水風(fēng)光聯(lián)合運行條件下水輪發(fā)電機關(guān)鍵部件的適應(yīng)性設(shè)計研究

東方電氣集團東方電機有限公司 孟慶釗

風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電因受晝夜交替、天氣變化等因素影響，呈現(xiàn)明顯的日夜周期性、波動性和隨機性，其發(fā)出的電能電壓波動大，有功不穩(wěn)、無功不足，若將風(fēng)力、光伏發(fā)電直接并入電網(wǎng)會對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行造成較大沖擊，進一步降低電網(wǎng)電能質(zhì)量，這成為制約風(fēng)力、光伏發(fā)電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用發(fā)展的突出問題[1]。而水力發(fā)電具有裝機容量大、穩(wěn)定性高、啟停靈活、負(fù)荷調(diào)節(jié)迅速、方便進相運行等優(yōu)點，屬于優(yōu)質(zhì)電能。因此，發(fā)揮水力發(fā)電優(yōu)勢，考慮水電同風(fēng)、光發(fā)電聯(lián)合運行，借助其強大的存儲性和調(diào)節(jié)性，平抑風(fēng)、光發(fā)電波動性等缺點，打造“水風(fēng)光聯(lián)合運行、多能互補”的清潔能源調(diào)控樞紐，對消納風(fēng)光發(fā)電、保證電能質(zhì)量、建設(shè)堅強電網(wǎng)具有重要意義[2]。

為滿足水力、風(fēng)力、光伏發(fā)電聯(lián)合運行要求，水輪發(fā)電機設(shè)計必須開展適應(yīng)性研究，進行針對性調(diào)整。根據(jù)風(fēng)力、光伏發(fā)電特點，分析提煉水輪發(fā)電機設(shè)計的適應(yīng)性調(diào)整主要集中在以下三方面：適應(yīng)寬范圍的電壓及頻率波動；深度進相運行能力；頻繁啟停下轉(zhuǎn)動部件的抗疲勞能力[3]。本文以某電站水輪發(fā)電機為研究對象，對其定子、轉(zhuǎn)子等關(guān)鍵部件的電磁計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計進行研究，以提升其上述三方面的適應(yīng)性能力，為后續(xù)有相關(guān)需求的水輪發(fā)電機設(shè)計提供借鑒。

1 適應(yīng)寬范圍電壓、頻率波動的定子、轉(zhuǎn)子電磁及結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 水輪發(fā)電機基本情況

總體結(jié)構(gòu)及定子、轉(zhuǎn)子設(shè)計特點：某電站水輪發(fā)電機采用立軸半傘式結(jié)構(gòu)，密閉自循環(huán)空氣冷卻方式。定子鐵心采用高導(dǎo)磁、低損耗、無時效優(yōu)質(zhì)硅鋼片疊壓而成，軸向分段設(shè)置徑向通風(fēng)溝；定子線棒采用單匝、多股銅扁線，外包F 級絕緣的條式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子支架設(shè)計為圓盤式，轉(zhuǎn)子磁軛采用優(yōu)質(zhì)高強度鋼板疊壓而成，與轉(zhuǎn)子支架通過熱打鍵方式連接；轉(zhuǎn)子磁極采用矩形磁極，磁極線圈采用矩形銅排焊接成整體。

主要設(shè)計參數(shù)：額定功率300MW、額定功率因數(shù)0.9、額定轉(zhuǎn)速107.1rpm、額定電壓18kV、額定頻率50Hz、定子線棒數(shù)1176、定子鐵心內(nèi)徑13300mm、定子鐵心外徑14200mm、定子鐵心長度2100mm、定子線棒股數(shù)62、轉(zhuǎn)子磁極數(shù)56、磁極極身寬度410mm、磁極極身長度2120mm、磁極線圈匝數(shù)17；重要電氣參數(shù)：定子繞組電流10692A、轉(zhuǎn)子繞組電流2665A、定子繞組溫升57K、轉(zhuǎn)子繞組溫升69K、定子1/3齒高處磁密1.524T、磁極極身根部磁密1.498T。

電壓和頻率波動會在發(fā)電機定轉(zhuǎn)子繞組溫升、鐵心磁密方面產(chǎn)生影響，波動過大可能會造成定轉(zhuǎn)子繞組溫升過高而損傷繞組絕緣、材料磁負(fù)荷過高(磁飽和)導(dǎo)致鐵心過熱甚至燒毀等嚴(yán)重后果。因此在電磁設(shè)計是，主要是在定轉(zhuǎn)子繞組溫升、鐵心磁密方面開展研究，以適應(yīng)寬范圍電壓及頻率波動[4]。

1.2 電壓、頻率波動對定轉(zhuǎn)子繞組溫升影響

采用定多變一法，經(jīng)電磁理論計算得出電壓波動對發(fā)電機定轉(zhuǎn)子繞組溫升的影響規(guī)律，如圖1所示，得出頻率波動對發(fā)電機定轉(zhuǎn)子繞組溫升的影響規(guī)律，如圖2所示。

圖1 電壓波動對定轉(zhuǎn)子繞組溫升的影響

圖2 頻率波動對定轉(zhuǎn)子繞組溫升的影響

由圖1、圖2可知，當(dāng)電壓及頻率波動時定轉(zhuǎn)子繞組溫升均有明顯變化，尤以轉(zhuǎn)子繞組溫升變化最為顯著，電壓越高、頻率越低轉(zhuǎn)子溫升越大，可作為發(fā)電機穩(wěn)定運行的主要限制因素；定子繞組溫升變化略小，電壓越低定子溫升越高，可作為次要限制因素。

1.3 電壓、頻率波動對定轉(zhuǎn)子鐵心磁密影響

采用定多變一法，經(jīng)電磁理論計算得出電壓波動對發(fā)電機定轉(zhuǎn)子鐵心磁密的影響規(guī)律，如圖3所示；得出頻率波動對發(fā)電機定轉(zhuǎn)子鐵心磁密的影響規(guī)律，如圖4所示。

圖3 電壓波動對定轉(zhuǎn)子磁密的影響

圖4 頻率波動對定轉(zhuǎn)子磁密的影響

由圖3、圖4可知，當(dāng)電壓及頻率波動，定轉(zhuǎn)子鐵心磁密均有明顯變化，電壓越高、頻率越低，定轉(zhuǎn)子磁密均越高，成為發(fā)電機穩(wěn)定運行的另一主要限制因素。

1.4 調(diào)整措施

通過以上分析可知，電壓及頻率的波動將引起定轉(zhuǎn)子繞組溫升及鐵心磁密的顯著變化，相較常規(guī)機組，適應(yīng)寬范圍電壓及頻率波動的發(fā)電機電磁及結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮充分的設(shè)計裕度：定轉(zhuǎn)子繞組低電密、鐵心低磁密、同時考慮更好的散熱條件。具體調(diào)整措施詳見下述。

定子適應(yīng)性設(shè)計：增加線棒股線數(shù)，降低電密；增大鐵心內(nèi)徑、加長鐵心長度，既可降低電負(fù)荷又可控制齒部磁負(fù)荷，避免材料磁飽和；選取窄且深的槽型，既可增大線棒表面散熱面積又可控制齒部磁負(fù)荷，避免材料磁飽和；采用4mm 高定子通風(fēng)溝，并適當(dāng)增加通風(fēng)溝數(shù)量，保證線棒良好冷卻條件。

轉(zhuǎn)子適應(yīng)性設(shè)計：增大磁極銅排截面，降低電密；增加磁極線圈有效匝數(shù)，減小勵磁電流；加寬磁極極身寬度、加長極身長度，控制極身磁負(fù)荷，避免材料磁飽和；磁極線圈采用帶散熱翅銅排，有效增大表面散熱面積，保證線圈良好散熱條件。

2 具備深度進相運行能力的電磁及結(jié)構(gòu)設(shè)計

水輪發(fā)電機在一定有功功率輸出下，隨著勵磁電流的減小，功率因數(shù)角由滯后轉(zhuǎn)為超前端電壓，發(fā)電機由發(fā)出無功轉(zhuǎn)為吸收無功功率，即轉(zhuǎn)入進相運行[5]。隨著進相加深，發(fā)電機電勢E 與端電壓U（在無限大容量的系統(tǒng)內(nèi)，其U 恒定）之間的功角逐漸增大、穩(wěn)定性降低，最后達到靜態(tài)穩(wěn)定極限點，直到失步。理論上，提高發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定極限有利于提升其深度進相運行能力。根據(jù)同步發(fā)電機的功角特性曲線（靜態(tài)穩(wěn)定曲線），整步功率系數(shù)反比于發(fā)電機直軸同步電抗[6]。所以在電磁設(shè)計階段，減小同步電抗（即增大發(fā)電機短路比）可以提高發(fā)電機靜態(tài)穩(wěn)定極限。

此外，當(dāng)發(fā)電機由滯相轉(zhuǎn)入進相運行，定子端部合成漏磁通將顯著增大。進相深度越深端部漏磁越大，定子鐵心端部和金屬結(jié)構(gòu)件因磁滯和渦流引起的發(fā)熱也越嚴(yán)重，成為進相運行的關(guān)鍵限制因素。為提升發(fā)電機進相運行能力，在定子結(jié)構(gòu)設(shè)計上可做如下調(diào)整：邊段鐵心采用階梯結(jié)構(gòu)，減少端部漏磁；邊段鐵心齒部中間開小槽，減少端部漏磁產(chǎn)生的渦流損耗；端部結(jié)構(gòu)件選用非金屬或非磁性材料，消除或減小渦流損耗；壓指采用非磁性方形鋼管，既可減少渦流損耗，又可改善其散熱條件；減小定子線棒漸開線部分圓錐角，減少端部損耗。

3 頻繁啟停下轉(zhuǎn)動部件的抗疲勞結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 有限元模型分析

建立該水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)動部件有限元計算模型，包括轉(zhuǎn)子支架、主軸、磁軛、磁極鐵芯、磁極壓板、磁極引線、阻尼繞組等，額定工況下施加對應(yīng)載荷進行應(yīng)力計算。此處以轉(zhuǎn)子支架為例，構(gòu)建轉(zhuǎn)子支架有限元模型如圖5所示，計算得到最危險點平均應(yīng)力如圖6所示、交變應(yīng)力幅如圖7所示。停機-額定工況-停機工況下，轉(zhuǎn)子支架平均應(yīng)力185、交變應(yīng)力幅116MPa。

圖5 轉(zhuǎn)子支架、磁軛(1/14)有限元實體模型

圖6 轉(zhuǎn)子支架額定工況—停機狀態(tài)平均應(yīng)力

圖7 轉(zhuǎn)子支架額定工況—停機狀態(tài)交變應(yīng)力幅

3.2 疲勞壽命分析

以ASME 規(guī)范為依據(jù)，采用Miner 累積損傷準(zhǔn)則，進行疲勞壽命分析。按照常規(guī)水輪發(fā)電機40年設(shè)計壽命，計算轉(zhuǎn)動部件在該周期內(nèi)“停機-正常運行-停機”的允許循環(huán)次數(shù)(累計損傷系數(shù)≥1)，折算成每天可承受啟停次數(shù)，轉(zhuǎn)動部件疲勞壽命分析結(jié)果為（設(shè)計壽命內(nèi)可承受起停次數(shù)/天）：轉(zhuǎn)子支架23、主軸≮6850、磁軛21、磁極鐵心部分≮6850、磁極線圈8、外徑側(cè)引線10、內(nèi)徑側(cè)引線46。

考慮單日內(nèi)風(fēng)力、光照等天氣變化頻繁，設(shè)定發(fā)電機單日啟停次數(shù)≤24次(1次/小時)，對分析結(jié)果不理想部件(轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極線圈、外徑側(cè)引線)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升其抗疲勞能力，水輪發(fā)電機配合間歇性風(fēng)力、光伏發(fā)電而頻繁起停的適應(yīng)性亦將提高。表1為優(yōu)化前后疲勞壽命結(jié)果對比。

表1 部分轉(zhuǎn)動部件優(yōu)化前后疲勞壽命結(jié)果對比

3.3 轉(zhuǎn)動部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對前期計算結(jié)果不甚理想的轉(zhuǎn)子支架、磁軛、磁極線圈、外徑側(cè)引線等部件，為提升其抗疲勞能力，可采取以下措施：轉(zhuǎn)子支架與磁軛的連接采用彈性鍵結(jié)構(gòu)，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子支架與磁軛的應(yīng)力水平與交變應(yīng)力幅值，提高轉(zhuǎn)子支架與磁軛的抗疲勞能力；磁極采用塔形向心結(jié)構(gòu)，減小或消除旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的磁極線圈側(cè)向分力，提高線圈抗疲勞能力；加大磁極引線頭冷彎成型圓角半徑，降低圓角處應(yīng)力集中。表1為部分轉(zhuǎn)動部件優(yōu)化前后疲勞壽命結(jié)果對比。

綜上所述，針對性的電磁參數(shù)選取和調(diào)整，結(jié)合關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)上的設(shè)計優(yōu)化，可在一定程度上提高水輪發(fā)電機適應(yīng)水風(fēng)光聯(lián)合運行的能力。