大兆瓦级双馈风力发电机关键技术ppt课件.ppt

2012年03月15日第1版 大兆瓦级双馈风力发电机关键技术李进泽 中国南车首席技术专家 Page 2 报告提纲 双馈发电机技术发展趋势 双馈发电机主要特点 结束语 大兆瓦级双馈发电机关键技术 报告人 李进泽 Page 3 第一部分双馈发电机技术发展趋势 1 2 双馈发电机技术发展路线 风电机组技术发展趋势 风力发电机技术发展趋势 3 1风电机组技术发展趋势 资料来源 BloombergNewEnergyFinance 金风科技 1 全球风电机组主要制造商产品发展路径图 1风电机组技术发展趋势 2 风电机组大型化仍然是技术发展的主要趋势之一 单机功率和风轮直径越来越大 风电机组技术发展趋势 风电机组大型化 单机容量越大 单位kW的造价越低 单机容量逐步提高成为国际风电设备发起战的主要趋势之一 2010年 中国风电机组装机平均单机容量为1469kW 台 而全球为1774kW 台 其中大于2 5MW机组2010年比重达到8 4 2009年仅为5 1 中国已推出2 5MW 3 0MW 5 0MW和6 0MW风电机组 而在全球 Vestas推出7MW半直驱永磁风电机组 Repower推出6 15MW双馈风电机组 Gamesa正开发5MW 2013年 7MW 2015年 风电机组 国内外都有公司已启动8 10MW风电机组的开发 风电机组技术发展趋势 3 海上风电技术成为重要发展方向2010年 全球海上风电装机容量比2009年翻了一翻 2011 2015年 全球海上风电将加速发展 预测到2015年 海上风电将占全球风电9 6 欧洲风电场建设已从陆上向海上发展 海上风电将占欧洲风电23 7 我国海上风电规划 2015年 5000MW 2020年 30000MW 目标已调低 技术不成熟 风险大 投资大和成本高是制约海上风电开发的主要因素 未来风电技术更新发展的驱动力主要来自蓬勃崛起的近海风电场的建设 这一发展趋势已不可逆转 风电机组技术发展趋势 全球海上风电机组产品序列预测 2009 2016 风电机组技术发展趋势 4 双馈风电与直驱风电技术并存 但双馈风电技术仍占市场主导地位从风轮到发电机的驱动方式分为三种 双馈式 通过多级增速箱驱动双馈异步发电机 直驱式 风轮直接驱动多极同步发电机 混合式 单级增速装置加多极同步发电机 直驱永磁同步风电系统 双馈风电系统 风电机组技术发展趋势 双馈风电技术仍占市场主导地位 风电整机企业中主流机型为双馈风电机组的仍然占多数 双馈风电技术仍占市场主导地位 其中有 著名的外资风电企业丹麦Vestas 西班牙Gamesa 美国GE 印度Suzlon等 内资风电主导企业华锐 国电联合动力 东汽 广东明阳 上海电气 南车株洲所等 随着2011年永磁材料价格一路飚长 导致直驱永磁风电机组成本大幅增加 使双馈风电机组在市场的选择中 意外胜出 风电机组技术发展趋势 5 半直驱永磁风电技术 高速永磁风电技术成为新的热点国外 半直驱永磁风电机组有 阿海法5MW已在海上小批量应用 最近Gamesa推出了4 5MW Winwind推出了3MW Vestas在开发7MW等 国内 半直驱永磁风电机组有 金风科技推出了3MW 联合动力在开发3 6MW 5MW等 国内 高速永磁风电机组有 重庆海装5MW 南车株洲所2 5MW 在研5MW 北车2 0MW等 全功率变流器 鼠笼异步发电机风电机组 Simens2 3MW等 Page 12 第一部分双馈发电机技术发展趋势 1 2 双馈发电机技术发展路线 风电机组技术发展趋势 风力发电机技术发展趋势 3 2风力发电机技术发展趋势 1 双馈风力发电机 6MW级Repower推出6 15MW双馈机组华锐推出6MW双馈机组 2 直驱永磁同步风力发电机 6MW级美国GE正在开发4 1MW直驱永磁风电机组Simens Nordex在开发6MW直驱永磁风电机组金风科技计划2012 6完成6MW直驱永磁风电机组样机装机湘潭电机 上海电气已完成或将完成5MW直驱永磁风电机组样机研制 风力发电机技术发展趋势 3 半直驱永磁同步风力发电机 7MW级国外 阿海法5MW机组已在海上小批量应用 最近Gamesa推出了4 5MW Winwind推出了3MW Vestas在开发7MW半直驱永磁机组 国内 联合动力正在开发5MW半直驱永磁风电机组 4 高速永磁同步风力发电机 5MW级重庆海装已完成5MW高速永磁风电机组研制南车株洲所正在开发5MW高速永磁风电机组 5 其它全功率变流器 鼠笼异步发电机的风电机组 Simens2 3MW 中国准备发展 推广分布式风电机组 中等功率 Page 15 第一部分双馈发电机技术发展趋势 1 2 双馈发电机技术发展路线 风电机组技术发展趋势 风力发电机技术发展趋势 3 3双馈发电机技术发展趋势 1 功率等级逐步增加 6MW级双馈发电机已成为技术 市场的主攻方向随着风电机组大型化 发电机功率等级逐步增加已成必然 2 3MW双馈发电机即将成为市场主流 6MW级双馈发电机已进入商业化运行 Repower推出了6 15MW双馈机组华锐推出了6MW双馈机组 双馈发电机技术发展趋势 2 中压 高压双馈风力发电机在常规发电设备中 当容量大于MW级 一般都用高压发电机 如采用高压风力发电机 系统可减少一台升压变压器 输出电缆线重量 可提高逆变器系统效率 1 2 可提高输送电能效率 从而提升系统发电效率 同时 也将降低发电机线圈 嵌线 出线等制造难度 3MW以上风力发电机应考虑采用中高压 一般可采用2300V 3000V 3300V 6000V 12000V等 但考虑中高压逆变器供应商少 目前仍较多采用低压发电机 如600V 660V 690V 950V 双馈发电机有两种技术路线 从电压选择角度 发电机定子采用高压 转子仍采用低压 690V级 如安迅能1 5WM双馈发电机定子额定电压采用12000V 华锐5MW双馈发电机定子额定电压采用6300V 发电机定子 转子均采用高压 风电机组技术发展趋势 18 3 大兆瓦级双馈发电机多应用于海上风电海上盐及潮湿环境 环境腐蚀运行维护期间进入风场的限制和高成本高 可靠性 可维护性要求 Repower的5MW海上双馈风电机组 Vestas3 0MW海上双馈风电机组 Page 19 报告提纲 双馈发电机技术发展趋势 双馈发电机主要特点 结束语 大兆瓦级双馈发电机关键技术 报告人 李进泽 Page 20 第二部分双馈发电机主要特点 1 2 双馈发电机类型 双馈发电机结构 双馈发电机技术特点 3 1双馈发电机类型 风冷双馈风力发电机 水冷双馈风力发电机 水夹克机座或空水冷却器 水冷机座 空空冷却器 独立冷却风机 水冷双馈风力发电机外部结构 2双馈发电机结构 转子接线盒 滑环 水冷机座及定子 端盖 轴承装配 转子 定子接线盒 直驱型风力发电机 绕线式异步电机 采用定 转子两套绕组和滑环 发电机冷却方式 采用空空冷或空水冷或机座水冷 发电机防护方式 IP54 转子绕组通过变流器与电网相连 承受较高的du dt 发电机转速变化范围最大可为同步转速 30 一般在同步转速70 130 内调节调速 温升限值 额定点按降低一个绝缘等级考核温升 一般F级绝缘 B级温升考核 H级绝缘 F级温升考核 3双馈发电机技术特点 Page 24 第三部分双馈发电机关键技术 4 5 6 转子结构 绝缘结构 滑环系统 轴承电蚀 3 电磁设计 2 海上防腐 1 1海上防腐 1 海上风电机组将面临海洋盐雾腐蚀环境的巨大挑战环境空气温度可达50 空气相对湿度为95 3 并有凝露 有盐雾 霉菌的不利影响 2 海上风电机组通常要对机舱采取密封措施 除湿处理海上风电机组多采用密封机舱 减少外部空气流入 国外现有机型如GE3 6sl V90 3MW V112 3MW SWT 3 6 107 G10X4 5MW等机组均是采用全密封机舱 且使机舱内要保持正压 对于少量外部进入机舱的空气进行除湿处理 比较现实的方法是使用冷冻除湿机或超重力除盐净化装置 盐雾颗粒的直径大多在2微米以下 有90 以上小于5微米 在机舱进气口使用盐雾过滤装置 对于海上风电来说可行性较低 因为这种过滤装置必须定期更换才能保证过滤效果 海上防腐 3 海上风电机组双馈发电机的三防设计双馈发电机三防设计时 应重点关注绝缘结构 发电机外表面 滑环系统碳刷 速度编码器 接线盒 轴承结构等的耐潮 耐霉 耐盐雾能力 三防设计要从优化结构 优选材料 表面处理 密封干燥等四个方面考虑应采用阻燃 耐潮 耐霉 耐盐雾的材料和结构 重点考虑发电机及相关部件的密封 如发电机防护方式IP54 速度编码器IP65 在清洁的大气中 金属腐蚀与温度 相对湿度的关系 大气腐蚀度 65 1 045 t 10式中 相对湿度R Ht 温度 一般湿度 65 R H 金属容易生锈 且随湿度和温度增加而加速 海上防腐 4 海上风电机组双馈发电机或其有关零部件的环境试验长霉试验 GB T2423 16 2008 电工电子产品环境试验第2部分 试验方法试验J及导则 长霉 按二级要求 即长霉面积不超过25 盐雾试验 GB T2423 18 2008 电工电子产品环境试验第2部分 试验方法试验Kb 盐雾 交变 氯化钠溶液 按严酷等级1进行 包括 四个喷雾周期 每个周期2h 每个喷雾周期后有一个为期6天22h的湿热贮存周期 交变湿热试验 GB T2423 4 2008 电工电子产品环境试验第2部分 试验方法试验Db 交变湿热 12h 12h循环 严酷程度为 高温为50 试验持续时间为2个周期 48h Page 28 第三部分双馈发电机关键技术 4 5 6 转子结构 绝缘结构 滑环系统 轴承电蚀 3 电磁设计 2 海上防腐 1 直驱型风力发电机 1 大兆瓦双馈发电机极数一般采用6极2MW以下双馈发电机多采用4极 4极发电机的轴中心高不宜超过710mm 对应发电机功率可达4 4 5MW 现2 5MW 3MW及以上的大兆瓦级双馈发电机多采用6极 2 电磁负荷选取整个运行范围内发电机的温升和效率转速最大为同步转速 30 应注意低速时通风散热能力的降低 功率因数 0 9 超前 1 0 9 滞后 电压波动 额定电压 10 转子采用变频器供电时发电机的谐波影响引起转子铁损和定转子绕组铜损增加 引起定转子绕组温升上升 考虑到高次谐波将加深磁路饱和 发电机磁路应设计成不饱和结构 2电磁设计 电磁设计 系统控制方式的影响桨距控制 动态入流现象 引起暂态过电流 引起磁路饱和效应 从而产生高次谐波 低电压穿越 短路棒保护 当电压严重跌落时 高次谐波会使暂态电流增加 电磁设计时 电磁负荷 热负荷 温升应留有一定裕度定转子热负荷AJ随功率增加而降低 一般为900 1300 A2 cm mm2 比YR型电机大约低30 左右 同功率空冷比水冷略低 发电机磁负荷选取应略低于常规发电机 电磁设计 定子转子槽形 3 槽形 线圈型式定 转子槽形采用开口槽 半开口槽 半闭口槽 定 转子绕组采用成型线圈 采用矩形扁绕电磁线 定子线圈和定子 转子线圈和转子 Page 32 第三部分双馈发电机关键技术 4 5 6 转子结构 绝缘结构 滑环系统 轴承电蚀 3 电磁设计 2 海上防腐 1 3转子结构 1 转子结构设计 制造时重点考虑的主要因数发电机转子接变流器 会增大转子损坏的危险 发电机转速一般为同步转速70 130 转子绕组端部必须有牢固的支撑 以适应机械旋转和发电机内部的温度环境要求 转子绕组端部的固定与防护是一个难点 既要能经受飞逸工况下的最大离心力不被损坏 又能保证适宜的通风 转子引线连接和固定 确保运行可靠 转子在稳态和暂态性能方面还有一些新问题需要研究 如桨距控制 动态入流现象 低电压穿越 短路棒保护等 转子结构 动态入流现象 变桨过程中风轮的机械转矩过冲 快速变桨时 在桨距控制型风电机组机械转矩会出现明显过冲 过冲量取决于风轮运行状态和风轮半径 风速越低 变桨速率越大 风轮半径越大 过冲量就越大 发电机在转速上升阶段时 会有数倍额定转矩施在其转轴上 低电压穿越 短路棒保护 在系统采取短路棒保护方式进行低电压穿越时 将可能在瞬时将数倍发电机额定转矩施加在其转轴上 远大于系统要求的最大转矩 2倍额定转矩 机组以不同变桨速率使功率从额定功率的20 提高到100 时的机械转矩 转子结构 2 大兆瓦级双馈发电机转子多采用插入式或嵌入式棒式线圈转子线圈并头钎焊 插入式或嵌入式矩形线棒两端的并头钎焊是转子制造的难点 也是影响发电机运行可靠性的关键项点之一 合理的并头结构可靠的钎焊工艺 并头钎焊 转子矩形棒式线圈 转子结构 连接和固定 转子电缆引出线与转子线圈端部并头环和滑环的可靠连接和可靠固定 是直接影响高速运转的发电机运行可靠性关键项点之一 转轴深孔中导电杆与集电环固定方式 可借鉴下图中的汽轮发电机集电环结构 一种汽轮发电机集电环装配简图 导电杆 导电螺钉 导流环 集电环 绝缘筒 转轴 绝缘 Page 37 第三部分双馈发电机关键技术 4 5 6 转子结构 绝缘结构 滑环系统 轴承电蚀 3 电磁设计 2 海上防腐 1 4绝缘结构 发电机绝缘老化因子 1 绝缘破坏的主要因素四大主要因素 电因素热因素机械因素化学 或环境 因素 绝缘结构 绝缘破坏的主要因素 环境因数环境温度 30 C 50 C 污秽 级污区 三北地区 低温 昼夜温差大 风沙大 高海拔 4000m 沿海地区 海上风电场 盐蚀 潮湿 空气湿度 95 最大达到100 沿海地区 潮湿 盐雾 三北地区 低温 昼夜温差大 绝缘结构 绝缘破坏的主要因素 机械因数机械力 风塔振动 频繁启动 转速频繁波动和大范围变化 内应力 极低温和高温差环境 发电机内各次时间谐波与电磁部分固有空间谐波相互干预 形成各种电磁激振力 变频器的脉冲波 使电磁振动变得更为严重 必须考虑在机械 电磁激振力和震动影响下 发电机绝缘处于循环交变应力作用 会加速老化 某风电场风速日变化记录 绝缘结构 绝缘破坏的主要因素 电因数电流 电压变化频繁 无规律 受自然风变化及电网波动的影响过电压 雷电过电压和转子变频器产生的重复陡脉冲雷击在风力发电机定子 或转子 绕组产生的过电压应慎重考虑变浆控制引起过冲电压低电压穿越时 由于发电机内磁场变化不能跟踪电网电压的变化 将产生直流分量 会造成转子电压上升 某风电场实测功率曲线 绝缘结构 绝缘破坏的主要因素 变频器供电 变频器在发电机转子线圈上引起的局部放电 局部介质发热和空间电荷积聚 电磁激振和振动 最后将导致线圈匝间 匝间短路 相 相或相 地间的绝缘击穿 而最常见的是匝间短路 IGBT变频器极短促的开关动作会产生极高的交变尖峰电压 波前时间极短 电压幅值相当于3倍标准电压 大部分线电压加在第一个线圈上 电缆传输线理论 发电机接线端上的线电压是变频器出线端电压的2倍 发电机侧变频器电流波形 变频器供电电机终端电压波 绝缘结构 绝缘破坏的主要因素 变流器电源产生交变尖峰电压使发电机线圈相邻导线之间的电压可以相当高 使发电机绝缘都要承受额外的高电压强度 可能导致线圈绝缘层发生局部放电现象 称为 电晕 产生的能量和生成物将逐渐腐蚀绝缘层 变流器谐波电压产生的附加损耗转化为热能 也大大加速了电机绝缘老化 绝缘结构 2 绝缘结构设计增加匝间及对地绝缘厚度 以提高绝缘结构的安全储备裕度 大于10倍 选用耐电晕性能好的绝缘材料 以提高绕组的耐电晕性 匝间绝缘 对地主绝缘 绝缘结构 3 完善的定转子嵌线后浸漆 烘焙处理工艺无溶剂浸渍树脂 整体真空压力浸漆 VPI 旋转烘焙 使绝缘漆填充并消除绝缘内的空隙 确保 无气隙绝缘结构 以消除绝缘内的空隙和表面放电 避免发生局部放电 提高整体耐电晕能力 提高绝缘防潮湿 防盐雾能力 导热性和机械强度 绝缘结构的VPI验证 绝缘结构 绝缘系统耐盐雾试验 线圈盐雾试验 4 严格的绝缘结构考核 验证试验绝缘寿命试验湿热试验盐雾试验长霉试验 Page 47 第三部分双馈发电机关键技术 4 5 6 转子结构 绝缘结构 滑环系统 轴承电蚀 3 电磁设计 2 海上防腐 1 5滑环系统 1 滑环系统需重点考虑的因素东南沿海地区的潮湿 盐雾 西北的风沙 昼夜温差大 高原的空气稀薄 转速范围宽 负载跨度大 滑环系统 2 热套式滑环结构采用热套式滑环结构或环氧浇注式滑环结构 满足于双馈发电机高速运行需要 需提高滑环防潮性 在绝缘筒与钢套筒 集电环之间进行密封处理 集电环多采用高强度的不锈钢环 可用于腐蚀性场所 热套式滑环结构 滑环系统 3 环氧树脂浇铸滑环结构用耐高温环氧树脂加超细玻璃纤维作为增强材料真空压力浇铸工艺制造具有优良绝缘性能优良防潮性高机械强