[00336539]3MW半直驱永磁同步风力发电机的研制

一、任务来源 能源、环境问题是当今人类生存和发展所面临的关键问题。常规能源以煤、石油、天然气为主,不仅资源有限,而且会造成严重的环境污染。因此,对可再生能源的开发与利用,已受到世界各国的高度重视。“开发与利用可再生能源,改善能源结构,减排温室气体,保护环境”已成为世界共识。新能源与可再生能源包括水能、太阳能、风能、地热能和海洋能等,它们在消耗之后还可以得到恢复和补充,不会污染环境。其中,人类对风能的利用已有上千年的历史。地球上可利用的风能为106MW,是可利用的水能的10倍以上。在可再生能源中,风能是一种非常可观的、有前途的能源。风力发电作为一种绿色电力,受到人们广泛的关注。它具有资源蕴藏量巨大、可再生、无污染、占地少、周期短等优点,特别是大型永磁同步风力发电机,在同等驱动方式下具有体积小、重量轻、效率高、可靠性高、寿命高等一系列优点,尤其是低电压穿越能力好,对电网保护能力更强。 永磁风力发电机与电励磁风力发电机相比,具有结构简单、运行可靠;体积小、质量轻;损耗小、效率高等显著优点。永磁风力发电机与异步双馈风力发电机相比,具有良好的低电压穿越能力等显著优点。随着永磁电机技术发展的越来越成熟,永磁风力发电机的发展也将越来越快,结合电力电子新技术,使永磁风力发电机的性能可以实现更多传统电机难以达到的高度。但是,永磁风力发电机也有缺点,其中最大的问题就是永磁电机的磁稳定性。 为适应现代风力发电机的要求,提高效率、增加可靠性、降低成本,风电机组的技术正沿着增大单机容量、提高转换效率的方向发展,3MW以上的风电机组已成为国际市场主流机型,其中在永磁机型中,能适应恶劣条件运行、调速范围广、体积小的半直驱机型受到了广泛的关注。金风科技、湘电风能等多家公司都先后选择了无齿轮箱系统的永磁直驱技术和带小增速比齿轮箱系统的半直驱技术。 相比于双馈式风力发电机组而言,半直驱式永磁同步风力发电机组采用永磁同步发电机以后,配备了全功率的变频装置,发电机与电网之间并无直接的耦合联结,这样的话实现低电压穿越就更容易一些。永磁直驱式风力发电机组有其不可逾越的障碍就是体积重量巨大、成本高。半直驱式永磁同步发电机组增加了小增速比的齿轮箱,相比直驱式风电机组其永磁同步发电机的转速大,故发电机极数大大减少,这也相应减小了发电机的体积,降低了机组故障率,同时降低了成本。 基于以上原因,南车株洲电机有限公司和合作方金风科技股份有限公司从2008年至今进行了3MW半直驱永磁同步风力发电机的研制,3MW发电机从2008年4月开始技术方案设计,2009年10月完成第一台样机的试制,11月完成型式试验。 二、应用领域 项目产品—3MW半直驱永磁同步风力发电机主要应用于风力发电。 三、技术先进性论述 1.适用于海洋性环境的发电机冷却结构,保证发电机的性能符合技术要求,减小了电机体积与永磁体用量,使得发电机的功率密度提高,发电机温升增加。 2.采用磁极盒方式的永磁体安装结构,永磁体报废率减小,安装难度大幅降低,同时转子加工更加简捷。 3.整体冲片叠压式转子磁轭,降低转子轭部涡流损耗,改善电机性能。 4.双绕组反向并头设计技术,保证两套绕组无相序的相位差,即减少谐波含量,也节省并头空间。 5.半直驱永磁特别风力发电机制造技术,形成浸漆烘焙工艺、磁极盒制造工艺、斜槽扇形定子铁心叠压工艺、定转子合装工艺等多项核心的创新技术。 四、主要技术指标 额定功率：3200kW; 额定电压（有效值）：690V（Y接）; 额定电流（有效值）：2760A; 额定转速：362r/min; 额定频率：60.333Hz; 额定效率：97.6%; 重量：21000KG。 五、国内外同类技术的背景材料 经过近十年的努力,国内的风电机组厂商凭借价格优势也逐渐打开了局面。我国能组装生产600kW和300kW风电机组的企业有：新疆金风科技股份有限公司、北京万电有限责任公司、浙江运达风电工程有限公司、西安维德风电设备公司等。可组装生产750kW风电机组的企业有：新疆金风科技股份公司、浙江运达风电工程有限公司。可组装生产兆瓦级的风电机组的企业有：新疆金风科技股份公司、华锐风电科技股份有限公司、上海电气集团股份有限公司等。生产配套发电机的厂家有：株洲南车电机股份有限公司、永济电机厂、兰州电机厂、上海电机厂、湘潭电机厂等。生产配套齿轮箱的厂家有：重庆齿轮箱有限责任公司、南京高速齿轮箱有限责任公司、杭州前进齿轮箱集团有限公司等。电控系统研制、叶片研制、风电机组总体设计等各有一批企业或院所在进行。虽然我国风力发电机生产制造起步较晚,但发展迅速,据中国风能协会统计,2005年我国风电场新装1兆以上风电机组仅占当年新增装机容量的21.5%。随着国内企业兆瓦级风电机组产量的增加,2007年兆瓦级风电机组装机容量占到当年新增市场的51%,2008年占到72.8%,2009年占到86.86%。兆瓦级风电机组目前已经成为我国风电市场的主流产品。 无齿轮风力发电机（直驱式）部件及整机的研究始于20多年前,德国、美国、丹麦都是在该技术领域发展较为领先并积极将该技术应用于产品推向风力发电市场的国家。 （1）与同功率风力发电机相比较 国内外多采用双馈型发电机（如repower、华锐）,直驱永磁同步发电机（如湘电、东汽）,也有少量采用电励磁直驱同步发电机（如enercon）,本项目的发电机结构简单、体积小、重量轻、功率密度更高;转速较低无需高速轴且取消集电环,降低滑环损耗及滑环故障率;使用永磁体量大为减小,使用380kg钕铁硼,而同功率直驱永磁发电机永磁体用量大于1500kg,在成本上有绝对的优势。 （2）与同类型的半直驱发电机比较 与同类型的半直驱发电机相比,该产品采用独立磁极盒结构,充磁及安装工艺简单,永磁体报废率明显降低,且磁极盒内永磁体分块,但磁极盒整体一次性充磁,不仅减少了发电机转子涡流损耗,且降低了永磁体加工及充磁成本。 综上所述,本项目产品个别指标领先行列。通过本产品的研发和推广应用,可以大大提高我国风力发电机的设计和制造水平,为我国风电行业提供强大的技术支撑,具有深远的社会意义和重大的经济意义。 六、作用意义 能源是现代社会和国民经济发展的基础。无论从远期还是近期,全球能源都同时面临着矿产资源的枯竭和环境污染的两大压力,风能作为可再生的绿色能源,已得到世界能源界的普遍重视。我国风能资源丰富,总储量高居世界首位,但到目前为止,我国的风能尚不足,所占国家整个装机容量的相当低,大力发展风电产业目前已非常迫切。 项目产品的研制成功,不仅能打破进口产品在兆瓦级风力发电机部件的垄断地外,替代进口产品,对于提高我国风电设备的国产化程度,促进我国风电产业的发展,提高我国在风电领域的国际竞争力,改善我国能源构成,带动相关产业的发展也具有十分重要的意义。 七、推广应用前景 发展风电已不仅是各国走可持续发展道路的一个“政治口号”,而已经切实成为各国能源建设的一个重点,参与风电产业的竞争,也不仅是企业为了改善自身形象做成的姿态,而在当前已成为能源集团和资本市场你争我夺的热点战场,开发风电也成为各国不能忽视的一项新的经济增长点。全球可再生能源理事会2006年所作的《2050年风电发展展望》认为,如果采取积极措施,2030年和2050年,世界风电装机将分别达到21亿KW和30亿KW,发电量分别达到5万亿KWh和8万亿KWh。 为了保护环境、缓解能源紧张的问题,使风电在快速增长的电力工业占有较多的份额,我国政府规划将2020年的发展目标提前若干年实现。风力发电机定子市场前景十分广阔。根据风电远景规划,至2020年各阶段我国风电发展目标分别如下：2015年全国风电装机容量累计将达到1500万kw;2020年全国风电装机容量累计达到3000万kw。 八、存在的问题及解决措施 存在的主要问题： （1）半直驱永磁风力发电机的使用维护技术需要完善; （2）半直驱永磁风力发电机全寿命周期成本LCC分析不足。 解决方案： （1）联合运用部门、主机厂以前永磁风力发电机配套供应商,结合风电机组的各级修程,积累使用、维护、检修等数据,分析、总结并形成适用中国国情的半直驱永磁风力发电机使用维护技术。 （2）联合运用部门、主机厂以前永磁风力发电机配套供应商,借助国内高校、科研机构开展LCC分析。