双馈异步风力发电机(讲)

双馈异步风力发电机(西莫讲堂)

主讲人：Edinburgh

关键词：双馈异步风力发电机

会议摘要：

1. 引言：

风力发电机组主要包括变频器，控制器，齿轮箱（视机型而定），发电机，主轴承，叶片等等部件，在这些部件中发电机目前国产化程度最高，它的价格约占机组的10%左右。发电机主要包括2种机型：永磁同步发电机和异步发电机。永磁同步发电机低速运行时，不需要庞大的齿轮箱 ，但是机组体积和重量都很大，1.5MW的永磁直驱发电机机舱会达到5米，整个重量达80吨。同时，永磁直驱发电机的单价较贵，技术复杂，制造困难，但是这种机型的优点是少了个齿轮箱，也就少了个故障点。异步发电机是由风机拖动齿轮箱，再带动异步发电机运行，因为叶片速度很低，齿轮箱可以变速100倍，以让风机在1500RPM下运

行，目前流行的是双馈异步发电机，主要有1.25MW，

1.5MW，2MW三种机型，异步发电机的机组单价低，1KW大概需6000元左右，而且技术成熟，国产化高。

2.双馈异步发电机的原理：

所谓双馈，可以理解为定子、转子同时可以发出电能，发电机原理理论上说只要有动力带动电动机，在电动机的定子侧就能直接发出电能。现代变速双馈风力发电机的工作原理就是通过叶轮将风能转变为机械转矩（即风轮转动惯量），通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。双馈发电机正是由叶片通过齿轮箱变速，带动电机高速旋转，同时转子接变频器，通过变频器PWM控制以达到定子侧输出相对完美正弦波，同时在额定转速下，转子侧也能同时发出电流，以达到最大利用风能效果。通俗的讲，就是要变频器控制转子电流，反馈到定子上面，保证定子发出相对完美的正弦无谐波电能，同时在额定转速下，转子也能发出功率出来。有个大致感觉是1.5MW发电机的定子发电量大概

1200KW，转子大约300KW，转子侧发出的功率要在30%以下，总之越少越好 这样可以让变频器功率小点。

3. 双馈异步发电机的设计难点：

结构设计难点：因机舱封闭体积，风机运行环境非常恶劣，需要气温-30～55度之间正常运行，希望电机尺寸尽量小，风机对发电机重量有严格要求，部分厂家对转子转动惯量也有要求。发电机需要高速运行，但振速要小，通常要小于2.8mm/s。此外对于水冷的电机入水温度较高，需要考虑维修和维护问题！比如轴承自动加油等！还有就是，整个发电机是倾斜运行的，大概4～5度的倾斜角度，这个在结构设计时候需要考虑～～大家看到发电机的轴承就知道了。

电气设计难点：风机需要效率97%以上，由于转子绕组接变频器，接变频器就会引发谐波电流，会引起铜耗，铁耗等！此外定子转子承受很大冲击电压，提高绕组温升问题是优先考虑，转子电流非常大，上千安培，滑环设计也是难点！电机会有轴电流，需要考虑绝缘问题！同时高空运行需要防雷处理！转子绕

组线规非常大，成型困难！尽量控制转子输出功率尽量小于30%，以缩小变频器的功率。

Q＆A：

如果是电动机运行的话，怎么启动呢，能直接启动吗？需要转子先短路后等达到一定速度后再双馈吗？

一般铭牌上会有低速和高速的数据，一般是在风速3m/s到14m/s运行，低速下面,定子发出电能，转子由变频器交流送电驱动（无功功率），比如1.5MW的发电机它可能工作速度为 300～1800 都有可能，你们看看铭牌就知道了，就是说叶片速度太低，这个系统就不工作的，只有一定风速下，整个系统才会运行，机舱上面有个自动侧风速的风速仪。

我的风力发电是33kw的,也是一个异步发电机,整个结构也和你说的差不多,可是我还真没发现有变频器,它是怎么个原理呢？

对于小功率发电机，没必要加变频器，你想想变

频器价格昂贵。

一般是矢量控制还是直接转矩控制呢？

通常变频器是PWM矢量控制的。

增速箱的速比可以调节吗？

可以的。齿轮箱的外形结构如下所示：

齿轮箱照片1

齿轮箱照片2

齿轮箱数据参数

不要齿轮箱，那电机转速太低，变频器容量要大了吧？

齿轮箱能免则免，太笨重而且要维护。不要齿轮箱的话，得用同步机，低速一般只能选择同步机。但是同步机一般直径很大。

齿轮箱转速比一般是固定的还是运行过程中要调节？

齿轮箱转速比一般是固定的。

设计风力发电机一般按F级绝缘设计吗，好像散热不太好？

按H级设计，散热不好，所以绝缘级别高。

电机在亚同步的时候，转子电流是流入转子的，在超同步后转子发电，电流流出转子，磁场方向是否改变？因为在这个过程中转子电流已经换向了？电流反向期间是否有过零点？

双馈异步电机的有三个运行状态即“亚同步状态 （转速小于同步转速时）”、“同步状态”以及“超同步状态”，在电机的运行过程中，从转子电流看，是逐渐增大的趋势，而转子功率有正负变化，越到后面无功功率越来越大。

是电压正负反向吗？

不是这么理解的，功率为正可以认为电机是向外

输送电能，功率为负可以认为变频器向电机输送电能。

4、双馈异步发电机的结构特点：

目前流行的双馈异步发电机，都是采用水冷或者空冷的方式的。同样是水冷的电机，风力发电机与普通电动机不同的是：风力发电机没带水冷冷却器；而空冷的发电机多了一个很大的冷却器。另外，水冷发电机的机座是圆柱体的，机座里面焊接了很多水管，空冷发电机是长方体的，上面有个空气冷却器。同时，水冷电机客户比较担心腐蚀性。

水冷发电机照片

空冷发电机的风扇分为“轴流式”和“离心式”两种，图示为“离心式”。

空冷发电机照片

Q＆A：

水冷电机是如何冷却？水冷电机里的水是循环的吗？是不是冷水从管子里走带走温度？

大家想想风机那么高，怎么送水上去？～～其实水冷电机的水管连接循环水系统送水，全名叫“恒温自循环水装置”，它可以保证送入电机水温恒定。

也就是说，装上的水就不动了，在电机里面循环使用？

送水温度55度左右，机壳整圆圈焊接水管（10mm内径左右）。

55度是不是太高了？

55度是标准环境温度。

电机的平均温升一般是多少？

F级绝缘不超过105K，通常制造按照H级绝缘制造，考核按照F级绝缘考核。

水冷电机要比风冷小吧？从重量和体积上大概能小多少？

水冷电机少了一个冷却器，体积小了一半左右，但是水长期流来流去，容易生锈。一旦生锈的话，整套的东西就无法工作了。

用不锈钢的机壳不就不会有水锈了么？

不锈钢的机座焊接和加工工艺都比较困难，一方面如果用不锈钢，造价贵，而且不现实 而且整套冷却系统里不单单只有电机一样东西，水冷系统用户不是会很放心。

焊接的地方怎么防锈呢？

一般要求工艺上要处理得好，具体怎么焊接的用什么材料焊接的都有讲究，要采用特殊的工艺，白钢焊条等等。

发电机选用的轴承是绝缘轴承，电机是倾斜使用，前后轴承都是采用滚珠轴承，现在绝大厂家采用的是SKF的陶瓷绝缘轴承，其实无刷电机要求高的也用陶瓷绝缘轴承，有些电动机上面也选用绝缘轴承。

为什么要用绝缘轴承？

因为存在轴电压，其实是轴电流～～只要是接变

频器，就会有谐波，只要有谐波，就三相不平衡，谐波大家可以把它想象为“不规则的正旋波”，当产生轴电流的时候，轴承会立即损坏。

两侧都是陶瓷轴承吗？

两侧！电动机只是一侧，而我们发电机是两侧。

为什么电动机是一侧，而发电机是两侧？

发电机两侧都要链接东西 电机只是驱动段一侧。

另外，轴承润滑油脂也不一样，因为风机长时间才能维护一次，所以大部分发电机采用自动润滑系统，这个润滑系统是要加电池的，它可以自动补油进去。在特殊场合选用的电机 就需要这种东西，因为有的工况下人不能进去给轴承加油。

自动润滑系统照片

有了这个多长时间维护一次？

一般是一年派人上去维护一次，这个不一定的。

发电机的滑环目前大部分靠进口，因为转子电流非常大，而且每相之间必须绝缘。

滑环照片