混合勵磁水輪發電機效益分析

夏永洪，李夢茹，周 琳，張 聰，辛建波

(1.南昌大學 信息工程學院，南昌 330031;2.國網江西省電力公司電力科學研究院，南昌 330096)

0 引 言

水能作為一種清潔能源，在發電過程中污染較小，可循環利用，運行經濟成本低，發展相對成熟。無論是改善能源結構，還是創造經濟效益，表現都較為優異。我國小水電資源充沛，中小河流在全國范圍內廣泛分布。據統計，可開發的小水電總裝機容量約為1.28 億kW，約占水能資源技術可開發總量的30%。根據我國水電開發規劃目標，至2030年，小水電裝機容量達9 300 萬kW，至2050年小水電裝機容量達1 億kW，開發率達到80%[1]。然而，目前的小水電廠基本上都是采用電勵磁同步發電機進行發電，并且以徑流式為主，發電效率不高，沒有充分發揮清潔能源的優勢，造成水資源的浪費。永磁同步發電機以永磁體替代電勵磁繞組建立電機主磁場，且取消了容易出故障的電刷和滑環，具有效率高、運行可靠的特點，在風力發電、小型內燃機發電、汽車發電機等領域廣泛應用。因此，也有學者提出采用永磁同步發電機替代小型水電站傳統的電勵磁水輪發電機[2,3]。文獻[2]在永磁水輪發電機的定子鐵芯中加入一定匝數的消磁線圈來降低發電機機端電壓，以滿足并網的要求，但因調節能力有限，并網操作時仍很難完全滿足并網的條件，通常都是強行并入，導致很大的沖擊電流，對機組機械強度造成了一定的破壞，其轉子示意圖如圖1所示。為了解決永磁水輪發電機并網的問題，文獻[3]在永磁水輪發電機的輸出端增加了一個變流裝置，將發電機輸出的10 Hz、230 V三相交流電通過AC-DC-AC變換成50 Hz，400 V的工頻交流電，可以滿足并網運行的要求，但增加了電力電子裝置，成本較高，其結構如圖2所示。

圖1 轉子示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotor

圖2 永磁水輪發電機外形結構圖Fig.2 Outline structure of permanent magnet hydro-generator

為此，本文提出一種混合勵磁永磁水輪發電機，該電機兼具永磁發電機效率高和電勵磁發電機氣隙磁場調節方便的優點，可以同時解決現有小型電勵磁水輪發電機運行效率低，以及永磁水輪發電機并網困難的問題。闡述混合勵磁永磁水輪發電機基本結構和工作原理，通過與電勵磁水輪發電機進行比較，分析混合勵磁水輪發電機主要材料用量，以及經濟效益和環境效益。

1 混合勵磁水輪發電機結構及原理

傳統的水輪發電機均為電勵磁同步發電機，如圖3(a)所示。以8極為例，在保持定子結構不變的情況下，將其轉子的一半電勵磁磁極改為永磁磁極，如圖3(b)所示。改進后形成的混合勵磁永磁同步發電機存在兩個磁動勢源，氣隙主磁場由永磁體和電勵磁繞組共同建立。

工作時的磁通路徑由兩部分組成：①永磁體產生的磁場從永磁體N極出發，經氣隙、定子齒、定子軛、定子齒、氣隙、永磁體S極、轉子軛，回到永磁體N極，形成一個閉合磁路。②勵磁繞組產生的磁場從鐵磁極N極出發，經氣隙、定子齒、定子軛、定子齒、氣隙、鐵磁極S極、極身、轉子軛、極身，回到鐵磁極N極，形成一個閉合磁路。

因此，當調節輸入到勵磁繞組的直流電流，則可以改變其產生的氣隙磁場，以實現水輪發電機端電壓的調節，從而滿足其并網的要求。

圖3 水輪發電機截面圖Fig.3 Sectional view of hydro-generator

2 效率及成本分析

為了便于分析，保證混合勵磁水輪發電機和電勵磁水輪發電機的主要參數相同，如表1所示。根據兩種水輪發電機的主要參數，采用磁路法[4]，計算得到了水輪發電機氣隙、定子齒、定子軛以及轉子軛的磁密值，如表2所示。

表2 水輪發電機各部分磁密對比 T

由于電勵磁水輪發電機沒有永磁體，所以其永磁極下氣隙磁密為空。由表2可知，混合勵磁水輪發電機和電勵磁水輪發電機的主要磁路的磁密基本相等。

2.1 效率計算

發電機的運行效率取決于電機的損耗，主要分為4類：定、轉子銅耗、鐵芯損耗、機械損耗、雜散附加損耗。對混合勵磁水輪發電機和電勵磁水輪發電機額定運行時的損耗和效率進行了計算，如表3所示，其中機械損耗和附加損耗采用經驗公式計算[5]。

表3 發電機損耗和效率比較

與電勵磁水輪發電機相比，混合勵磁水輪發電機的電勵磁磁極較少，相應的電勵磁損耗也較少，而其他損耗基本相等，因此，其運行效率較高。

2.2 成本對比

混合勵磁水輪發電機轉子上除了永磁體外，還有勵磁繞組。根據電機設計手冊，計算得到了2種電機的主要材料的用量，如表4所示。

表4 水輪發電機材料用量對比 kg

由表4可知，當兩種發電機的額定參數和主要尺寸相同時，電樞繞組和定子硅鋼片用量相同，而轉子硅鋼片由于混合勵磁水輪發電機下永磁磁極面積略大于鐵磁極，用量有所增加，與理論相符。此外，混合勵磁同步發電機的勵磁繞組為電勵磁同步電機的一半，同時新增了4個永磁磁極。

通過調研，目前硅鋼片的價格為6 元/kg，銅的價格為45 元/kg，永磁體價格為450 元/kg，由此可計算出2種水輪發電機主要材料的成本，如表5所示。

表5 水輪發電機成本對比

對于一臺300kW的混合勵磁水輪發電機，盡管運行效率提高了1.1%，但電機的總成本增加了12 187元。

3 效益分析

3.1 經濟效益

以徑流式小型水電站為例，假設年發電小時數為3 000 h，小水電平均上網電價是0.313 元/kWh，對于1臺300 kW的小型混合勵磁水輪發電機，每年新增經濟效益為2 817元。對于某一富含小水電的地區或者全國的小水電而言，若均采用混合勵磁水輪發電機，則可以獲得較大的經濟效益。截至2014年底，全國小水電站總裝機7 300 萬kW，江西省小水電裝機總容量308.3萬kW，其新增經濟效益如表6所示。

表6 采用混合勵磁水輪發電機的經濟效益

由表5和表6的分析可知，對于1臺300 kW混合勵磁水輪發電機，其增加的設計成本大約需要4 a可以回收，從長期來看，25 a為例，可多發電24.75 萬kWh，新增經濟效益7.747 5 萬元。

3.2 環境效益

采用混合勵磁水輪發電機可以提高水資源的利用率，其多發的電量假如由火電廠提供，在社會用電量一定的情況下，相當于減少了煤炭的消耗，從而降低了二氧化碳和二氧化硫等污染物的排放。根據節能減排的通用計算方法[6]，水輪發電機多發1 kWh的電量，可以節約標準煤0.4 kg，減少碳粉塵的排放量為0.272 kg，CO2的排放量為0.996 kg，SO2的排放量為0.03 kg，NOx的排放量為0.015 2 kg。

由表6可知，以江西小水電的裝機為例，采用混合勵磁水輪發電機后，年多發電量為1.02 億kWh，則可以節約標準煤0.408 億kg，減少碳粉塵的排放量為0.277 億kg，CO2的排放量為1.016 億kg，SO2的排放量為0.030 億kg，NOx的排放量為0.016 億kg。

對于全國的小水電而言，年多發電量為24.1 億kWh，可以節約標準煤9.640億kg，減少碳粉塵的排放量為6.555億kg，CO2的排放量為24.004 億kg，SO2的排放量為0.723 億kg，NOx的排放量為0.366 億kg。

小水電是清潔能源，其帶來的環境效益可用公式表示為[7]：

(1)

式中：n為污染物數量；Vei代表其環境價值，元/kg，碳粉塵的環境價值為2.2元/kg，CO2的環境價值為0.023元/kg，SO2的環境價值為6.00 元/kg，NOx的環境價值為8.00元/kg；Qi表示第i種污染物的排放量，kg。

根據公式(1)可得，采用混合勵磁水輪發電機后帶來的環境效益，如表7所示。

由表7可知，采用混合勵磁水輪發電機后，可以帶來可觀的環境效益，對促進節能減排，降低二氧化碳等氣體的排放具有非常重要的意義。

表7 采用混合勵磁水輪發電機的環境效益

4 結 語

圍繞提出的小型混合勵磁水輪發電機進行了研究，介紹了其基本結構和氣隙磁場調節原理，解決了永磁水輪發電機并網困難的問題。與電勵磁水輪發電機相比，混合勵磁水輪發電機運行效率較高；通過提高水資源的利用率多發的電量，有助于減少二氧化碳和二氧化硫等污染物的排放，同時帶來了較大的經濟和環境效益。

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