高海拔異步風力發電機設計解析

邵平安

(南車株洲電機有限公司，湖南株州 412001)

0 引言

隨著內蒙、新疆、沿海等地方優良風資源的不斷開發，普通海拔可用的優良風資源越來越少，為了尋求風機的持續發展，須突破原有的風場開發思路，一是將風機從普通海拔轉移到風速相對好的高海拔上，二是將風機從普通海拔轉移到風速相對好的海上，另外也可以采用高效能的永磁風力發電機和超導風力發電機替代現有風力發電機的方法。海上風力發電技術還不夠成熟，且基礎建設費用很高，目前還不便于大量推廣;永磁風力發電機和超導風力發電機的制造成本很高，主要適合大功率風機機組開發;高海拔風機可充分利用目前沒開發的盲區進行開發，基礎建設費用相對低些，機組技術可直接移植普通海拔風機機組技術，風險小，便于馬上投產，適合大批量推廣。

高海拔異步風力發電機的應用剛剛起步，且有很好的市場前景，通過對高海拔異步風力發電機設計解析的分析及750 kW高海拔異步風力發電機的實際應用，為以后不同海拔的異步風力發電機的開發提供了借鑒意義。

1 設計概述及原則

高海拔異步風力發電機相對普通海拔異步風力發電機主要是外部環境(空氣稀薄、氣壓低、散熱能力差、熱輻射作用強、晝夜溫差大)發生了變化，從而因外部環境條件的變化帶來了以下幾個問題［1］:

(1)電機的絕緣應修正，包括電氣間隙、絕緣強度和防電暈能力;

(2)電機的溫升應修正;

(3)絕緣與金屬結構件的抗低溫性和冷熱沖擊;

(4)電機外部防護涂層的抗紫外線、風沙腐蝕能力;

(5)結構件、絕緣材料的耐低溫性能。

1.1 電氣間隙和爬電距離修正

對應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——標準大氣條件下的電氣絕緣距離;

K2——接線盒內部接線柱電氣距離放大系數;

H——風電安裝地點的海拔高;

t——風電安裝地點最高氣溫。

1.2 對地耐壓值的修正

高于2 000 m的設備，工頻耐受電壓值和沖擊耐受電壓值應符合常規型產品標準的要求，在產品使用地點海拔和試驗地點海拔不同時，試驗電壓值應乘以修正系數，修正系數值參考標準GB/T20645—2006的要求。

海拔在1 000～4 000 m地區的風力發電機，其工頻試驗電壓UH與海拔高度的關系為

式中:U0——標準額定試驗電壓;

Ka——海拔修正系數;

H——風電設備安裝海拔高度。

高海拔發電機在低海拔地區進行對地耐壓檢查時，試驗電壓為正常電壓的Ka倍。

1.3 起暈電壓的修正

(1)電機繞組起暈電壓與氣體密度(即氣壓)有直接關系。

(2)在海拔1 km以上、5 km以下，氣壓與海拔高度關系為

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，電機繞組起暈電壓也隨之下降。

(4)起暈電壓與大氣壓關系為

式中:p——風電安裝地點海拔H的氣壓;

t——安裝點最高氣溫;

UKH——海拔H時電機起暈電壓;

UK0——標準氣壓下電機起暈電壓。

(5)試驗證明，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)電機繞組的防暈應按照計算值UKH放大至UK0。

目前的異步風力發電機屬于低壓電機范疇，由于工作電壓低，在正常試驗電壓下一般不會起暈。另外，將繞組對地絕緣改用耐電暈性能優良的材料，也可以進一步提高繞組的起暈電壓。

1.4 電機溫升的修正

隨著海拔高度的增加，空氣密度的降低會引起空氣冷卻效果的降低，造成發電機散熱能力降低，繞組溫升會增加，按昆明電器科學研究所驗證，海拔高度每升高1 000 m，按電機的溫升提高10%進行計算，工作在4 000 m海拔地區時，發電機溫升將提高約30 K［2］。再按標準GB/T20645《特殊環境條件高原用電器技術要求》，環境溫度隨海拔的升高而降低，對電機溫升遞增有一定的補償作用，所以實際電機的溫升增加不會太大。

1.5 結構件抗寒及紫外線性

由于高海拔地區外部環境溫度低，晝夜溫差大，所以機座、端蓋、軸承蓋、轉軸等選擇抗低溫性能好的材料。

轉軸推薦采用與風力發電機組主軸相同或更高級的抗低溫性能材料。表1是兩種常用抗低溫的轉軸材料的機械性能對照表。

表1 兩種常用抗低溫的轉軸材料的機械性能對照表

從表1的數據來看，34CrNiMo6和34CrMo的低溫沖擊功性能好，可作為高海拔風力發電機的轉軸材料。

整機外殼涂層采用的底漆、膩子、中涂漆和色漆須進行耐低溫冷凍性能的測定，測得沖擊性能和附著力應滿足GB1732和GB9286的要求，漆膜表面無氣泡、脫落和開裂現象;且通過原化試驗，試驗后防腐層的光澤度和色差均滿足標準要求。

2 電磁方案設計

相對普通海拔風力發電機設計的結構數據和性能參數數據，應將上述修正數值考慮進去，特別是溫升的修正值，以保證高海拔異步風力發電機在高海拔的環境條件下能長期運行。電磁方案設計應注意以下幾點:

(1)根據以往相似類型發電機的設計參數和試驗數據，合理選擇高海拔異步風力發電機的槽配合、鐵心長度、齒槽比等結構數據。

(2)合理選擇通風結構，以充分提高發電機效率和可靠性。

(3)發電機設計應充分考慮高原特殊環境下的絕緣和散熱問題，以及西北地區的風沙及鹽灘地區的潮濕、鹽蝕等自然條件的影響。

(4)發電機的設計必須充分考慮風機的安裝、運行特點(如風的不可控性、隨機性，有時瞬時變化可達10 m/s以上)。發電機處于負載不穩定狀態，隨風速變化機組負載存在波動，產生晃動;還應考慮頻繁的切入和切出及振動的影響，考慮風機運行中所受的各類載荷(穩定、周期、隨機、瞬態、諧振載荷)，以滿足現場使用要求。

(5)軸承潤滑脂的選用應滿足電機軸承的工況要求和長期運行的需要并經需方認可。潤滑脂應具有良好的耐候性，在－40℃低溫下不會出現黏度增加，甚至冷凝凍結，影響產品起動性能的現象。

(6)發電機基本屬于低電壓大電流電機，設計中須考慮定子線圈制造、嵌線、并頭等工藝性，減少生產制造難度。

(7)風機普遍采用發電機直接并網，起動電流大，設計中須滿足起動電流倍數要求。

3 溫升計算方案設計

為保證所設計的發電機能在高海拔條件下長期可靠的運行，除保證發電機起動、運行等性能滿足用戶要求外，特別要求發電機的溫升控制在絕緣材料允許的壽命內。但是，因試驗條件的限制(試驗設備一般在普通海拔的工廠內)，發電機一般只能在普通海拔的條件下進行試驗，這就要根據發電機的運行經驗或相關標準推算出普通海拔下的溫升試驗值折算到對應高海拔條件的溫升值，從而保證發電機在高海拔條件下能安全可靠的運行。

以一款750 kW高海拔異步風力發電機為例進行溫升分析計算，該發電機電磁計算后的損耗為鐵耗 PFe=8.5 kW;定子銅耗Pcu1=5.0 kW;轉子銅耗Pcu2=10 kW;機械損耗PMec=2.0 kW。

該發電機有內、外兩條風路。內風路由內風扇產生風壓，形成從內風扇→機座風道→轉子通風道→內風扇的內風路;外風路由外風扇產生風壓冷卻機座表面散熱筋。采用熱路法計算(等效熱路圖見圖1)。

圖1 等效熱路圖

對此熱路圖所做的假設［3］如下:(1)定子繞組銅作為一個等溫體;(2)定子鐵心作為一個等溫體;(3)轉子整體作為一個等溫體;(4)機座和端蓋整體作為一個等溫體;(5)電機內部各處的空氣作為一個等溫體;(6)不考慮軸承溫升及其傳熱影響;(7)電機內部的部分機械損耗作為一個熱源。

圖1中:PFe——定子鐵耗;

Pcu1——定子銅耗;

Pcu2——轉子銅耗;

PMec——定子內部通過機座散熱的機械損耗部分;

R1——定、轉子鐵心間氣隙熱阻;

R2——定子繞組銅和鐵心間的絕緣熱阻;

R3——轉子端部銅、鐵心和空氣間的熱阻;

R4——轉子鐵心通風道內鐵心和空氣之間的熱阻;

R5——定子鐵心與機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——內部空氣對機座和端蓋的熱阻;

R9——機座表面和端蓋表面的散熱熱阻。

令:G1=1/R1;G2=1/R2;…;G9=1/R9;設φ1～φ5為結點電壓(溫度)。

該熱路圖共有6個獨立結點，選擇電機內部空氣溫度為參考零點(見圖1)，根據電路理論列寫結點電壓線形方程組如下:

將已知數據代入式(1)～式(5)，解得:轉子溫升為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電機溫升約增加10 K，則發電機在高海拔條件下的對應溫升如下:轉子溫升為109 K;定子鐵心溫升為67 K;定子繞組溫升84 K。因該發電機的絕緣等級為H級，允許繞組運行溫度為180℃，按最高環境溫度為45℃計算，繞組運行允許溫升為135 K，大于84 K。即使按H級設計F級考核的風力發電機普遍規律推算，繞組運行允許溫升為110 K，大于84 K。因此該發電機還留有很大的安全裕量，能安全可靠地運行。轉子采用銅條轉子，轉子溫升運行到200 K均沒問題。

4 運行情況

從750 kW高海拔異步風力發電機現場運行情況來看，該風機安裝在海拔3 500 m的高山上，經過了將近2年的運行考核，目前運行正常。2010年9月從現場測得的數據如表2所示。

從表2的數據來看，編號為2、3和4號發電機已運行在額定功率下，并且溫升達到了穩定，滿功率運行的繞組溫升約為88.1 K。該發電機的地面型式試驗溫升數值為82.5 K，不考慮發電機溫升測量方法的差異性(地面型式試驗溫升采用電阻法測量，現場運行采用溫度傳感器測量)，高海拔異步風力發電機相比普通海拔異步風力發電機繞組的溫升增加5.6 K。

表2 2010年9月現場測得數據

將表2的溫升值與第3條的繞組溫升推算值進行比較，發現推算數值基本與實際運行數值相當，證明了前期的推算是有效的。

5 結語

從以上分析可知:高海拔異步風力發電機的設計要進行一系列的修正，其中溫升修正是該高海拔異步風力發電機設計的難點，本文采用熱路法進行溫升推算，并通過樣機驗證了推算的正確性。

［1］Canale M，Fagiano 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.高海拔電氣設備工作特點及設計要求［J］.機車電傳動，2005(2):19-22.

［3］魏永田，孟大偉，溫嘉斌.電機內熱交換［M］.北京:機械工業出版社，1998.