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1、风涡轮发电机设计的现状与未来趋势风涡轮发电机设计的现状与未来趋势Yao Duan and Ronald G. HarleySchool of Electrical and Computer EngineeringGeorgia Institute of TechnologyAtlanta, GA摘要摘要- -近年来，各种风涡轮发电机组被设计和制造，例如传统的异步发电机，双馈感应发电机，现场励磁同步发电机和永磁同步发电机。发电机通过变速箱或没有（所谓直接驱动）和涡轮耦合，在发电机和电网之间有 4 种不同接口，依赖于所使用的电力电子转换器的类型而定。本文回顾了不同发电机的拓扑结构和它们的涡轮连接上
2、的最近发展事态，提出了一个新的无变速箱或任何能量电子的发电机设计概念，可行性在此文章中被证明。关键词关键词- -直接驱动，异步电动机，风、简介、简介风能发电是一个世界范围级的快速增长区域。各种风涡轮机和发电机的拓扑结构已被开发，来最大限度地提高能源转换效率，系统可靠性，并最大限度地降低成本。风涡轮机的挑战，就是去转换一个相对较低和可变的输入- 冲击在转子上的风力 - 成为一个更快、稳定、适合电网连接的交流电输出1。随着风力发电机组功率的快速增长，这个挑战越来越受到关注。本文阐述了一些更流行风涡轮发电机组的概念和可用的商业产品，集中在发电机的设计和影响整体风涡轮机系统的发电机拓扑上。在总结兆瓦级
3、的机器目前趋势和挑战之后，一个新的风涡轮机的概念被提出，避免了变速箱和电力电子转换器，但提高了系统的整体效率，可靠性，机舱重量和系统的可能性整体成本。IIII、当前发电技术的回顾、当前发电技术的回顾1A A、发电机和电网互联的四种类型发电机和电网互联的四种类型一般来说，目前有四大发电机类型被使用在实用级风涡轮发电机组中，名字：异步发电机，双馈感应发电机，现场励磁同步发电机和永磁同步发电机2。风涡轮发电机受天气情况影响，在涡轮和发电机之间有变速箱。另外，根据发电机连接到电网的手段，有四种类型，如图 1 所示: 3图 1:发电机和电网互联的四种类型的插图B B、变速箱和直接驱动变速箱和直接驱动变速
4、箱转变涡轮起步相对较低的转子速度成为接近于发电机的同步速度，降低了发电机重量和避免带有多极慢速度发电机的设计。然而，变速箱有其自身的重量和低可靠性2。此外，变速箱功率损失占系统总损失的比例相当2高，然而效率降低11。基于上述原因，风涡轮机所吸引的制造商将回归成为直接驱动发电机的制造者。无论是在励磁同步发电机（表 1 类型 2）或永磁同步发电机（表 1 类型 9-11）类型里，目前销售的大多数直接驱动涡轮机都是同步发电机。该表还显示直接驱动发电机的重量按预期的比通过变速箱驱动的发电机要高得多。例如，3.8 兆瓦永磁同步发电机（表 1 类型 11）本身的重量比在表 1 3-7 设计的机舱高得多，尽
5、管机舱包含发电机，变速箱，传动轴，刹车等等。另外据在2中报道，和其他类型相比直接驱动永磁发电机都比较昂贵。尽管直接驱动系统有较大的重量和更高的成本，风涡轮机市场的趋势显示直接驱动发电机正在成为首选。例如，表 1 设计 10 是来自维斯塔斯最新的发电机设计，维斯塔斯是风涡轮机市场的一个重要角色。此 3兆瓦永磁同步发电机产品显示，维斯塔斯正在从他们的前齿轮式中空玻璃（设计 3,4 和 5）成为永磁同步发电机。C C、连接到电网连接到电网表 1 还显示，大多数直接驱动发电机使用电力电子转换器连接到电网(图 1 类型 4)。其配置有全套可变轴转速操作，从而允许最大功率点跟踪风速。此外，这些发电机可以被
6、设计成较少的极数和产生约 16 至 20 赫兹而不是在 60 赫兹左右的频率。然而，和图表 1 其他三种类型相比，这个配置的缺点也是重要的。在类型 4 中，转换器以发电机的全功率评比，而在类型 3 的变频器以转差功率来评比，这是大约 30的发电机额定功率。大功率电力电子转换器降低了系统的可靠性，并增加了成本。此外，电力电子设备的电源电压和功率能力限制发电机的电压水平。发电机设计时，首选更高电压等级因为它减少了绕组电流，从而降低了损失。类型 2 和类型 3 受转子电阻控制，允许一定范围内的转子速度变化，如维斯塔斯得技术（类型 2）6或双馈配置（类型 3） 。转子电阻控制被赋予伤口转子和滑环。不过
7、，滑环发电机的使用也有缺点。滑环部分还有额外的成本和需要保持刷齿轮包括定期更换电刷。刷齿轮相关的问题在风涡轮机的运行和可靠性上是一个重大的问题。 D D、定速或变速定速或变速一个特定网点的变速或定速风发电机的选择是由多种因素决定的：网点3的的风速分布，可靠性和维修问题，系统成本和发电利润。目前，无论是由于尺寸较大的直接驱动发电机或电力电子转换器，还是绕线转子感应发电机上的滑环，变速发电机的成本远远高于定速发电机。另一方面，大多数电力部门生产变速发电机都是因为最大功率点跟踪。长远来说，哪种类型的风力发电机是更有利可图取决于发电机安装处网点的风分布。表 1：近年来发展的典型风力涡轮发电机名单编 号
8、发电机类 型变速 箱制造者功率齿轮转速发电机 电压电网连 接类型机舱 重量发电机 重量1励磁同步 发电机是DeWind 42MW11.1 - 20.7 rpm13.8 kV462,00 0 kgN/A2励磁同步 发电机直接 驱动Enerco n54.5MWN/AN/A2N/A220,00 0 kg3异步发电 机是Vestas 6850KW26 rpm690V238,00 0 kgN/A4异步发电 机是Vestas 62MW16.7 rpm690V267,00 0 kgN/A5异步发电 机是Vestas 63MWN/A1000 V370,00 0kgN/A6双馈感应 发电机是Gamesa 785
9、0KW16.2 - 30.8 rpm690V333,00 0 kgN/A7双馈感应 发电机是DeWind 42MW11.1 到 2.7 rpm690V362,00 0 kgN/A8双馈感应 发电机是Gamesa 72MW9-19 rpm690V410700 0kgN/A9永磁同步 发电机直接 驱动Zephyr os81.5MW18 rpm3000 V4N/A47,200 kg10永磁同步 发电机直接 驱动Vestas 63MWN/AN/A470,00 0 kgN/A11永磁同步 发电机直接 驱动he Switch 93.8MW21 rpm690V4N/A81,000 kg12永磁同步 发电机是
10、he Switch950KWN/A690V4N/A3,400 kg49根据15，一个特定网点的风速分布一般遵循 WeiBull 分布，按如下（1）中定义：然而：V0 =风速h = lim 0000)( VVVVQV 0k,l 是站点特定的形状因子。不同的站点有不同的风速分布，不同的形状因素。图 216显示在Weibull 风速分布上形状因子 k 的影响。一般来说，风点数据倾向于 K 值为2，但网点观察值低至 1.5，高至 31718。像在图 2 中所看到的，在低 k点，风速分布是更加“扁平化”和在电能生产方面变速发电机，将有超过定速发电机的优势。另一方面，在具有较高的 K 点，风速中心分布紧紧
11、围绕在一个固定的值，大部分时间，定速发电机具有良好的风力发电转换。5图 2.在 WeiBull 分布上形状因子 k 的影响 E E、将来趋势、将来趋势从市售风力涡轮发电机的以上分析看出，直接驱动，电网连接发电机是风力发电未来趋势。变速箱和电力电子转换器的消除将显著增加系统可靠性。整个系统的效率会增加，因为变速箱和电力电子变换器的损失消除了。此外，上面讨论的变速箱和转换器的其他的缺点也不再关注。、直接驱动，电网连接的发电机设计、直接驱动，电网连接的发电机设计基与商业可用性兆瓦发电机的使用，为了直接驱动，本文考虑了三种候选发电机类型，电网连接发电机：励磁同步发电机，永磁同步发电机和感应发电机。然而
12、，1213声明了永磁铁励磁的好处，永磁励磁消除了励磁同步发电机励磁损失。同步发电机和鼠笼式感应发电机通常是以固定速度的风力涡轮机运转，这是特别适合风速 Weibull 分布中较高的 k 点。为了直接驱动和电网连接风力发电机应用，本文设计和比较了感应机和永磁电机。A A、鼠笼式异步发电机的设计鼠笼式异步发电机的设计鼠笼式感应发电机设计时首先阐明了直接驱动、电网互联兆瓦级发电机的可行性；基本设计参数是 5 兆瓦，13.8 千伏（线-线电压）和 400 极，60赫兹。选择的风力发电机组的额定转速为 18 转，这是一个兆瓦级风涡轮机如表 1 所示。然后，如果选择 3 个插槽/杆/极，定子就有 3600
13、 插槽。为了减少发电机的谐波，定子绕组短投 1 插槽。对于这种类型的绕组配置，绕组系数Kw根本原来就是 0.9452。异步发电机的基本设计开始于经典施胶方程14：S 的单位是 W，是特定的磁感应强度，ac 是特定的电力负荷，单位 A/m，DB是定子孔直径，单位米，L 是发电机有效长度，单位米，n 是额定转速，单位转每秒。如果选择典型值，例如，效率 eff=0.84，功率因数 pf=0.84，Kw 6=0.9659，=0.5 特斯拉，ac=40000，然后计算公式为：BLD2Pout是额定输出功率，为 5。极距长度pl按如下定义：其中 Y 是极距以米为单位和 p 是极数。如果选择一个方形的极点配
14、置，因此 Kpl=1 和定子内径 24.3 米，定子长度 0.191 米。这显著的大型定子内径对于发电机制造，运输，安装，是一个伟大的挑战， 从而需要被减小，这意味着 Kpl值需要降低。另一方面，因为对于同样的极域，方极线圈长度最短，为了保持定子低电阻，Kpl不能太小。由于制造能力，结构刚度和轴承，此基础上设计的电机气隙长度较大。根据19，对于此设计，气隙长度 10 毫米是一个可能值。这个大气隙长度会显著增加整个气隙长度，从而导致降低气隙磁通密度。作为结果，特定的磁感应强度下降到 0.25 特斯拉。B随着选择 Kpl是 1/10，定子内径被定义为 15.245 米和眼轴长度是 1.197米。据
15、报道的风力发电机最大定子膛直径是 10 米5，这表明在此基础上设计的 15.245 米定子内径可行性。Enercon 制造直径 10 米的发电机，发电机的结构如下面图 3 所示：7图 3：气隙直径 10 米的风发电机插图-Enercon E1125经过衡量机器的大小，这种环型感应机运用14中典型感应机设计方法进一步设计。其他设计参数和性能指标突出如下表 2：表 2：直接驱动电网连接感应发电机的设计 定子膛直径15310 mm额定电压13.8 kV 定子外直径15245 mm额定滑差0.064 转子外直径15185 mm额定效率85.50% 转自内直径15225 mm额定功率因数0.6 定子电流
16、密度5.1Amm2分裂滑差0.21 转子导条电流密度5.1Amm2分裂扭矩比1.72pu 气隙磁通密度0.25 T有效质量18.6 tons尽管大气隙长度，表 2 表明，这个基本设计有一个比较高的效率（85.5） 。虽然功率因数（0.6）由于大的气隙相对较低，这种低功率因数可以被功率因数控制电容器纠正。性能可以和标准异步电动机媲美，并且此基础上设计的发电机连接到电网是可行的。 B B、表面安装的永磁发电机设计表面安装的永磁发电机设计一些公司设计永磁发电机电机直接驱动风力发电机组，如表 1 所示。在表 1 目前的设计中，为了有较少的极数，发电机的输出具有较低的频率（3.88千瓦的设计频率 17.5 赫兹） 。在本文中，PM 发电机被设计以 60 赫兹的频率连接到电网，极数要高得多。因为基本设计是 18 转，极数为 400.根据施胶方程（2） ，永磁发电机定子内径被设计和以前的感
