关于风力发电外文翻译.doc

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-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-直接驱动，异步电动机，风、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。II、当前发电技术的回顾A、 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、 变速箱和直接驱动 变速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、 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，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、 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 kV462,000 kgN/A2励磁同步发电机直接驱动Enercon54.5MWN/AN/A2N/A220,000 kg3异步发电机是Vestas6850KW26 rpm690V238,000 kgN/A4异步发电机是Vestas62MW16.7 rpm690V267,000 kgN/A5异步发电机是Vestas63MWN/A1000 V370,000kgN/A6双馈感应发电机是Gamesa7850KW16.2 - 30.8 rpm690V333,000 kgN/A7双馈感应发电机是DeWind42MW11.1 到 2.7 rpm690V362,000 kgN/A8双馈感应发电机是Gamesa72MW9-19 rpm690V4107000kgN/A9永磁同步发电机直接驱动Zephyros81.5MW18 rpm3000 V4N/A47,200 kg10永磁同步发电机直接驱动Vestas63MWN/AN/A470,000 kgN/A11永磁同步发电机直接驱动he Switch93.8MW21 rpm690V4N/A81,000 kg12永磁同步发电机是he Switch9950KWN/A690V4N/A3,400 kg 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 k,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。图2.在WeiBull分布上形状因子k的影响E、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 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，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、 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，D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 =0.9659，=0.5特斯拉，ac=40000，然后计算公式为：Pout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。 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： 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、 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（3.8千瓦的设计频率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应电机的设计相似，也是10米左右。作为结果，该永磁发电机气隙长度选择为10毫米，和异步电动机的数值一样。 在永磁发电机里，通过增加磁铁的厚度使气隙磁通密度增加。假设使用钕铁硼，在永磁发电机机器里气隙磁通密度和下面的公式近似20：hm: 磁铁厚度，单位毫米。Br : 剩余磁通密度。对于NdFe35，这是1.23特斯拉。g: 气隙长度，以10毫米为基础设计。JLr : 相对反冲渗透率。对于NdFe35，它是1.09981。k1eak: 泄漏因素。对于表面安装永磁发电机通常在0.9至1.0的范围内。kcarter: 卡特系数。对于表面安装永磁发电机通常在1.0范围内1.1。 根据公式（4），选择磁铁的厚度是13.5毫米和由此产生的气隙磁通为0.7特斯拉。据20提出的表面安装永磁发电机的机器分析设计模型，可确定环形表面安装永磁发电机的其他设计参数是5兆瓦的，60赫兹和18转。一些关键的设计参数和性能指标如表3所示。虽然永磁电机可以实现更大的气隙磁通和定子内径较小，但表3显示机器的有效质量不显着，并且低于异步发电机。然而，永磁发电机设计的优势是它具有比感应机（85.5）更高的效率（973）。表3：直接驱动电网连接表面安装永磁发电机的设计定子膛直径11634 mm额定电压13.8 kV定子外直径111734mm额定效率97.30%转子外直径11614 mm额定功率因数0.98%转自内直径11550 mm定子电流密度4.9Amm2有效长度913 mm物质质量16.4 tonsC、直接驱动，电网连接发电机设计的讨论1)结构和总质量 对于以上设计的大定子膛直径环形发电机，结构和普通机器不一样。提供扭矩转让和防止圆柱环形结构偏转。如图3所示，机器有转子径向臂和定子有一个缸的结构支撑。根据不同的设计和配置结构的支持，结构的质量是不同的。然而，21提供了一种方法，建模和估计环形发电机的结构质量。根据21，对于一个精心设计的直接驱动发电机，结构质量主要取决于额定功率和发电机的长度比。不同长度比的5MW直接驱动发电机的质量如下图3所示。图4:不同长度比5直接驱动发电机的质量 异步发电机基本设计有一个宽高比1.197/15.245 = 0.08和永磁发电机基本设计有一个宽高比913/11634 = 0.08。从图3中，据估计，对任何发电机设计，结构质量大约是100吨。对于异步发电机基本设计总质量为118.6吨和表面安装永磁发电机为116.4吨。较大的长宽比，像图4中所见，减少无效的机器质量。然而，这仅仅对于相对少的极数直接驱动发电机转换器是正确的。然而，对于高极数直接驱动发电机，更大的长宽比使机器设计有较小直径，较大长度。例如，一个0.3的长宽比导致定子直径设计为0.3米，长度9米。它将难以使内周长只有1米的小定子适应大量的插槽（整数绕组至少需要1200插槽）。此外，这种不规则的长机也可能会需要一个特殊的支撑结构和轴承，这可能会增加无效的质量。 为了便于比较，设计了含变速箱的异步发电机。该发电机性能参数为5兆瓦，13.8千伏和1800转。由于高得多的额定速度，显着下降，在本设计中定子孔的直径为1米左右，这意味着气隙长度可减少到1毫米。由此产生的发电机有效率约为97，功率因数为0.9，这种发电机的有效质量是10吨（这和直接驱动的基本设计是类似的）。然而，由于小得多定子直径，结构质量显著减少，并可以简单地估计等于有效质量。另一方面，变速箱加大了发电机系统的总体质量。根据22，功率在2.3 - 2.9兆瓦，转速在14-18转的变速箱风发电机的质量是21吨。由于得不到较大的变速箱，假定两个这样的2.3-2.9兆瓦变速箱并联被用到5兆瓦发电机。作为结果，变速发电机系统的总质量是吨。设计的三个发电机的质量比较如下图5：图5：不同发电机设计质量比较 图5显示对于较大质量的直接驱动发电机，结构质量是主导因素。然而，在目前市场上，直接驱动发电机的成功表明大质量设计的问题可以被克服。未来随着直接驱动发电机的结构用更好的材料和配套设计，总体质量可以进一步降低，这使得直接驱动发电机更有前途。2）风力发电上的应用 无论是直接驱动器，电网连接的异步发电机还是表面安装永磁发电机都被要求定速操作。当表面安装永磁发电机连接到电网时，速度是由电网频率决定并且是恒定的。如果增加发电机扭矩，发电机会产生电磁力来抵御在速度上的增长。作为结果，在风涡轮机的驱动运行上，一阵风将导致强大压力。另一方面，随着发电机扭矩变化，异步发电机允许较小的转速变化，从而降低了传动系统的磨损和撕裂。 从成本的角度来看，因为感应机和表面安装永磁发电机有类似的定子拓扑结构，成本差异主要是在转子上。永磁发电机的转子有比铝高得多的价格。因此，对于同样的功率，异步发电机的成本预计会比表面安装永磁发电机低得多。另一方面，表面安装永磁发电机具有更高的效率。较高材料成本可以部分补偿额外的电力生产。由于感应发电机的感应式功率因数，需要用电容器来进行功率因数校正，这也增加了异步发电机的整体成本。因此，需要为每一个网点的成本权衡作研究。、结论 总结和回顾市售兆瓦规模的风力发电机系统。变速箱和全规模电力电子转换器降低了可靠性和技术的发展趋势之一就是消除他们 。为了这个目的，设计了非传统的异步发电机和高极数的表面安装永磁发电机。解释说明了直接驱动，电网连接风发电机组设计的可行性和优势。直接驱动发电机面临的主要挑战是他们的大尺寸与结构质量，由Enercon生产的E-112发电机显示这种挑战已经被克服。讨论了定速和变速发电机的优缺点，并选择不得不建立在具体的站点风分布上。就系统的成本，效率和电网的冲击，传动系统而言，比较了异步发电机和表面安装永磁发电机。致谢 来自海军办公室工作的财政支持。参考文献1 George Marsh and Drew Robb, Patently innovative: Imagination inwind turbine technology continues to flourish, Refocus, Vol. 8, Issue. 2,pp. 30-35, March-April, 20072 Henk Polinder, Frank F. 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