大兆瓦級雙饋風力發(fā)電機關鍵技術(20120315).ppt

1、南車株洲電機有限公司,2012年03月15日 第1版,大兆瓦級雙饋風力發(fā)電機關鍵技術 李 進 澤 (中國南車首席技術專家),Page 2,報 告 提 綱,雙饋發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,雙饋發(fā)電機主要特點,結 束 語,大兆瓦級雙饋發(fā)電機關鍵技術,報告人：李進澤 (),Page 3,第一部分 雙饋發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,1,2,雙饋發(fā)電機技術發(fā)展路線,風電機組技術發(fā)展趨勢,風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,3,1 風電機組技術發(fā)展趨勢,資料來源: Bloomberg New Energy Finance,金風科技,（1）全球風電機組主要制造商產品發(fā)展路徑圖,1 風電機組技術發(fā)展趨勢,（2）風電機組大型化仍然是技術發(fā)展

2、的主要趨勢之一,單機功率和風輪直徑越來越大,風電機組技術發(fā)展趨勢 風電機組大型化,單機容量越大，單位kW的造價越低，單機容量逐步提高成為國際風電設備發(fā)起戰(zhàn)的主要趨勢之一； 2010年，中國風電機組裝機平均單機容量為1469 kW/臺，而全球為1774 kW/臺（其中大于2.5MW機組2010年比重達到8.4%，2009年僅為5.1%）； 中國已推出2.5MW、3.0MW、5.0MW和6.0MW風電機組，而在全球：Vestas推出7MW半直驅永磁風電機組，Repower推出6.15MW雙饋風電機組，Gamesa正開發(fā)5MW（2013年）、7MW（2015年）風電機組； 國內外都有公司已啟動810

3、MW風電機組的開發(fā)。,風電機組技術發(fā)展趨勢,（3）海上風電技術成為重要發(fā)展方向 2010年，全球海上風電裝機容量比2009年翻了一翻； 20112015年，全球海上風電將加速發(fā)展，預測到2015年，海上風電將占全球風電9.6%；歐洲風電場建設已從陸上向海上發(fā)展，海上風電將占歐洲風電23.7%； 我國海上風電規(guī)劃：2015年5000MW，2020年30000MW，目標已調低，技術不成熟、風險大、投資大和成本高是制約海上風電開發(fā)的主要因素； 未來風電技術更新發(fā)展的驅動力主要來自蓬勃崛起的近海風電場的建設，這一發(fā)展趨勢已不可逆轉。,風電機組技術發(fā)展趨勢,全球海上風電機組產品序列預測（2009-201

4、6）,風電機組技術發(fā)展趨勢,（4） 雙饋風電與直驅風電技術并存，但雙饋風電技術仍占市場主導地位 從風輪到發(fā)電機的驅動方式分為三種：雙饋式（通過多級增速箱驅動雙饋異步發(fā)電機），直驅式（風輪直接驅動多極同步發(fā)電機），混合式（單級增速裝置加多極同步發(fā)電機）。,直驅永磁同步風電系統(tǒng),雙饋風電系統(tǒng),風電機組技術發(fā)展趨勢 雙饋風電技術仍占市場主導地位,風電整機企業(yè)中主流機型為雙饋風電機組的仍然占多數，雙饋風電技術仍占市場主導地位，其中有： 著名的外資風電企業(yè)丹麥Vestas、西班牙Gamesa、美國GE、印度Suzlon等； 內資風電主導企業(yè)華銳、國電聯(lián)合動力、東汽、廣東明陽、上海電氣、南車株洲所等。 隨

5、著2011年永磁材料價格一路飚長，導致直驅永磁風電機組成本大幅增加，使雙饋風電機組在市場的選擇中，意外勝出。,風電機組技術發(fā)展趨勢,（5）半直驅永磁風電技術、高速永磁風電技術成為新的熱點 國外，半直驅永磁風電機組有：阿海法5MW已在海上小批量應用，最近Gamesa推出了4.5MW，Winwind推出了3MW，Vestas在開發(fā)7MW等； 國內，半直驅永磁風電機組有：金風科技推出了3MW，聯(lián)合動力在開發(fā)3.6MW、5MW等； 國內，高速永磁風電機組有：重慶海裝5MW、南車株洲所2.5MW（在研5MW）、北車2.0MW等； 全功率變流器+鼠籠異步發(fā)電機風電機組：Simens 2.3MW等。,Pag

6、e 12,第一部分 雙饋發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,1,2,雙饋發(fā)電機技術發(fā)展路線,風電機組技術發(fā)展趨勢,風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,3,2 風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,（1）雙饋風力發(fā)電機：6MW級 Repower推出6.15MW雙饋機組 華銳推出6MW雙饋機組 （2）直驅永磁同步風力發(fā)電機：6MW級 美國GE正在開發(fā)4.1MW直驅永磁風電機組 Simens、Nordex在開發(fā)6MW直驅永磁風電機組 金風科技計劃2012.6完成6MW直驅永磁風電機組樣機裝機 湘潭電機、上海電氣已完成或將完成5MW直驅永磁風電機組樣機研制,風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,（3）半直驅永磁同步風力發(fā)電機：7MW級 國外，阿海法5MW機

7、組已在海上小批量應用，最近Gamesa推出了4.5MW，Winwind推出了3MW，Vestas在開發(fā)7MW半直驅永磁機組； 國內，聯(lián)合動力正在開發(fā)5MW半直驅永磁風電機組。 （4）高速永磁同步風力發(fā)電機：5MW級 重慶海裝已完成5MW高速永磁風電機組研制 南車株洲所正在開發(fā)5MW高速永磁風電機組 （5）其它 全功率變流器+鼠籠異步發(fā)電機的風電機組（Simens2.3MW） 中國準備發(fā)展、推廣分布式風電機組（中等功率）,Page 15,第一部分 雙饋發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,1,2,雙饋發(fā)電機技術發(fā)展路線,風電機組技術發(fā)展趨勢,風力發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,3,3 雙饋發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,（1）功率等級逐

8、步增加，6MW級雙饋發(fā)電機已成為技術、市場的主攻方向 隨著風電機組大型化，發(fā)電機功率等級逐步增加已成必然，23MW雙饋發(fā)電機即將成為市場主流，6MW級雙饋發(fā)電機已進入商業(yè)化運行。 Repower推出了6.15MW雙饋機組 華銳推出了6MW雙饋機組,雙饋發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,（2）中壓、高壓雙饋風力發(fā)電機 在常規(guī)發(fā)電設備中，當容量大于MW級，一般都用高壓發(fā)電機。如采用高壓風力發(fā)電機，系統(tǒng)可減少一臺升壓變壓器、輸出電纜線重量，可提高逆變器系統(tǒng)效率（1%2%），可提高輸送電能效率，從而提升系統(tǒng)發(fā)電效率；同時，也將降低發(fā)電機線圈、嵌線、出線等制造難度。 3MW以上風力發(fā)電機應考慮采用中高壓，一般可采用2

9、300V、3000V、3300V、6000V、12000V等，但考慮中高壓逆變器供應商少，目前仍較多采用低壓發(fā)電機，如600V、660V、690V、950V。 雙饋發(fā)電機有兩種技術路線（從電壓選擇角度）： 發(fā)電機定子采用高壓，轉子仍采用低壓（690V級），如安迅能1.5WM雙饋發(fā)電機定子額定電壓采用12000V 、華銳5MW雙饋發(fā)電機定子額定電壓采用6300V； 發(fā)電機定子、轉子均采用高壓。,風電機組技術發(fā)展趨勢,18,（3）大兆瓦級雙饋發(fā)電機多應用于海上風電 海上鹽及潮濕環(huán)境環(huán)境腐蝕 運行維護期間進入風場的限制和高成本高可靠性、可維護性要求,Repower的5MW海上雙饋風電機組,Vesta

10、s3.0MW海上雙饋風電機組,Page 19,報 告 提 綱,雙饋發(fā)電機技術發(fā)展趨勢,雙饋發(fā)電機主要特點,結 束 語,大兆瓦級雙饋發(fā)電機關鍵技術,報告人：李進澤 (),Page 20,第二部分 雙饋發(fā)電機主要特點,1,2,雙饋發(fā)電機類型,雙饋發(fā)電機結構,雙饋發(fā)電機技術特點,3,1 雙饋發(fā)電機類型,風冷雙饋風力發(fā)電機,水冷雙饋風力發(fā)電機 （水夾克機座或空水冷卻器）,水冷機座,空空冷卻器,獨立冷卻風機,水冷雙饋風力發(fā)電機外部結構,2 雙饋發(fā)電機結構,轉子接線盒,滑環(huán),水冷機座 及定子,端蓋,軸承裝配,轉子,定子接線盒,直驅型風力發(fā)電機,繞線式異步電機，采用定、轉子兩套繞組和滑環(huán)； 發(fā)電機冷卻方式：

11、采用空空冷或空水冷或機座水冷； 發(fā)電機防護方式：IP54； 轉子繞組通過變流器與電網相連，承受較高的du/dt； 發(fā)電機轉速變化范圍最大可為同步轉速30，一般在同步轉速70130內調節(jié)調速； 溫升限值：額定點按降低一個絕緣等級考核溫升，一般F級絕緣/B級溫升考核，H級絕緣/F級溫升考核。,3 雙饋發(fā)電機技術特點,Page 24,第三部分 雙饋發(fā)電機關鍵技術,4,5,6,轉子結構,絕緣結構,滑環(huán)系統(tǒng),軸承電蝕,3,電磁設計,2,海上防腐,1,1 海上防腐,（1）海上風電機組將面臨海洋鹽霧腐蝕環(huán)境的巨大挑戰(zhàn) 環(huán)境空氣溫度可達50； 空氣相對濕度為953，并有凝露； 有鹽霧、霉菌的不利影響。 （2）

12、海上風電機組通常要對機艙采取密封措施、除濕處理 海上風電機組多采用密封機艙，減少外部空氣流入，國外現有機型如GE3.6sl、V90/3MW、 V112/3MW、SWT-3.6-107、G10X4.5MW等機組均是采用全密封機艙，且使機艙內要保持正壓； 對于少量外部進入機艙的空氣進行除濕處理，比較現實的方法是使用冷凍除濕機或超重力除鹽凈化裝置； 鹽霧顆粒的直徑大多在2微米以下，有90%以上小于5微米，在機艙進氣口使用鹽霧過濾裝置，對于海上風電來說可行性較低，因為這種過濾裝置必須定期更換才能保證過濾效果。,海上防腐,（3）海上風電機組雙饋發(fā)電機的三防設計 雙饋發(fā)電機三防設計時，應重點關注絕緣結構、

13、發(fā)電機外表面、滑環(huán)系統(tǒng)碳刷、速度編碼器、接線盒、軸承結構等的耐潮、耐霉、耐鹽霧能力； 三防設計要從優(yōu)化結構、優(yōu)選材料、表面處理、密封干燥等四個方面考慮 應采用阻燃、耐潮、耐霉、耐鹽霧的材料和結構； 重點考慮發(fā)電機及相關部件的密封，如發(fā)電機防護方式IP54、速度編碼器IP65； 在清潔的大氣中，金屬腐蝕與溫度、相對濕度的關系： 大氣腐蝕度=（-65）1.045t/10 式中：相對濕度R.H t溫度 一般濕度65%R.H，金屬容易生銹，且隨濕度和溫度增加而加速。,海上防腐,（4）海上風電機組雙饋發(fā)電機或其有關零部件的環(huán)境試驗 長霉試驗GB/T 2423.16-2008電工電子產品環(huán)境試驗 第2部分

14、：試驗方法 試驗J 及導則：長霉，按二級要求，即長霉面積不超過25%； 鹽霧試驗GB/T 2423.18-2008電工電子產品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Kb：鹽霧,交變（氯化鈉溶液），按嚴酷等級1進行，包括：四個噴霧周期，每個周期2h，每個噴霧周期后有一個為期6天22h的濕熱貯存周期； 交變濕熱試驗GB/T 2423.4-2008電工電子產品環(huán)境試驗 第2部分：試驗方法 試驗Db：交變濕熱（12h+12h循環(huán)），嚴酷程度為：高溫為50、試驗持續(xù)時間為2個周期（48h）。,Page 28,第三部分 雙饋發(fā)電機關鍵技術,4,5,6,轉子結構,絕緣結構,滑環(huán)系統(tǒng),軸承電蝕,3,電磁設計,2,

15、海上防腐,1,直驅型風力發(fā)電機,（1）大兆瓦雙饋發(fā)電機極數一般采用6極 2MW以下雙饋發(fā)電機多采用4極，4極發(fā)電機的軸中心高不宜超過710mm（對應發(fā)電機功率可達44.5MW）； 現2.5MW、3MW及以上的大兆瓦級雙饋發(fā)電機多采用6極。 （2）電磁負荷選取 整個運行范圍內發(fā)電機的溫升和效率 轉速最大為同步轉速30，應注意低速時通風散熱能力的降低； 功率因數： -0.9（超前）10.9（滯后）； 電壓波動：額定電壓10% 。 轉子采用變頻器供電時發(fā)電機的諧波影響 引起轉子鐵損和定轉子繞組銅損增加，引起定轉子繞組溫升上升； 考慮到高次諧波將加深磁路飽和，發(fā)電機磁路應設計成不飽和結構。,2 電磁設

16、計,電磁設計,系統(tǒng)控制方式的影響 槳距控制動態(tài)入流現象：引起暫態(tài)過電流，引起磁路飽和效應，從而產生高次諧波； 低電壓穿越短路棒保護：當電壓嚴重跌落時，高次諧波會使暫態(tài)電流增加。 電磁設計時，電磁負荷、熱負荷、溫升應留有一定裕度 定轉子熱負荷AJ隨功率增加而降低，一般為9001300A2/(cmmm2)（比YR型電機大約低30左右）；同功率空冷比水冷略低； 發(fā)電機磁負荷選取應略低于常規(guī)發(fā)電機。,電磁設計,定子轉子槽形,（3）槽形、線圈型式 定、轉子槽形采用開口槽、半開口槽、半閉口槽； 定、轉子繞組采用成型線圈（采用矩形扁繞電磁線）。,定子線圈和定子,轉子線圈和轉子,Page 32,第三部分 雙饋

17、發(fā)電機關鍵技術,4,5,6,轉子結構,絕緣結構,滑環(huán)系統(tǒng),軸承電蝕,3,電磁設計,2,海上防腐,1,3 轉子結構,（1）轉子結構設計、制造時重點考慮的主要因數 發(fā)電機轉子接變流器，會增大轉子損壞的危險； 發(fā)電機轉速一般為同步轉速70130； 轉子繞組端部必須有牢固的支撐，以適應機械旋轉和發(fā)電機內部的溫度環(huán)境要求。轉子繞組端部的固定與防護是一個難點，既要能經受飛逸工況下的最大離心力不被損壞，又能保證適宜的通風； 轉子引線連接和固定，確保運行可靠； 轉子在穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)性能方面還有一些新問題 需要研究，如槳距控制動態(tài)入流現象、 低電壓穿越短路棒保護等。,轉子結構,動態(tài)入流現象變槳過程中風輪的機械轉矩過

18、沖； 快速變槳時，在槳距控制型風電機組機械轉矩會出現明顯過沖，過沖量取決于風輪運行狀態(tài)和風輪半徑，風速越低、變槳速率越大、風輪半徑越大，過沖量就越大； 發(fā)電機在轉速上升階段時，會 有數倍額定轉矩施在其轉軸上。 低電壓穿越短路棒保護：在 系統(tǒng)采取短路棒保護方式進行低 電壓穿越時，將可能在瞬時將數 倍發(fā)電機額定轉矩施加在其轉軸 上（遠大于系統(tǒng)要求的最大轉矩： 2倍額定轉矩）。,機組以不同變槳速率使功率從額定功 率的20%提高到100%時的機械轉矩,轉子結構,（2）大兆瓦級雙饋發(fā)電機轉子多采用插入式或嵌入式棒式線圈 轉子線圈并頭釬焊：插入式或嵌入式矩形線棒兩端的并頭釬焊是轉子制造的難點，也是影響發(fā)電

19、機運行可靠性的關鍵項點之一。 合理的并頭結構 可靠的釬焊工藝,并頭釬焊,轉 子 矩形棒式線圈,轉子結構,連接和固定：轉子電纜引出線與轉子線圈端部并頭環(huán)和滑環(huán)的可靠連接和可靠固定，是直接影響高速運轉的發(fā)電機運行可靠性關鍵項點之一。 轉軸深孔中導電桿與集電環(huán)固定方式，可借鑒下圖中的汽輪發(fā)電機集電環(huán)結構。,一種汽輪發(fā)電機集電環(huán)裝配簡圖,導電桿,導電螺釘,導流環(huán),集電環(huán),絕緣筒,轉軸,絕緣,Page 37,第三部分 雙饋發(fā)電機關鍵技術,4,5,6,轉子結構,絕緣結構,滑環(huán)系統(tǒng),軸承電蝕,3,電磁設計,2,海上防腐,1,4 絕緣結構,發(fā)電機絕緣老化因子,（1）絕緣破壞的主要因素 四大主要因素： 電因素

20、熱因素 機械因素 化學(或環(huán)境)因素,絕緣結構 絕緣破壞的主要因素,環(huán)境因數 環(huán)境溫度：-30C50C； 污穢：級污區(qū)； 三北地區(qū)：低溫、晝夜溫差大、風沙大、高海拔（4000m）； 沿海地區(qū)、海上風電場：鹽蝕、潮濕（空氣濕度：95，最大達到100）。,沿海地區(qū)（潮濕、鹽霧）,三北地區(qū)（低溫、晝夜溫差大）,絕緣結構 絕緣破壞的主要因素,機械因數 機械力：風塔振動、頻繁啟動、轉速頻繁波動和大范圍變化； 內應力：極低溫和高溫差環(huán)境； 發(fā)電機內各次時間諧波與電磁部分固有空間諧波相互干預，形成各種電磁激振力；變頻器的脈沖波，使電磁振動變得更為嚴重。 必須考慮在機械、電磁激振力和 震動影響下，發(fā)電機絕緣處

21、于循環(huán)交 變應力作用，會加速老化。,某風電場風速日變化記錄,絕緣結構 絕緣破壞的主要因素,電因數 電流、電壓變化頻繁、無規(guī)律受自然風變化及電網波動的影響 過電壓：雷電過電壓和轉子變頻器產生的重復陡脈沖 雷擊在風力發(fā)電機定子（或轉子）繞組產生的過電壓應慎重考慮 變漿控制引起過沖電壓 低電壓穿越時，由于發(fā)電機內磁場變化不能跟蹤電網電壓的變化，將產生直流分量，會造成轉子電壓上升。,某風電場實測功率曲線,絕緣結構 絕緣破壞的主要因素,變頻器供電：變頻器在發(fā)電機轉子線圈上引起的局部放電、局部介質發(fā)熱和空間電荷積聚、電磁激振和振動，最后將導致線圈匝間匝間短路，相相或相地間的絕緣擊穿，而最常見的是匝間短路。

22、 IGBT變頻器極短促的開關動作會產生極高的交變尖峰電壓：波前時間極短、電壓幅值相當于3倍標準電壓、大部分線電壓加在第一個線圈上； 電纜傳輸線理論：發(fā)電機接線端上的線電壓是變頻器出線端電壓的2倍。,發(fā)電機側變頻器電流波形,變頻器供電電機終端電壓波,絕緣結構 絕緣破壞的主要因素,變流器電源產生交變尖峰電壓使發(fā)電機線圈相鄰導線之間的電壓可以相當高，使發(fā)電機絕緣都要承受額外的高電壓強度； 可能導致線圈絕緣層發(fā)生局部放電現象（稱為“電暈”），產生的能量和生成物將逐漸腐蝕絕緣層； 變流器諧波電壓產生的附加損耗轉化為熱能，也大大加速了電機絕緣老化。,絕緣結構,（2）絕緣結構設計 增加匝間及對地絕緣厚度，以

23、提高絕緣結構的安全儲備裕度（大于10倍）； 選用耐電暈性能好的絕緣材料，以提高繞組的耐電暈性。,匝間絕緣,對地主絕緣,絕緣結構,（3）完善的定轉子嵌線后浸漆、烘焙處理工藝 無溶劑浸漬樹脂、整體真空壓力浸漆（VPI）、 旋轉烘焙； 使絕緣漆填充并消除絕緣內的空隙，確保“無氣 隙絕緣結構”，以消除絕緣內的空隙和表面放電，避免發(fā)生局部放電，提高整體耐 電暈能力； 提高絕緣防潮濕、防鹽霧能力，導熱性和機械 強度。,絕緣結構的VPI驗證,絕緣結構,絕緣系統(tǒng)耐鹽霧試驗,線圈鹽霧試驗,（4）嚴格的絕緣結構考核、驗證試驗 絕緣壽命試驗 濕熱試驗 鹽霧試驗 長霉試驗,Page 47,第三部分 雙饋發(fā)電機關鍵技術,4,5,6,轉子結構,絕緣結構,滑環(huán)系統(tǒng),軸承電蝕,3,電磁設計,2,海上防腐,1,5 滑環(huán)系統(tǒng),（1）滑環(huán)系統(tǒng)需重點考慮的因素 東南沿海地區(qū)的潮濕、鹽霧； 西北的風沙、晝夜溫差大； 高原的空氣稀??； 轉速范圍寬； 負載跨度大。,滑環(huán)系統(tǒng),（2）熱套式滑環(huán)結構 采用熱套式滑環(huán)結構或環(huán)氧澆注式滑環(huán)結構 滿足于雙饋發(fā)電機高速運行需要。 需提高滑環(huán)防潮性 在絕緣筒與鋼套筒、集電環(huán)之間進行密封處理。 集電環(huán)多采用高強度的不銹鋼環(huán)，可用于腐蝕性場所。,熱套式滑環(huán)結構,滑環(huán)系統(tǒng),（3）環(huán)氧樹脂澆鑄滑環(huán)結構 用耐高溫環(huán)氧樹脂加超細玻璃纖維作為增強材料 真空壓力澆鑄工藝制