[00126772]半直馈风力异步发电机

摘要

直馈发电机有以下7个特点：

1. 对风速5-20M/s的风能，尽收入网，THD≤5%。

2. 可应用新的“三相电源与由其衍生出的相控电源相融合”的新设计方法做成单绕组双速的电机（相控电源即是可变相位的电源）。

3. 可用单速电机的有效材料做成同功率的双速电机，其高速档功率与单速电机一样，而其低速档功率与低速单速电机一样。

4. 其低速档，由于采用了降低同步转速及适度降低相幅值，使效率得以提高，使得被遗弃的低速风能5-10M/s得以尽收入网。

5. 供电质量THD%是靠绕组的谐波来保证，绕组采用与普通电机完全一样的结构，因此工艺十分简单牢固，使用中故障率极低寿命长。

6. 由于不用变流器，所以成本大为降低，发电机效率可提高至少4.5个百分点以上。

7. 采用可无级调压的三相交流电做风力发电机的电源，也可用普通变压器中间抽头的简易结构。

关键词　直馈风力发电机 单绕组近极比双速 磁动势谐波 THD≤5% 宽收风能5m/s～20m/s 少维修寿命长 无变流器 可降低风机成本40%

1 前言

纵观风力异步发电机的30年发展历史，从一开始有美国GE公司的4/6P单绕组双速，4P 140°相带6P 120°相带的调幅变极变速，磁动势波形失真严重，到后来丹麦micon公司的双齿轮箱双电机，前者想省材料保性能，而后者保了性能而多用了材料，都未能为风能界所承认接受，两位先驱引路者昭示给风能界的同路人一个规则那就是：一要THD小，≤5%；二要节材，三要成本低。

风电事业的发展走向了今天这种状态：双馈式，永磁式为主流的以变流器离不开的逐渐走向大功率的风电时代。似乎认定变流器是解决THD%的唯一必循途径。须知变频器这个电子集群的设备，一是成本高，二是故障后的维修很不好掌握。已有报道，用了国外一家有名大公司的变频器，上塔两名高级技术人员排故障，不幸的是亡故于塔上，此难属个别事件，但不能不引人深思！何况风能的发展，单机容量日益增大，发电机的电压向着高压发展，变流器的制造难度日趋加大，都是客观存在的难点，有甚者我国三一集团在美国遇到的麻烦更是不好解决。

我们是致力异步机调速的，觉得还是不用变频器者为佳！像风力发电机，将发电机设计为双速的，以高速档用以吸收高速风能，而以低速档吸收低速风能，提高低速档的效率，是完全能够将5M/s-20M/s的风能尽数收入电网的，一机两用实现高效、广收、节材、重质、易维护、长寿命的，在今日看来要达到此目的是完全能靠电机自身不用变流器就做到的。

2 半直馈式风力发电机的设计实例

2.1 对半直馈式发电机设计的要求：

（1）发电机用异步机要做成单绕组双速近极比电机，所用材料等同于单速电机同等高速电机材料。

（2）双速的磁动势谐波总含量不超过5%。

（3）要将风速5M/s-20M/s的风能尽收入电网。

（4）风力发电机在整个风速范围内的效率要高于现行发电机的效率5个百分点。

（5）不使用变流器。

（6）风力发电机的设计要害参数是发电机的定转子槽数要适当。

例如对于12/16P应选定为144/115为理想最佳！其它近极比亦有合适的槽数可供选定。如国内用过576槽就可以直接变成近极比调成双速，而不用变流器了。

2.2 12/16P单绕组双速电机的形成

采用“三相电源与由其衍生出的变相电源相融合”的新的电机调速理论。可以调制出12P和16P的两个极数下皆为60°相带的磁动势波形图如附图1-1，附表1-1A和附图2-1：

（1）12P磁动势波形：

附图1-1

磁动势谐波分析：

基波H=7.066715×Sin(α)

附表1-1A

（2）16P磁动势波形：

附图2-1

这种高低双速60度相带的获得系出于“三相电源与由其衍生出的相控电源相融合”的新设计方法，从而解决了用电机取消变流器调速的风力发电机积存时久的难题。

磁动势谐波分析：

基波H=5.415676×Sin(α)

附表2-1B3 12/16P半直馈式风力发电机的效率特性

3.1 12P效率特性η=f(Vi)

例如功率1.5MW 见附图3-1

99%—级增速器效率（半直馈式仅有一级齿轮增速）

P0—空载损耗，对应额定风速时的损耗百分比5.6%

Vi3—输入风功率，对i=3-20M/s ，风功率属于3次方负载

2/5—是铁损占空载损耗的比例

3/5—是铜耗占空载损耗的比例

0.45—是励磁电流Im占定子电流的百分比

Vi3/ V203—是风功率所占额定功率20 M/s时的有功电流Ia的百分比

K—是一个系数，当风速等于20 M/s时K=0.7975，阻性，此时η=94.4%

3.2 12P固有η=f(Vi)计算：（U=1.0）

见附表3-1

3.3 16P人为效率特性：

0.99—升速箱1级效率

0.066—16P空载损耗百分值。其中Cu、Fe各占1/2

U*—铁损及励磁铜损约占一半，与(U*)2成正比(U*=0.6)，其它极数另有比例

Im—励磁电流16P占额定电流的一半

(Vi3/ V203)2—有功电流Im2，功率一定时反比于电压的平方

K—阻性系数，因固有电机结构而异，有不同的定值常数

本文K=0.6875

16P是为吸收低速风能而设计的，它受制于原材料的利用，受制于THD%的约束，受制于不使用变流器，更受制于发电机效率的约束。

欲达以上要求，本文采用了“三相电源与由其衍生出的相电源相融合”的新的电机设计方法，使用这种设计方法要求对电机与电机所用电源要同时有机地进行变相，改变相位角度以适应近极比变速之需要。

变速的目的在于：降低电机机械摩擦，提高电机效率并延长增速箱的使用寿命。在变相中要实现将原电机适用强风的特点变成兼适用弱风速的需要，从而做到对强弱风20-5M/s兼蓄并收。这是本文的最终目的，解决风能领域历久而不能解决的顽疾。

表4-1

从表4-1可见在风速10M/s- 5M/s之间，由于同步速的降低，使电机的机械损耗下降1.5个百分点，兼之又令电压U下降到0.6额定电压，从而降低了电机的铁耗(0.6)2并降低励磁电流Im产生的铜损耗(0.6)2，但是由于电压下降而使定子有功电流Ia的铜损耗按电压下降而反比平方的增加，在总合计及时前两项的减少占主要成分，而后一项的增多确是占比重很小，因为实计在低负荷输入(Vi3)下，故总的内阻是下降了，表列V=10M/s时U=0.6的η=87.5%增加11.5个百分点，而V=8M/s时U=0.6的η=76%，比12Pη=54% ,η增加22个百分点。

这样从12M/s到5M/s就可以多向电网馈送电能26kW，176 kW，121 kW，78 kW,45 kW，19 kW,1.1 kW,效果是明显的，这样用单绕组双速的直馈方法集风能，每年能多收多少电能呢？回答是大约5-8%电机的容量。齿谐波的损耗可在槽形上进一步减小，即用半闭口槽减小磁通的脉动来达到，槽楔用特制的形状来实现。

4 单绕组双速半直馈式风力发电机的无变流器的发展的明天

由于半直馈式是没有变流器，因此就没有变流调制中的时间高频高次谐波对电机绝缘产生的危害。众所周知，绕组是电机的心脏，而绝缘是绕组的心脏，绝缘一坏电机的寿命即终结。为避免高次谐波带来的危害在低压电机中绕组导线应采用耐2000V电压和耐温200℃，绝缘厚度不低于0.10mm增加厚度25%的高性能电磁线；而在高压电机改造中在使用变流器时，要将高压绕组结构变为低压结构后，才能变流变频调速以求节能！并剔除高压变频产生的严重危害。其实电网本身并不以变流器为充分且必要条件，国家大电网75%的容量都来自大型兆瓦级汽轮发电机，它们从来至今都不用变流器，性能一直理想，电机齿槽产生的低次谐波处理得当，做到THD<5%达到这一标准就完全可以了。高压变频就不单单是绝缘的问题，大功率晶体管的变频调制，要实现多个大功率晶体管的“同时导通”和“同时截止”，这是很难很难的，可以说是风力发电机向大功率发展的一个难以逾越的鸿沟。大功率风力发电机到底向何处去，本文以为这一答案应当是：今天是变频时代，明天可能和应该是转向双速电机时代，不用变流器的时代。因为“三相电源与由其衍生出的相电源相融合”的新设计方法已经成功解决了风力发电机的通断问题，与普通单速电机一样，双速电机与单速电机一样，功率不分大小，转速不论高低，频率50Hz、60Hz不限，就是说，单速电机能做多大，双速电机就能做多大！用于风力发电机是毫无问题的。

本文用了一种新的设计方法，在过去先行者美国GE公司丹麦MICON公司的基础上绘出的高低速双速结构，为风能的利用打开一条直馈的蹊径，不仅可以降低制造成本，更可贵的是大大降低维修成本，试想当今大型大容量风力发电的时代，向近海发展的今天，风机绕组出了问题，如何维修更换？根据厂史经验异步机无变频器，生产工艺加强一些，20年不维修是完全可能的（德国的大异步电机在清华实验室使用了近百年，没有修理的记录）！

5 结论

直馈式风力发电机是可行的，小容量1MW以下的在遍地运行着，其优点已如上述，但是风能界普遍存在着的痼疾—低速10M/s以下的风能不能利用却一直困扰着风能界。本文提出的基于“三相电源与其衍生出的相控电源相融合”的新的电机设计方法（即控制相位角）可以实现：用单速电机的有效材料做成双速电机，其高速出力,等同于单速电机出力，而其低速档的出力完全达到恒力矩负载之需要，且电机高低两速,皆可达到磁动势谐波含量,THD<5%的要求，这是电机领域的一个新成果。

直馈式发电机的设计关键的第一步是,对电机定转子槽数比的选定：对12/16P 的槽数比选144/115是要兼考虑了对12P和16P的两速的要求，达到其THD<5%，这是决定一切的指标，不能有丝毫的放松，因此在决定之前必须绘制其磁动势波形图，并对其做傅氏级数的完整定量的谐波分析，图形必须对中轴左右对称，对中心上下对称，台阶由下到上步阶要由大到小，其步阶中心点的连线,应在正弦波线上逼近重合。

国内用过576槽这一规格，依本文所见576槽完全可以不用变流器，用近极比调速即可做出THD小于5%的新机型，成本低50%，效率高8个百分点，寿命长，结构简单的大型风力发电机，功率不限。

一般所有电机效率特性都是上翘的，而风能属于三次方特性，是下垂的，所以低速风能5～10m/s被现代风力发电机弃之不收，成为一个固定的心疾。降低电压和省去变流器，可将电机损耗（铁损和变流损耗）降低50%，这样就将效率曲线下垂特性得到较大的提升8个百分点。风力发电机的效率曲线（固有特性和人为特性）如图3所示。

（2）“三相电源与由其衍生出的变相电源相融合”的新技术的应用其含盖面：直馈式风力发电机是此项新技术的应用,而得出的完美产品，他的缺点是无功，无功可用电容补偿。但不是全部，他的全部是：异步电机的有级调速、多级和无级调速。被调速的电机功率不分大小，从几十千瓦到几百MW，频率不限、电压不限，低压、中压高压皆可，材料节省，以单速电机为基本，工艺十分简单，控制十分容易不需要变流器。

图3 取消变流器，降低齿轮箱级数，只保留一级增速

并降低电源电压到60%的人为效率曲线