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1、第一章 Z82风电机组总体技术说明1 湘电Z82/2000技术优势a) 结构简单、运行可靠；b) 采用直接驱动，无齿轮箱；c) 采用永磁同步发电机，低发电机损耗，高效率发电；d) 机舱可提供正压和过滤空气，可保护发电机及叶端控制系统不受盐风、沙尘的影响；e) 采用全功率变频，上网电源品质优等；f) 设计正常运行寿命20年以上；g) 少维护、低保养成本；h) 适应性强，可用于陆地，滩涂，近海等强风地域的发电；i) 耐风速最大70m/s；j) 最大起吊工件仅重50吨，与1.5MW双馈型机组相比,最大单件起吊重量约轻30%左右。2 关于直驱永磁风力发电机组特性的说明2.1 直驱风机设计概念变速运行通
2、过变桨最大限度地利用风能，提高发电量风轮直接带动同步发电机，无齿轮箱通过交直交转换并网2.2 直驱典型成功案例德国ENERCON公司自1992年以直驱技术作为技术路线，成功地开发出E-33(330kW)，E-48(800kW)，E-70(2000kW)，E-82(2000kW)，E-112(4500kW)机型，荷兰LAGERWEY公司开发的750kW、ZEPHYROS公司开发的Z72/1500/2000kW在欧洲、日本、台湾均已批量供货，目前运行状况良好。2004年ENERCON在全球市场份额是18.5%，居世界第三位，并且增长势头迅速，直逼排名第一的VESTAS，第二名的GAMESA(VES
3、TAS 和GAMESA采用的是同一个变滑差技术)，由此可见，直驱型风机将逐步成为风力界的首推技术。2.3 湘电Z系列机组与其他直驱机组技术比较机组原理图 相同点：变桨变速(直流伺服电机+齿轮传动减速器)、同步发电机、内转子设计、交直交转换并网、无齿轮箱结构。不同点：a) 湘电Z82/2000机组采用荷兰ZEPHYROS公司(Lagerwey)技术，永磁同步电机，不需要外部励磁；b) ENERCON机组采用外部励磁同步电机；c) 湘电Z82采用空冷、正压(防止潮湿气体、沙尘进入)，ENERCON采用自然空冷。2.4 优势对比励磁直驱与永磁直驱技术数据比较表比 较 内 容励 磁 直 驱永 磁 直
4、驱电机尺寸偏 大较 小电机重量较 重较 轻变桨性能可 靠可 靠散 热较 差好效 率较 低高湘电Z82/2000机组与其他公司的励磁机组相比，直驱永磁风力发电机组的优势为：a) 发电机效率高、变速范围宽；b) 无励磁损失：电机转子冷却容易实现，低功率情况下具有较高的效率(电励磁电机由于需要励磁电流，其低功率性能会较差)；c) 发电机结构紧凑，尺寸小；d) 永磁电机在电网电压变化的情况下，能够保持电压、电流的稳定，同时电机扭矩保持不变，具有扶持电网的能力。从电机效率上来看，永磁电机的效率比双馈电机效率高3-5%，在40%-80%额定功率区优势更为明显（见图1），因此从电机效率上来看，永磁电机的效率
5、是较优的。图1 不同型号电机效率对比永磁发电机具有结构简单，运行可靠，体积小，质量轻，损耗小，效率高，电机尺寸形状可灵活多样等显著优点，它可以实现电励磁电机难以达到的高性能。同时，国内稀土永磁材料货源充足，永磁电机的技术也达到了国际先进水平，为今后风机向大功率化、高功能化方向发展奠定了基础。2.5 湘电永磁同步发电机永磁体磁性的说明衡量磁性能大小有两个主要指标，一是磁能积：就是单位体积材料所产生的磁场能量。另一个是磁体的矫顽力；就是把磁体放在一个反向外加磁场中，当外加磁场增加到一定强度时磁体的磁性就会消失，把这个抵抗外加磁场的能力称为矫顽力。钕铁硼永磁体是一种储能材料，可以在一定空间内产生恒定
6、磁场。由于其极高的矫顽力和磁能积，特别是在20180环境下相对于其它永磁体的优异表现，使得钕铁硼永磁材料在多种领域特别是现代高科技领域获得了广泛应用。永磁材料第一代为铁氧体永磁材料，用铁氧体永磁材料制造的同步电动机，历史比较悠久，缺点是磁能级低，磁场强度小，电机体积较大，容量很难做大，优点是价格低廉，起动电流较小。第二代永磁材料采用金属永磁体，比用铁氧体永磁材料制成的永磁同步电动机要好。而用第三代稀土永磁材料钕铁硼制成的永磁同步电动机具有更多的优越性，钕铁硼永磁材料具有很高的磁密度，磁能积大，剩磁高，不易退磁，电动机体积小，效率高，功率因素高，温度系数小，调速精度高，调速范围大，输出特性硬，运
7、转平稳，在开环控制下可取得很好的调速性能。稳定性是永磁材料的重要参数。影响永磁稳定性的外界条件有许多种，其中主要是温度、时间、外磁场、化学腐蚀、辐射、机械振动或撞击等因素。对于钕铁硼永磁材料，我们在使用中最关心的是温度稳定性、时间稳定性、外磁场稳定性及化学稳定性。我公司通过以下措施保障永磁材料的稳定性：1、温度稳定性如果保存在适当的温度、湿度且无强外磁场、辐射和其它影响磁性能因素的环境下，其磁性能几乎可以永远保持下去。解决温度稳定性的办法是做老化处理，以消除磁体不稳定的因素另外，还采用添加某些元素直接提高磁体本身的温度稳定性 还严格保证电机热限制曲线和电气热保护。 从根本上解决了温度对退磁的影
8、响2、时间稳定性时间稳定性，是将永磁体放在一定的温度下长期放置，测量其磁性能随时间的变化。永磁体充磁饱和后，只是在初始的12小时内略有下降，其后即使经过510年磁性能也基本不变。其时间稳定性数值依成分、实验条件、和尺寸比的不同略有差异。复合添加Co+Dy+Nb的钕铁硼永磁体，可得到良好的时间稳定性。在常温下复合永磁体Pc=1时，磁通随时间的变化所发生的衰减，十年内磁通衰减不到1%。在适当的环境中，即使经过长时间的使用，磁体的磁性能损失也不会很大。所以在实际应用中，我们往往忽略时间因素对磁性能的影响。3、外磁场稳定性电机用永磁体，在工作过程中气隙长度和体积是变化的，属动态磁路。磁体不但受到温度变
9、化的影响，而且还受到电枢磁动势对其反向退磁的影响。由于工作点是在回复线上往返变化，就使得磁体处于循环退磁状态。我们在做电机磁路设计时，不但考虑了温度变化的影响，还考虑到了动态退磁的附加影响。4、化学稳定性化学稳定性是指永磁材料的抗氧化和耐腐蚀程度。解决钕铁硼永磁体化学稳定性的办法主要是在永磁体中添加某些合金元素如Co、Ni、Al和Cr等，同时在烧结工艺中尽量提高密度、减少气孔。另一种解决化学稳定性的办法是对磁体进行电镀、化学镀表面处理（如喷涂、电泳），可使磁体获得实用的耐腐蚀性能，还加强了电机的机械密封防护，以上措施严格杜绝了化学的退磁。 在设计发电机时，通过合理选取发电机的主要参数，即使在系
10、统短路情况下，也不会出现足以使发电机褪磁的过热和强磁场。我公司永磁同步发电机的永磁体设计寿命为60年，针对热退磁、化学退磁和时间退磁等进行严格防护；把影响磁稳定性的因素全部考虑在设计范围之内，完全可以保障2MW永磁风力发电机20年的运营时间。另第一次永磁体充磁周期为30年以上，充磁使用厂家提供的专用设备和夹具。第二章 Z82-2000机组技术规范1 总体设计方案湘电Z82-2000风力发电机组采用水平轴、三叶片、上风向、变桨距调节、直接驱动、永磁同步发电机并网、低温运行的总体设计方案，如图2所示。其优点如下：图2 Z82-2000直驱风电机组l 风机适合于类风区使用，发电量高于其它同类风机，经
11、济效益明显；l 由于传动系统部件的减少，提高了风力发电机机组的可靠性和可利用率；l 永磁发电技术及变速恒频技术的采用提高了风电机组的效率；l 机械传动部件的减少降低了风力发电机组的噪音；l 可靠性的提高降低了风力发电机组的运行维护成本；l 变流器以及升压变压器均设置在机舱内，有效降低机舱到塔筒底部的电缆成本。l 机械传动部件的减少降低了机械损失，提高了整机效率；l 利用变速恒频技术，可以进行无功补偿；l 由于减少了部件数量，使整机的生产周期大大缩短。该机型采用了多种创新设计技术，与目前国际市场上现有的直接驱动机型相比，具有以下优点：l 发电机效率高，变速范围宽(6rpm-19rpm)；l 无励
12、磁损失；l 无碳刷和滑环，减少了维护量，提高了可利用率；l 发电机结构紧凑，尺寸小；l 变桨系统采用无刷交流电机，电容作为后备电源，寿命长，免维护；l 变频装置采用经过验证的成熟技术，谐波分量低；l 机舱结构设计采用了人性化设计方案，尽可能地方便运行人员检查维修，在设计中加入爬升助力机构，使运行人员在维护过程中攀登梯子时变得格外轻松。特别针对于低温地区对风机的运行要求，我们采取了如下措施：l 金属结构件按照低温型技术规范，材料选用适应低温环境的钢材。法兰、塔筒及关键焊接结构件采用Q345E低合金高强钢材料、轮毂等大型铸件采用EN-GJS-350-22U-LT材料，低温冲击功在-40时至少达到2
13、7J。l 制动系统的介质油采用耐低温油品：变桨驱动齿轮箱、偏航驱动齿轮箱等采用低温齿轮油。如壳牌T15，可耐-40+160，壳牌T32，可耐-40+240。l 润滑系统采用低温润滑脂：变桨轴承、变桨驱动、偏航轴承、偏航驱动总成及主轴承的润滑脂采用gleitmo 585K，其最低运行温度可以达到-57。 l 主要电缆电线采用硅胶电缆：硅橡胶则在-60度-70度时仍具有较好的弹性，某些特殊配方的硅橡胶还可承受极低温度。同时硅橡胶还具有很高的电阻率 ，在很宽的温度和频率范围内其阻值保持稳定，硅橡胶对高压电晕放电和电弧放电具有很好的抵抗性。l 电缆电线接头不采用锡焊，而采用压接方式：锡材料在低温时容易
14、产生脆化开裂，影响机械强度及导电可靠性；而压接方式在低温下仍能很好地保证连接的机械强度及导电可靠性。l 关键系统自带加热器。用于测风速及风向的气象站、变频器、主控柜、机舱控制柜、轮毂控制柜、冷却控制柜等自带有电加热器，可以保证其在低温环境下各个系统仍能正常工作。Z系列机组已经过日本北海道(其中Z82型2台)、芬兰、内蒙卓资地区的实际运行，通过了长时间低温考验，完全能够适用于-40低温环境使用要求。2 Z82/2000部件描述直驱式风力发电机组由于没有齿轮箱，零部件数量相对传统风电机组要少得多。Z82-2000机组主要部件包括：叶轮叶片、轮毂、变桨系统、发电机、偏航系统、变频器、控制系统、升压变
15、压器、测风系统、塔架等，如图3所示。图3 湘电Z82-2000直驱风力发电机组结构2.1 叶轮根据空气动力学最佳效率和对污物的最低敏感度原则，采用真空注入技术用玻璃钢/环氧树脂通过特殊工艺研制而成。每一叶片重量为6450公斤，叶片长度为40.0米(按外部叶片底部直径为1.9米)，最大弦长3.1米，共三片。 叶片上装有一个集成防雷保护系统。叶片表面漆有国际通用的航空标志。 图4 叶轮2.2 发电机发电机是一多极永磁发电机，直接安装在轮毂上。磁铁提供转子励磁，所以不需要外励磁场，与带外励磁场的绕线转子比较，发电机 的损耗可降低25%。定子外部装有冷却风扇，由空气冷却。定子绕组用真空压力浸漆(VPI)。发电机通有经过滤的干燥循环空气,保证了发电机内的温度均匀，当密封处稍有泄漏时，保证发电机的内部为正压，因此灰尘和盐雾不可能进入到发电机内。发电机的重量为53吨，外形
