高电压水轮发电机和风力发电机技术
来源：作者：行业机械频道 发布时间：2007-10-12
1905年mengarini教授和ganz为向罗马供电，研制出了两台30kv/5.2mva的直接并网的高电压水轮发电机。自此以后，欧洲、美国和俄罗斯一直有人在尝试制造高电压发电机，以取消其并网用的升压变压器，给发电厂带来一项技术进步，但是电网电压等级也在随着不断地提高升级。 1997年在日本横滨召开的国际大电网会议旋转电机专业委员会的年会上，abb公司报告了关于45 kv/5.2mva高电压水轮发电机的研究成果，该电机于1998年安装运行于瑞典北律勒河上的porijus水电站（9号机），其参数与该电站中一台传统机组（8号机）的比较情况如表1所述，所得技术效益如表2所示。据该电站的业主介绍，按30年的寿命期计算，9号高电压机组较8号传统机组，可节约费用约7000万英磅，其中的建设费用为2750万英磅，并由于省约了变压器及开关设备，还有利于环境保护。 表1 porijus水电站中高电压发电机与传统电机的参数比较 ---------------------------------------------------------- 参数名称 8号传统电机 9号高电压电机 ---------------------------------------------------------- 视在功率mva 11 11 电压kv 10 45 电流a 635 141 转速r/min 429 600 长度mm 750 1450 定子外径mm 3100 3050 每槽电缆数 - 12 定子重 11.5 34.5 转子重 23.0 22.8 阻抗xdi，p.u 0.98 0.79 xdi，p.u 0.25 0.22 xdi，p.u 0.17 效率（含变压器）% 97.2 97.6 ---------------------------------------------------------- 表2 采用高电压发电机的经济及运行效益 ----------------------------- 传统电机 高电压电机 ----------------------------- 并网变压器 无 封闭母线 无 发电机开关 无 空间与体积=1 空间体积<1 部件多 部件少 重量=1 重量<1 过载能力=1 过载能力>1 无功功率=1 无功功率>1 ------------------------------ 上述高电压水轮及电机的定子绕组是利用整根高压圆形电缆绕制而成的，中间没有接头；出线端子及接头却为普通的电缆端子及接头，abb公司利用当今先进的计算机技术，分析矩形及圆形通电导体的麦克斯韦电磁场后得知，比较传统电机采用的矩形线棒，发电机定子绕组采用具有坚实绝缘的圆形高压电缆进行绕制后，不会发生绝缘故障（局部放电）及失效现象，温升、谐波含量、杂散损耗、端部电动力及噪声都会降低，具体效果如表3所述，至于其中重量增加20%~40%，在表2中省却了变压器、母线及开关，已得到了更为丰厚的补偿。 表3 圆形电缆对于高电压电机的设计效果 ----------------------------- 传统设计 高电压设计 ----------------------------- 电压低 电压高 电流大 电流小 温升高 温升低 短齿 长齿 重量=1 重量=1.2~1.4 允许局部放电 无局部放电 绕组整浸 挤压成形 成型绕组 线电缆 ------------------------------ abb公司把上述设计技术，为瑞典nassuden风电场，设计出了12kv/5mw的高电压风力发电机，获得了更为显著的技术效果，这种高电压的发电机，不仅使机组省却了传统机组所用的增速齿轮箱，而且使各机组的输出电能，经过整流器进行交——直整流后进行并联，利用这种并联所得到的风电场的高压直流母线，来实现各机组的并联运行，这种并联运行的效果会使各机组的转速总会随时绝对一致，其原因是发电机的转子为永磁转子，挂网于同一直流母线运行，就意味着各电机的输出电压相等，由于铭牌参数相同，所以它们的转速必定会相等，既或其中的某些电机采用非可控整流，也会具有这种效果。 由于风电场的上述直流母线上的电压很高，达1.35×12kv以上，其上的电源经（40mw）公用逆变器变换成与电网一致的恒频恒压工频电源后，就可以直接并入当地电网使用，这样，又省却了传统风电机组并网的升压变压器。 把高电压发电机应用于风力发电场，除了具有类似于表2所述的效益外，在技术效果上，还把整个风电场等效成了一台 40mw的大型无换向器发电机。这是因为各机组的转速随时都会同步运行，它们中的发电机相当于是同一台电机，于是风电场中的各发电机——各整流器——公用逆变器便等放成了一台无换向器发电机，兼备着直流发电机的调速性能及同步电机易于维护的优点。这种等效无疑给风电场的电气技术带来了一项重大的技术进步。 在2000年8月至9月召开的国际大电网会议第38届巴黎年会上，对瑞典的上述高电压风力发电机作出了充分的肯定，与会者认为它代表着大型风力机组的发展方向。 abb公司在前述的横滨会议上还曾宣称，在当今的电缆电压水平情况下，可以把发电机的电压设计到400kv的水平。