1.5MW雙饋風力發電機的設計探索

殷宗林

(國華愛依斯(黃驊)風電有限公司,河北黃驊 061100)

1.5MW雙饋風力發電機的設計探索

殷宗林

(國華愛依斯(黃驊)風電有限公司,河北黃驊 061100)

當今世界普遍面臨著資源短缺的問題,而風能作為一種可再生資源,也是地球本身擁有的資源,其憑借著較大的商業價值以及環保效益,在新能源以及可持續發展的能源行業中得到了快速利用。伴隨著科學技術的深入發展,風力發電技術也實現了一定變化,很多風力發電機不斷問世。當前風力發電機擁有很多種類,例如,永磁電機、雙饋發電機、繞線式異步發電機、異步感應發電機、同步電機以及直驅永磁、變速、恒速等多種形式各異的風力發電機,然而應用最多且容量最大的電機便是雙饋風力發電機,由于自身擁有很強的經濟性,因而逐漸在市場上占據著主導地位。以下筆者將通過本文,并結合自身多年實踐工作經驗,針對1.5MW雙饋風力發電機的設計進行集中闡述。

風力資源 可持續發展 雙饋風力發電機

隨著環境污染以及能源日趨短缺，世界各國為找到一種可持續發展的方式，將常規能源中最有競爭力的風力發電，作為促進電力機構多樣化以及改善生態環境的重要途徑。在世界各國不斷擴大風電場規模，各類風力發電機不斷涌現時，人們發現應用雙饋風力發電機能夠有效提升風能利用率，改善工作效率，因此，各國又爭相提高單機容量。我國作為世界第二大能源消費國，面臨著更為嚴峻的形勢。最近幾年，風能資源的不斷開發，擴大了大容量風機的市場份額，由于雙饋風力發電機具有較為優越的性能，如今在變速恒頻風力發電機組中，雙饋風力發電機已得到更廣泛的應用。

1 定額數據以及尺寸大小

1.1 轉子接力磁后的極對數

雙饋異步風力發電機極對數的選擇標準，通常應用4極或者6極。同時，由于帶轉差運行，若轉速范圍固定時，其選擇極數就不是唯一的。為了減少勵磁容量，須選取正常運行范圍內勵磁容量最小時的極數。此外，出于減少制造電機成本和降低電機制造工藝難度的考慮，雙饋風力發電機應選用更為合適的4極。

1.2 確定氣隙

一般情況下，氣隙應選擇最小數值的。為了降低磁力容量，可以通過縮短氣隙長度的辦法來實現。但需要注意，氣隙的長度不宜過短，如若不然將會帶來較大的諧波附加鐵耗、噪音以及溫度。氣隙的大小通常是由軸直徑、定子內徑以及軸承間轉子長度大小共同決定的。所以，雙饋異步風力發電機的氣隙大小，需要在保證制造工藝以及電機效率的基礎之上，選取盡可能小的數值。

1.3 確定電磁負荷

一般電磁的負荷越大，電機尺寸就越小，相應的成本也就越低，所以選擇較高的氣隙長度值是較為理想的。在選取相對合適的氣隙長度時，應從電機的綜合技術經濟指標來考慮，以此保證制造、運行的費用最小，且性能良好。

圖一 迭代飽和系數過程圖

圖二 迭代電流有功分量過程圖

2 設計繞線轉子鐵心和繞組

2.1 選擇轉子槽數

繞線轉子感應電機的轉子繞組一般情況下為對稱三相繞組，線圈節距通常等于或是接近基波極距，所以，電子諧波磁場不會出現很大附加轉矩。出于遏制高頻諧波的考慮，轉子可裝有阻尼繞組。此外，為降低振動和噪音，通常會選擇數槽繞組。選擇轉子槽還應充分考慮控制數字轉子開路電壓，因此槽數不能過多。

圖三 迭代電勢系數過程圖

圖四 主程序流程圖

2.2 轉子繞組的基本特點

較大功率電機的轉子繞組均是雙層整距波繞組，這主要是為了節省線圈極之間的連接，并保持轉子易處于平衡機械狀態。此外，降低齒諧波，轉子應用半閉口槽，且口槽選擇用磁性槽楔，這主要為了縮小槽開口和由此帶來的氣隙磁導變化，其并聯的支路數量通常在1到2個，在大中型水輪發電機的定子以及繞線型感應電機中波繞線得到了廣泛應用。

3 1.5MW雙饋風力發電機的設計

這種風力發電機電磁計算模塊通常需要計算尺寸、氣隙，磁路尺寸，公用系數，各類參數，鐵心實際重量，電機銅耗量、鐵耗等等。此外，也包括幾個迭代過程，例如，在校核電壓調整率時，迭代空載轉子電流；在校核氣隙磁密最大值以及齒部磁密時，迭代飽和系數；在電校核有功功率時，迭代定子電流有功分量；迭代電勢系數。下面我們將主要分析飽和系數的迭代、電勢系數的迭代以及定子電流有功分量的迭代。

3.1 迭代飽和系數

先設定飽和系數，得出磁路的每極磁通、氣隙磁密、定子及轉子齒部磁密，再計算出氣隙磁壓以及電子及轉子齒部磁壓降，然后再按照得出的磁壓降，求出炮和系數，最后判斷解得數值和初設數值是否小于1%，若沒有，需重新設飽和系數，然后再一次計算。具體計算過程如圖一。

3.2 迭代電流有功分量

先設定子電流有功分量，依據設計任務書上的功率因數，得出定子電流無功分量；再根據等效電路求出系統總有功功率；最后，判斷所得系統總有功功率是否達到任務書上的相關要求。如果未達到要求，則需要重新進行計算。具體計算過程如圖二。

3.3 迭代電勢系數

這一迭代，一方面包括計算整個磁路，另一方面也包括計算部分電路。先應假設一個電勢系數，根據這一系數得出已變化的勵磁電流；然后計算出感應電動勢；再在感應電動勢基礎上，求出電勢系數計算值；最后，判斷求的值和假設值的誤差是否為負值，并且低于0.5%，若果不滿足條件，便需要重新進行計算。

具體計算過程如圖三。

3.4 主程序流程

根據大中型異步電機的電磁設計程序，可知道雙饋異步發電機電磁設計程序再包含上述計算模塊和迭代之外，還有電磁計算模塊流程。如圖四。

4 結語

總之，隨著環境污染以及能源危機的進一步加重，風能作為一種可再生的環保型資源，憑借其自身巨大的應用價值，逐漸在新的形勢下得到廣泛應用，這便由此推動了風力發電機相關工作的開展，其中又以設計、研發先進的風力發電設備最為關鍵。雙饋風力發電機憑借自身多方面優勢，是目前風力發電機組中應用最為廣泛的設備。相信隨著相關工作人員的不懈努力以及科學技術的進一步發展，1.5MW雙饋風力發電機的設計將更趨于完善。

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