水風光聯合運行條件下水輪發電機關鍵部件的適應性設計研究

東方電氣集團東方電機有限公司 孟慶釗

風力發電與光伏發電因受晝夜交替、天氣變化等因素影響，呈現明顯的日夜周期性、波動性和隨機性，其發出的電能電壓波動大，有功不穩、無功不足，若將風力、光伏發電直接并入電網會對電網的穩定運行造成較大沖擊，進一步降低電網電能質量，這成為制約風力、光伏發電技術大規模應用發展的突出問題[1]。而水力發電具有裝機容量大、穩定性高、啟停靈活、負荷調節迅速、方便進相運行等優點，屬于優質電能。因此，發揮水力發電優勢，考慮水電同風、光發電聯合運行，借助其強大的存儲性和調節性，平抑風、光發電波動性等缺點，打造“水風光聯合運行、多能互補”的清潔能源調控樞紐，對消納風光發電、保證電能質量、建設堅強電網具有重要意義[2]。

為滿足水力、風力、光伏發電聯合運行要求，水輪發電機設計必須開展適應性研究，進行針對性調整。根據風力、光伏發電特點，分析提煉水輪發電機設計的適應性調整主要集中在以下三方面：適應寬范圍的電壓及頻率波動；深度進相運行能力；頻繁啟停下轉動部件的抗疲勞能力[3]。本文以某電站水輪發電機為研究對象，對其定子、轉子等關鍵部件的電磁計算、結構設計進行研究，以提升其上述三方面的適應性能力，為后續有相關需求的水輪發電機設計提供借鑒。

1 適應寬范圍電壓、頻率波動的定子、轉子電磁及結構設計

1.1 水輪發電機基本情況

總體結構及定子、轉子設計特點：某電站水輪發電機采用立軸半傘式結構，密閉自循環空氣冷卻方式。定子鐵心采用高導磁、低損耗、無時效優質硅鋼片疊壓而成，軸向分段設置徑向通風溝；定子線棒采用單匝、多股銅扁線，外包F 級絕緣的條式結構。轉子支架設計為圓盤式，轉子磁軛采用優質高強度鋼板疊壓而成，與轉子支架通過熱打鍵方式連接；轉子磁極采用矩形磁極，磁極線圈采用矩形銅排焊接成整體。

主要設計參數：額定功率300MW、額定功率因數0.9、額定轉速107.1rpm、額定電壓18kV、額定頻率50Hz、定子線棒數1176、定子鐵心內徑13300mm、定子鐵心外徑14200mm、定子鐵心長度2100mm、定子線棒股數62、轉子磁極數56、磁極極身寬度410mm、磁極極身長度2120mm、磁極線圈匝數17；重要電氣參數：定子繞組電流10692A、轉子繞組電流2665A、定子繞組溫升57K、轉子繞組溫升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電機定轉子繞組溫升、鐵心磁密方面產生影響，波動過大可能會造成定轉子繞組溫升過高而損傷繞組絕緣、材料磁負荷過高(磁飽和)導致鐵心過熱甚至燒毀等嚴重后果。因此在電磁設計是，主要是在定轉子繞組溫升、鐵心磁密方面開展研究，以適應寬范圍電壓及頻率波動[4]。

1.2 電壓、頻率波動對定轉子繞組溫升影響

采用定多變一法，經電磁理論計算得出電壓波動對發電機定轉子繞組溫升的影響規律，如圖1所示，得出頻率波動對發電機定轉子繞組溫升的影響規律，如圖2所示。

圖1 電壓波動對定轉子繞組溫升的影響

圖2 頻率波動對定轉子繞組溫升的影響

由圖1、圖2可知，當電壓及頻率波動時定轉子繞組溫升均有明顯變化，尤以轉子繞組溫升變化最為顯著，電壓越高、頻率越低轉子溫升越大，可作為發電機穩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、頻率波動對定轉子鐵心磁密影響

采用定多變一法，經電磁理論計算得出電壓波動對發電機定轉子鐵心磁密的影響規律，如圖3所示；得出頻率波動對發電機定轉子鐵心磁密的影響規律，如圖4所示。

圖3 電壓波動對定轉子磁密的影響

圖4 頻率波動對定轉子磁密的影響

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

1.4 調整措施

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

定子適應性設計：增加線棒股線數，降低電密；增大鐵心內徑、加長鐵心長度，既可降低電負荷又可控制齒部磁負荷，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荷，避免材料磁飽和；采用4mm 高定子通風溝，并適當增加通風溝數量，保證線棒良好冷卻條件。

轉子適應性設計：增大磁極銅排截面，降低電密；增加磁極線圈有效匝數，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構設計

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

此外，當發電機由滯相轉入進相運行，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構件因磁滯和渦流引起的發熱也越嚴重，成為進相運行的關鍵限制因素。為提升發電機進相運行能力，在定子結構設計上可做如下調整：邊段鐵心采用階梯結構，減少端部漏磁；邊段鐵心齒部中間開小槽，減少端部漏磁產生的渦流損耗；端部結構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 頻繁啟停下轉動部件的抗疲勞結構設計

3.1 有限元模型分析

建立該水輪發電機的轉動部件有限元計算模型，包括轉子支架、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載荷進行應力計算。此處以轉子支架為例，構建轉子支架有限元模型如圖5所示，計算得到最危險點平均應力如圖6所示、交變應力幅如圖7所示。停機-額定工況-停機工況下，轉子支架平均應力185、交變應力幅116MPa。

圖5 轉子支架、磁軛(1/14)有限元實體模型

圖6 轉子支架額定工況—停機狀態平均應力

圖7 轉子支架額定工況—停機狀態交變應力幅

3.2 疲勞壽命分析

以ASME 規范為依據，采用Miner 累積損傷準則，進行疲勞壽命分析。按照常規水輪發電機40年設計壽命，計算轉動部件在該周期內“停機-正常運行-停機”的允許循環次數(累計損傷系數≥1)，折算成每天可承受啟停次數，轉動部件疲勞壽命分析結果為（設計壽命內可承受起停次數/天）：轉子支架23、主軸≮6850、磁軛21、磁極鐵心部分≮6850、磁極線圈8、外徑側引線10、內徑側引線46。

考慮單日內風力、光照等天氣變化頻繁，設定發電機單日啟停次數≤24次(1次/小時)，對分析結果不理想部件(轉子支架、磁軛、磁極線圈、外徑側引線)進行結構優化，提升其抗疲勞能力，水輪發電機配合間歇性風力、光伏發電而頻繁起停的適應性亦將提高。表1為優化前后疲勞壽命結果對比。

表1 部分轉動部件優化前后疲勞壽命結果對比

3.3 轉動部件結構優化

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

綜上所述，針對性的電磁參數選取和調整，結合關鍵部件結構上的設計優化，可在一定程度上提高水輪發電機適應水風光聯合運行的能力。