SCD 3.0MW大功率兩葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化

胡彥君， 史 波

SCD 3.0MW大功率兩葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)優(yōu)化

胡彥君， 史 波

（華電新疆發(fā)電有限公司新能源分公司，新疆 烏魯木齊 830000）

華冉風(fēng)場使用的SCD 3.0MW大功率兩葉片風(fēng)力發(fā)電機(jī)，在投產(chǎn)后無法達(dá)到設(shè)計(jì)功率，并且發(fā)電機(jī)繞組溫度偏高，夏季繞組溫度影響機(jī)組出力或造成機(jī)組停機(jī)現(xiàn)象頻發(fā)。為提高機(jī)組可靠性，增加機(jī)組出力。對(duì)SCD 3.0MW發(fā)電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化內(nèi)容包括定子線圈及轉(zhuǎn)子磁體、磁軛優(yōu)化。優(yōu)化后機(jī)組額定輸出功率提升300-400kW,繞組溫度穩(wěn)定在80-90℃，達(dá)到預(yù)期效果，推動(dòng)了大功率兩葉片風(fēng)機(jī)發(fā)展與成熟。

發(fā)電機(jī)； 功率； 線圈； 永磁體； 磁軛

0 引言

近年來，世界風(fēng)電行業(yè)在快速發(fā)展。在國家相關(guān)政策的大力支持下，國內(nèi)風(fēng)電發(fā)展更是迅猛，2010年中國已超過美國，累計(jì)裝機(jī)容量躍居全球第一。風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)從早期的數(shù)百kW到現(xiàn)在的3.0MW和6.0MW等大功率機(jī)型。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)從最初的小功率異步發(fā)電機(jī)到兆瓦級(jí)的雙饋型感應(yīng)發(fā)電機(jī)、永磁勵(lì)磁發(fā)電機(jī)等。其中，永磁發(fā)電機(jī)因其體積小、重量輕、效率高而逐漸成為主流機(jī)型。根據(jù)有無齒輪箱以及增速比不同，還可分為直驅(qū)型、半直驅(qū)型和高速型永磁發(fā)電機(jī)等多種類型。華冉風(fēng)場使用的SCD 3.0MW發(fā)電機(jī)組結(jié)合了永磁同步發(fā)電機(jī)和半直驅(qū)傳動(dòng)齒輪箱的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，成為了國內(nèi)首個(gè)采用兩葉片、半直驅(qū)、永磁同步發(fā)電機(jī)的機(jī)型。因此SCD3.0MW機(jī)型的投產(chǎn)使用及后續(xù)的優(yōu)化在國內(nèi)外都具有開創(chuàng)意義。

1 SCD 3.0MW發(fā)電機(jī)簡介

1.1 SCD 3.0MW風(fēng)機(jī)整體介紹

SCD 3.0MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用兩葉片、上風(fēng)向，水平軸技術(shù)。其能量傳遞的通路是：通過葉輪捕獲風(fēng)能并轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，經(jīng)變比為1:24的兩級(jí)行星齒輪增速，驅(qū)動(dòng)一個(gè)中速同步永磁發(fā)電機(jī)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成為變壓、變頻的電能。發(fā)電機(jī)發(fā)出的變壓、變頻的電能無法直接并網(wǎng)送到公用電網(wǎng)，需要通過一套全功率變頻器，實(shí)現(xiàn)電能的變換和高質(zhì)量的并網(wǎng)、輸送。同時(shí)還通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)流體、機(jī)械、電氣等參數(shù)進(jìn)行測控處理，進(jìn)行變槳、偏航和通訊等。

1.2 永磁同步發(fā)電機(jī)組

永磁發(fā)電機(jī)與大電網(wǎng)中的發(fā)電機(jī)屬同一類型，是一種同步發(fā)電機(jī)。不同的是，它用永磁體替代普通發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁，省去電刷滑環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單可靠，同時(shí)也節(jié)約了勵(lì)磁功率，提高了發(fā)電機(jī)效率。但是由于風(fēng)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)力大小而變化，因而無法直接并網(wǎng)使用。

與雙饋風(fēng)機(jī)相比，它可以運(yùn)行在較寬的速度范圍，易于實(shí)現(xiàn)大范圍的最佳尖速比控制。一般雙饋機(jī)發(fā)電機(jī)的發(fā)電機(jī)速度在1080-1750rPm，調(diào)速范圍162%，而華冉項(xiàng)目使用的永磁發(fā)電機(jī)通?？梢栽?30-410rPm運(yùn)行，調(diào)速范圍可達(dá)315%，更寬的速度調(diào)節(jié)范圍提高了葉片的低風(fēng)速效率，提高了風(fēng)能利用率。

與直驅(qū)永磁相比，由于其速度高，需要的體積較小，使用的永磁體較少。根據(jù)電機(jī)的尺寸、轉(zhuǎn)速與功率的關(guān)系：

P∝BlD2n （1）式中 P—發(fā)電機(jī)功率，kW；B—?dú)庀洞鸥袘?yīng)強(qiáng)度，T；l—電機(jī)軸向長度，mm；D—電機(jī)氣隙直徑，mm；n—電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min。

可見，在B一定情況下，電機(jī)的體積與速度成反比，而永磁發(fā)電機(jī)的B一般在0.7-0.9T，相比直驅(qū)發(fā)電機(jī)的十多轉(zhuǎn)/分的n，華冉項(xiàng)目使用的發(fā)電機(jī)410rPm，是直驅(qū)的30來倍，因而具有相對(duì)小的尺寸和重量，特別是節(jié)約了昂貴的釹鐵硼永磁體的耗量。

半直驅(qū)型風(fēng)機(jī)的的齒輪箱因增速比小而簡單，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)尺寸、重量和成本的一個(gè)優(yōu)化折中。綜合分析，華冉項(xiàng)目的發(fā)電機(jī)具有如下特點(diǎn)：

（1）體積小，重量輕

（2）效率高，節(jié)能效果顯著

（3）電壓波形質(zhì)量好

（4）電機(jī)過載能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境。

（5）無電刷，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，使用壽命長。

（6）電磁干擾小，電磁兼容性好。

2 SCD 3.0MW風(fēng)機(jī)優(yōu)化立項(xiàng)

2.1 SCD 3.0MW風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)介紹

SCD 3.0MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組永磁同步發(fā)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，轉(zhuǎn)子采用永磁體勵(lì)磁方式，定子繞組鐵芯嵌套在定子外殼內(nèi)，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子磁軛上。發(fā)電機(jī)額定功率輸出為3110kW，定子雙繞組輸出，轉(zhuǎn)速范圍270.5-458.4rPm，冷卻方式采用水冷。

2.2 SCD 3.0MW風(fēng)機(jī)優(yōu)化背景

通過長時(shí)間對(duì)SCD 3.0MW機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)組發(fā)電機(jī)額定功率不滿足設(shè)計(jì)要求，經(jīng)過試驗(yàn)臺(tái)多次試驗(yàn)，找出了發(fā)電機(jī)額定功率偏低、繞組溫度高的原因。主要為：原設(shè)計(jì)定子電流密度偏大（大于3A/mm2），定子繞組每匝導(dǎo)線長度偏長（2210mm），造成定子銅損較高，發(fā)電機(jī)的輸出功率3125kW，機(jī)組上網(wǎng)功率3013kW（環(huán)境溫度18℃，轉(zhuǎn)速410rPm），換算成（環(huán)境溫度40℃，轉(zhuǎn)速410rPm）時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出功率2993kW，機(jī)組上網(wǎng)功率2880kW。現(xiàn)場運(yùn)行中，受多種因素影響機(jī)組額定功率平均在2550kW左右，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)，原設(shè)計(jì)磁體采用極靴間相互切點(diǎn)互頂?shù)姆绞竭M(jìn)行固定，由于安裝難度大，不能完全保證磁極處于同一直線上，造成級(jí)與級(jí)之間出現(xiàn)偏差、發(fā)電機(jī)諧波畸變率差，進(jìn)而出現(xiàn)磁暴現(xiàn)象。為防止磁體脫落，原設(shè)計(jì)磁體表面加裝1.2mm的不銹鋼外殼，易產(chǎn)生渦流致使發(fā)電機(jī)繞組溫度升高?，F(xiàn)場設(shè)定發(fā)電機(jī)繞組溫度報(bào)警值為110℃，停機(jī)值為120℃，當(dāng)繞組溫度達(dá)到110℃時(shí)，為保護(hù)發(fā)電機(jī)，風(fēng)機(jī)切入到限功率運(yùn)行狀態(tài)，嚴(yán)重影響機(jī)組出力。

圖1 優(yōu)化前發(fā)電機(jī)功率曲線（40天）

圖2 原設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)極靴安裝示意圖

為了防止磁體脫落，原設(shè)計(jì)磁體表面加裝了3mm厚的不銹鋼外殼，致使磁鋼本體在齒槽作用下產(chǎn)生渦流發(fā)熱，溫升嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)不能達(dá)到飽和點(diǎn)。為提高設(shè)備穩(wěn)定性，提升效益，對(duì)SCD 3.0MW發(fā)電機(jī)進(jìn)行了全方面優(yōu)化。

3 SCD 3.0MW發(fā)電機(jī)優(yōu)化分析

3.1 優(yōu)化簡要分析

根據(jù)發(fā)電機(jī)原理，發(fā)電端輸出功率與電壓公式為：

U=E-I（R+jXs）（2）

P=UI cosφ

式中 I—發(fā)電機(jī)定子電流，A；

Xs—發(fā)電機(jī)漏電抗，Ω；

j—虛數(shù)；

E—內(nèi)電勢，V；

R—內(nèi)電阻，Ω；

U—發(fā)電機(jī)輸出電壓，V。

發(fā)電機(jī)輸出電壓，即與內(nèi)電勢E有關(guān)，也與內(nèi)阻抗有關(guān)。發(fā)電機(jī)從冷態(tài)到額定功率長時(shí)間運(yùn)行的熱態(tài)，繞組發(fā)熱，內(nèi)電阻R會(huì)顯著變大，溫度越高電阻越大，這是造成電壓跌落的一個(gè)原因。Xs在一般情況下不變，但是隨著內(nèi)部溫度增高，磁回路受熱影響，參數(shù)發(fā)生了變化，Xs也會(huì)變化，具體表現(xiàn)在橫軸磁場的影響造成橫軸漏感增加，等效的Xs也增加，電壓U降低。

在風(fēng)機(jī)獲得的功率不變的情況下，功率P不變，功率因數(shù)近似為1，U降低會(huì)引起I增加，從而U進(jìn)一步降低。在高溫下運(yùn)行的磁體，磁源會(huì)減弱，同時(shí)，磁回路里的鑄鐵、鑄鋼等的導(dǎo)磁系數(shù)也會(huì)降低，綜合引發(fā)端電壓降低，為了輸出功率不變，定子電流會(huì)加大，引起更多的發(fā)熱，從而引發(fā)惡性循環(huán)。因此改善散熱、降低內(nèi)阻是主要的手段。

為解決此問題，對(duì)電機(jī)采取的優(yōu)化措施主要有：1）優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)；2）優(yōu)化轉(zhuǎn)子磁體固定方式及磁軛。

3.2 定子優(yōu)化

定子優(yōu)化內(nèi)容主要有以下幾個(gè)方面：

（1）優(yōu)化絕緣結(jié)構(gòu)，將線圈電磁線絕緣層減薄，由0.3mm減薄到0.1mm，為增加導(dǎo)線截面讓出位置。

（2）將線圈電磁線截面增加，由6×2.24×2增加到12×2.44×1，截面積由13.08×2=26.16mm2增加到29.1mm2。

原設(shè)計(jì)線圈繞制采用：6×2.24×2×3，6根并繞，其截面積：13.08×6=78.48mm2。

優(yōu)化后線圈繞制采用：12×2.44×3，3根并繞，其截面積：29.1×3=87.3mm2。

優(yōu)化后每把線圈增加的截面：87.3-78.48=8.82mm2。

（3）定子繞組每匝導(dǎo)線長度原設(shè)計(jì)：2210mm。

優(yōu)化后定子繞組每匝導(dǎo)線長度：2210×0.95=2100mm。

（4）經(jīng)過增加線圈導(dǎo)線截面、減短繞組導(dǎo)線每匝長度。

發(fā)電機(jī)每相對(duì)Y的中性點(diǎn)直流電阻值：

式中 R—直流電阻，Ω；

ρ—電阻率，Ω·m；

L—繞組長度，m；

S—繞組截面積，m2。

原設(shè)計(jì)R=ρL/S=0.001230Ω優(yōu)化后R=ρL/S=0.001052Ω

發(fā)電機(jī)的直流電阻優(yōu)化后比原設(shè)計(jì)降低了約10%，銅損PcU=I2R計(jì)算公式可知，發(fā)電機(jī)的銅損也相應(yīng)降低約10%。而發(fā)熱。將原設(shè)計(jì)磁極由不銹鋼外殼固定，改為磁鋼直接粘貼在極靴上，用3240絕緣板做切向保護(hù)板，并對(duì)磁鋼的每一部位都設(shè)計(jì)限定加工標(biāo)準(zhǔn)，以便于對(duì)磁鋼位置、表面完整度進(jìn)行檢測。同時(shí)對(duì)磁塊進(jìn)行超常固化處理，即對(duì)粘貼到極靴上的磁塊電鍍處理，并在磁塊之間中性填充。

表1 定子優(yōu)化參數(shù)

磁塊的改進(jìn)目的在于降低發(fā)電機(jī)繞組溫升飽和點(diǎn)，降低因渦流損耗產(chǎn)生不必要的熱量，使發(fā)電機(jī)在一個(gè)良好的溫度環(huán)境下運(yùn)行，防止溫度過高造成永磁體退磁等現(xiàn)象，提高運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。

（2）轉(zhuǎn)子磁軛優(yōu)化。增加磁軛安裝定位筋，使磁極對(duì)處于同一條直線，有效降低諧波畸變率和產(chǎn)生磁暴幾率，每臺(tái)機(jī)組可以節(jié)約磁鋼100kg以上。轉(zhuǎn)子整體采用0.2mm無緯帶綁縛，10層纏繞，以固定磁極，無緯帶烘干后厚度約為1.5mm，可承受拉力60-80N·M。實(shí)踐證明用無緯帶強(qiáng)度高、比重小、能有效的克服電機(jī)運(yùn)行時(shí)繞組所產(chǎn)生的電磁力和離心力；無緯帶箍能增加繞組爬電距離、減少繞組端部漏磁改善了電性能；簡化了加工制造工藝，由于無緯帶箍表面光滑改善了轉(zhuǎn)子防潮、防污和清理?xiàng)l件等優(yōu)點(diǎn)，從而提高了點(diǎn)擊運(yùn)行的可靠性。

（5）增加機(jī)包線圈匝間絕緣層工藝，由邊包邊繞機(jī)完成線圈的繞制，可提高匝間絕緣、對(duì)地絕緣，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行更安全。

（6）重新調(diào)整槽內(nèi)絕緣結(jié)構(gòu)，嵌線過程中槽內(nèi)填充膨脹絕緣材料（如熱膨脹玻璃氈），防止線圈震動(dòng)。

通過對(duì)定子優(yōu)化，減少導(dǎo)線長度、提高導(dǎo)線截面積，降低發(fā)電機(jī)內(nèi)阻。

3.3 轉(zhuǎn)子優(yōu)化

（1）轉(zhuǎn)子磁體優(yōu)化。原設(shè)計(jì)為防止磁體脫落磁體表面加裝1.2mm不銹鋼外殼，磁體在安裝過程中，磁鋼粘貼位置、幾何尺寸把握不夠精確，扣上金屬蓋后又無法檢測判定，造成磁場偏移，使定子產(chǎn)生環(huán)流損耗

圖3 無緯帶纏繞

圖4 機(jī)組發(fā)電機(jī)優(yōu)化后功率曲線

%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 時(shí)間比重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風(fēng)機(jī)優(yōu)化成果

華冉項(xiàng)目使用的發(fā)電機(jī)在投運(yùn)后，由于工作環(huán)境與設(shè)計(jì)不同，造成實(shí)際功率偏低，如圖1所示。

針對(duì)此問題，華冉風(fēng)場攜手廠家開展發(fā)電機(jī)的優(yōu)化顯目，優(yōu)化后的功率曲線如圖4所示，發(fā)電機(jī)輸出功率達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

由于華冉項(xiàng)目所用風(fēng)電機(jī)組的液壓油冷卻與發(fā)電機(jī)冷卻共用，發(fā)電機(jī)繞組溫升下降，液壓油的溫度也得以控制，避免了長期高溫造成油液使用壽命降低。同時(shí)，發(fā)電機(jī)優(yōu)化后，繞組溫度較優(yōu)化前降低30℃，提高了機(jī)組可利用率。

利用2013、2014年風(fēng)頻分布及優(yōu)化后功率曲線計(jì)算得出，發(fā)電機(jī)優(yōu)化后年發(fā)電量增加1887萬kWh。同時(shí)機(jī)組可靠性及發(fā)電機(jī)安全性能顯著提升。

通過統(tǒng)計(jì)，達(dá)到額定風(fēng)速的時(shí)間約占全年時(shí)長的28.55%。SCD3.0MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組優(yōu)化后，在額定風(fēng)速內(nèi)提升功率約450kW。據(jù)此可推算出優(yōu)化后電量提升。

單臺(tái)機(jī)組全年提升發(fā)電量：

450×360×24×28.55%=1110024kWh=111萬kWh

全場17臺(tái)機(jī)組年提升發(fā)電量：

111×17=1887萬kWh

5 結(jié)語

通過對(duì)SCD 3.0MW風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的研究，結(jié)合試驗(yàn)臺(tái)分析數(shù)據(jù)，找出了之前發(fā)電機(jī)不能滿發(fā)、繞組溫度高等問題的原因，是由于發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)子的磁體固定方式造成。為提高風(fēng)電機(jī)組出力，保證人員及設(shè)備安全穩(wěn)定，華冉風(fēng)場對(duì)SCD3.0風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)定子繞組、轉(zhuǎn)子磁體、磁軛進(jìn)行了一系列優(yōu)化。優(yōu)化后，年發(fā)電量可增加1887萬kWh，機(jī)組出力滿足設(shè)計(jì)要求，機(jī)組的可靠性及安全性能得到顯著提升。

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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

胡彥君（1992-），男，甘肅人；

史 波（1977-），男，新疆人，學(xué)士，工程師。

2017-03-28

修回日期：2017-08-23