水风光联合运行条件下水轮发电机关键部件的适应性设计研究

东方电气集团东方电机有限公司 孟庆钊

风力发电与光伏发电因受昼夜交替、天气变化等因素影响，呈现明显的日夜周期性、波动性和随机性，其发出的电能电压波动大，有功不稳、无功不足，若将风力、光伏发电直接并入电网会对电网的稳定运行造成较大冲击，进一步降低电网电能质量，这成为制约风力、光伏发电技术大规模应用发展的突出问题[1]。而水力发电具有装机容量大、稳定性高、启停灵活、负荷调节迅速、方便进相运行等优点，属于优质电能。因此，发挥水力发电优势，考虑水电同风、光发电联合运行，借助其强大的存储性和调节性，平抑风、光发电波动性等缺点，打造“水风光联合运行、多能互补”的清洁能源调控枢纽，对消纳风光发电、保证电能质量、建设坚强电网具有重要意义[2]。

为满足水力、风力、光伏发电联合运行要求，水轮发电机设计必须开展适应性研究，进行针对性调整。根据风力、光伏发电特点，分析提炼水轮发电机设计的适应性调整主要集中在以下三方面：适应宽范围的电压及频率波动；深度进相运行能力；频繁启停下转动部件的抗疲劳能力[3]。本文以某电站水轮发电机为研究对象，对其定子、转子等关键部件的电磁计算、结构设计进行研究，以提升其上述三方面的适应性能力，为后续有相关需求的水轮发电机设计提供借鉴。

1 适应宽范围电压、频率波动的定子、转子电磁及结构设计

1.1 水轮发电机基本情况

总体结构及定子、转子设计特点：某电站水轮发电机采用立轴半伞式结构，密闭自循环空气冷却方式。定子铁心采用高导磁、低损耗、无时效优质硅钢片叠压而成，轴向分段设置径向通风沟；定子线棒采用单匝、多股铜扁线，外包F 级绝缘的条式结构。转子支架设计为圆盘式，转子磁轭采用优质高强度钢板叠压而成，与转子支架通过热打键方式连接；转子磁极采用矩形磁极，磁极线圈采用矩形铜排焊接成整体。

主要设计参数：额定功率300MW、额定功率因数0.9、额定转速107.1rpm、额定电压18kV、额定频率50Hz、定子线棒数1176、定子铁心内径13300mm、定子铁心外径14200mm、定子铁心长度2100mm、定子线棒股数62、转子磁极数56、磁极极身宽度410mm、磁极极身长度2120mm、磁极线圈匝数17；重要电气参数：定子绕组电流10692A、转子绕组电流2665A、定子绕组温升57K、转子绕组温升69K、定子1/3齿高处磁密1.524T、磁极极身根部磁密1.498T。

电压和频率波动会在发电机定转子绕组温升、铁心磁密方面产生影响，波动过大可能会造成定转子绕组温升过高而损伤绕组绝缘、材料磁负荷过高(磁饱和)导致铁心过热甚至烧毁等严重后果。因此在电磁设计是，主要是在定转子绕组温升、铁心磁密方面开展研究，以适应宽范围电压及频率波动[4]。

1.2 电压、频率波动对定转子绕组温升影响

采用定多变一法，经电磁理论计算得出电压波动对发电机定转子绕组温升的影响规律，如图1所示，得出频率波动对发电机定转子绕组温升的影响规律，如图2所示。

图1 电压波动对定转子绕组温升的影响

图2 频率波动对定转子绕组温升的影响

由图1、图2可知，当电压及频率波动时定转子绕组温升均有明显变化，尤以转子绕组温升变化最为显著，电压越高、频率越低转子温升越大，可作为发电机稳定运行的主要限制因素；定子绕组温升变化略小，电压越低定子温升越高，可作为次要限制因素。

1.3 电压、频率波动对定转子铁心磁密影响

采用定多变一法，经电磁理论计算得出电压波动对发电机定转子铁心磁密的影响规律，如图3所示；得出频率波动对发电机定转子铁心磁密的影响规律，如图4所示。

图3 电压波动对定转子磁密的影响

图4 频率波动对定转子磁密的影响

由图3、图4可知，当电压及频率波动，定转子铁心磁密均有明显变化，电压越高、频率越低，定转子磁密均越高，成为发电机稳定运行的另一主要限制因素。

1.4 调整措施

通过以上分析可知，电压及频率的波动将引起定转子绕组温升及铁心磁密的显著变化，相较常规机组，适应宽范围电压及频率波动的发电机电磁及结构设计需考虑充分的设计裕度：定转子绕组低电密、铁心低磁密、同时考虑更好的散热条件。具体调整措施详见下述。

定子适应性设计：增加线棒股线数，降低电密；增大铁心内径、加长铁心长度，既可降低电负荷又可控制齿部磁负荷，避免材料磁饱和；选取窄且深的槽型，既可增大线棒表面散热面积又可控制齿部磁负荷，避免材料磁饱和；采用4mm 高定子通风沟，并适当增加通风沟数量，保证线棒良好冷却条件。

转子适应性设计：增大磁极铜排截面，降低电密；增加磁极线圈有效匝数，减小励磁电流；加宽磁极极身宽度、加长极身长度，控制极身磁负荷，避免材料磁饱和；磁极线圈采用带散热翅铜排，有效增大表面散热面积，保证线圈良好散热条件。

2 具备深度进相运行能力的电磁及结构设计

水轮发电机在一定有功功率输出下，随着励磁电流的减小，功率因数角由滞后转为超前端电压，发电机由发出无功转为吸收无功功率，即转入进相运行[5]。随着进相加深，发电机电势E 与端电压U（在无限大容量的系统内，其U 恒定）之间的功角逐渐增大、稳定性降低，最后达到静态稳定极限点，直到失步。理论上，提高发电机静态稳定极限有利于提升其深度进相运行能力。根据同步发电机的功角特性曲线（静态稳定曲线），整步功率系数反比于发电机直轴同步电抗[6]。所以在电磁设计阶段，减小同步电抗（即增大发电机短路比）可以提高发电机静态稳定极限。

此外，当发电机由滞相转入进相运行，定子端部合成漏磁通将显著增大。进相深度越深端部漏磁越大，定子铁心端部和金属结构件因磁滞和涡流引起的发热也越严重，成为进相运行的关键限制因素。为提升发电机进相运行能力，在定子结构设计上可做如下调整：边段铁心采用阶梯结构，减少端部漏磁；边段铁心齿部中间开小槽，减少端部漏磁产生的涡流损耗；端部结构件选用非金属或非磁性材料，消除或减小涡流损耗；压指采用非磁性方形钢管，既可减少涡流损耗，又可改善其散热条件；减小定子线棒渐开线部分圆锥角，减少端部损耗。

3 频繁启停下转动部件的抗疲劳结构设计

3.1 有限元模型分析

建立该水轮发电机的转动部件有限元计算模型，包括转子支架、主轴、磁轭、磁极铁芯、磁极压板、磁极引线、阻尼绕组等，额定工况下施加对应载荷进行应力计算。此处以转子支架为例，构建转子支架有限元模型如图5所示，计算得到最危险点平均应力如图6所示、交变应力幅如图7所示。停机-额定工况-停机工况下，转子支架平均应力185、交变应力幅116MPa。

图5 转子支架、磁轭(1/14)有限元实体模型

图6 转子支架额定工况—停机状态平均应力

图7 转子支架额定工况—停机状态交变应力幅

3.2 疲劳寿命分析

以ASME 规范为依据，采用Miner 累积损伤准则，进行疲劳寿命分析。按照常规水轮发电机40年设计寿命，计算转动部件在该周期内“停机-正常运行-停机”的允许循环次数(累计损伤系数≥1)，折算成每天可承受启停次数，转动部件疲劳寿命分析结果为（设计寿命内可承受起停次数/天）：转子支架23、主轴≮6850、磁轭21、磁极铁心部分≮6850、磁极线圈8、外径侧引线10、内径侧引线46。

考虑单日内风力、光照等天气变化频繁，设定发电机单日启停次数≤24次(1次/小时)，对分析结果不理想部件(转子支架、磁轭、磁极线圈、外径侧引线)进行结构优化，提升其抗疲劳能力，水轮发电机配合间歇性风力、光伏发电而频繁起停的适应性亦将提高。表1为优化前后疲劳寿命结果对比。

表1 部分转动部件优化前后疲劳寿命结果对比

3.3 转动部件结构优化

针对前期计算结果不甚理想的转子支架、磁轭、磁极线圈、外径侧引线等部件，为提升其抗疲劳能力，可采取以下措施：转子支架与磁轭的连接采用弹性键结构，降低发电机转子支架与磁轭的应力水平与交变应力幅值，提高转子支架与磁轭的抗疲劳能力；磁极采用塔形向心结构，减小或消除旋转产生的磁极线圈侧向分力，提高线圈抗疲劳能力；加大磁极引线头冷弯成型圆角半径，降低圆角处应力集中。表1为部分转动部件优化前后疲劳寿命结果对比。

综上所述，针对性的电磁参数选取和调整，结合关键部件结构上的设计优化，可在一定程度上提高水轮发电机适应水风光联合运行的能力。