nèi)。但是，因試驗(yàn)條件的限制(試驗(yàn)設(shè)備一般在普通海拔的工廠內(nèi))，發(fā)電機(jī)一般只能在普通海拔的條件下進(jìn)行試驗(yàn)，這就要根據(jù)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推算出普通海拔下的溫升試驗(yàn)值折算到對(duì)應(yīng)高海拔條件的溫升值，從而保證發(fā)電機(jī)在高海拔條件下能安全可靠的運(yùn)行。

以一款750 kW高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例進(jìn)行溫升分析計(jì)算，該發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算后的損耗為鐵耗 PFe=8.5 kW;定子銅耗Pcu1=5.0 kW;轉(zhuǎn)子銅耗Pcu2=10 kW;機(jī)械損耗PMec=2.0 kW。

該發(fā)電機(jī)有內(nèi)、外兩條風(fēng)路。內(nèi)風(fēng)路由內(nèi)風(fēng)扇產(chǎn)生風(fēng)壓，形成從內(nèi)風(fēng)扇→機(jī)座風(fēng)道→轉(zhuǎn)子通風(fēng)道→內(nèi)風(fēng)扇的內(nèi)風(fēng)路;外風(fēng)路由外風(fēng)扇產(chǎn)生風(fēng)壓冷卻機(jī)座表面散熱筋。采用熱路法計(jì)算(等效熱路圖見圖1)。

圖1 等效熱路圖

對(duì)此熱路圖所做的假設(shè)［3］如下:(1)定子繞組銅作為一個(gè)等溫體;(2)定子鐵心作為一個(gè)等溫體;(3)轉(zhuǎn)子整體作為一個(gè)等溫體;(4)機(jī)座和端蓋整體作為一個(gè)等溫體;(5)電機(jī)內(nèi)部各處的空氣作為一個(gè)等溫體;(6)不考慮軸承溫升及其傳熱影響;(7)電機(jī)內(nèi)部的部分機(jī)械損耗作為一個(gè)熱源。

圖1中:PFe——定子鐵耗;

Pcu1——定子銅耗;

Pcu2——轉(zhuǎn)子銅耗;

PMec——定子內(nèi)部通過機(jī)座散熱的機(jī)械損耗部分;

R1——定、轉(zhuǎn)子鐵心間氣隙熱阻;

R2——定子繞組銅和鐵心間的絕緣熱阻;

R3——轉(zhuǎn)子端部銅、鐵心和空氣間的熱阻;

R4——轉(zhuǎn)子鐵心通風(fēng)道內(nèi)鐵心和空氣之間的熱阻;

R5——定子鐵心與機(jī)座之間的間隙的傳熱熱阻;

R6——定子鐵心端面鐵心和空氣之間的熱阻;

R7——繞組端部銅和空氣之間的熱阻;

R8——內(nèi)部空氣對(duì)機(jī)座和端蓋的熱阻;

R9——機(jī)座表面和端蓋表面的散熱熱阻。

令:G1=1/R1;G2=1/R2;…;G9=1/R9;設(shè)φ1～φ5為結(jié)點(diǎn)電壓(溫度)。

該熱路圖共有6個(gè)獨(dú)立結(jié)點(diǎn)，選擇電機(jī)內(nèi)部空氣溫度為參考零點(diǎn)(見圖1)，根據(jù)電路理論列寫結(jié)點(diǎn)電壓線形方程組如下:

將已知數(shù)據(jù)代入式(1)～式(5)，解得:轉(zhuǎn)子溫升為99 K;定子鐵心溫升為57 K;定子繞組溫升為74 K。

再有，按上述方法初步估算高海拔條件發(fā)電機(jī)溫升約增加10 K，則發(fā)電機(jī)在高海拔條件下的對(duì)應(yīng)溫升如下:轉(zhuǎn)子溫升為109 K;定子鐵心溫升為67 K;定子繞組溫升84 K。因該發(fā)電機(jī)的絕緣等級(jí)為H級(jí)，允許繞組運(yùn)行溫度為180℃，按最高環(huán)境溫度為45℃計(jì)算，繞組運(yùn)行允許溫升為135 K，大于84 K。即使按H級(jí)設(shè)計(jì)F級(jí)考核的風(fēng)力發(fā)電機(jī)普遍規(guī)律推算，繞組運(yùn)行允許溫升為110 K，大于84 K。因此該發(fā)電機(jī)還留有很大的安全裕量，能安全可靠地運(yùn)行。轉(zhuǎn)子采用銅條轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子溫升運(yùn)行到200 K均沒問題。

4 運(yùn)行情況

從750 kW高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況來看，該風(fēng)機(jī)安裝在海拔3 500 m的高山上，經(jīng)過了將近2年的運(yùn)行考核，目前運(yùn)行正常。2010年9月從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2的數(shù)據(jù)來看，編號(hào)為2、3和4號(hào)發(fā)電機(jī)已運(yùn)行在額定功率下，并且溫升達(dá)到了穩(wěn)定，滿功率運(yùn)行的繞組溫升約為88.1 K。該發(fā)電機(jī)的地面型式試驗(yàn)溫升數(shù)值為82.5 K，不考慮發(fā)電機(jī)溫升測(cè)量方法的差異性(地面型式試驗(yàn)溫升采用電阻法測(cè)量，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行采用溫度傳感器測(cè)量)，高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比普通海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組的溫升增加5.6 K。

表2 2010年9月現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得數(shù)據(jù)

將表2的溫升值與第3條的繞組溫升推算值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)推算數(shù)值基本與實(shí)際運(yùn)行數(shù)值相當(dāng)，證明了前期的推算是有效的。

5 結(jié)語

從以上分析可知:高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)要進(jìn)行一系列的修正，其中溫升修正是該高海拔異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，本文采用熱路法進(jìn)行溫升推算，并通過樣機(jī)驗(yàn)證了推算的正確性。

［1］Canale M，F(xiàn)agiano 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］陳開運(yùn).高海拔電氣設(shè)備工作特點(diǎn)及設(shè)計(jì)要求［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2005(2):19-22.

［3］魏永田，孟大偉，溫嘉斌.電機(jī)內(nèi)熱交換［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.