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摘要：通過(guò)分析壓縮空氣儲(chǔ)能壓縮側(cè)同步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景，研究了壓縮機(jī)組用大容量同步電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用需求特征，從同步電動(dòng)機(jī)的超高效率、頻繁起停、可靠性、壽命等方面分析了同步電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)需求和技術(shù)難題，提出了壓縮空氣儲(chǔ)能用同步電動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)和解決方案，為以后壓縮空氣儲(chǔ)能用電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供參考。
引言
隨著國(guó)內(nèi)對(duì)電能的需求急劇增長(zhǎng)，電能供應(yīng)不足和電網(wǎng)峰谷差問(wèn)題凸顯。另外，電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電接受程度較低、消納能力有限，造成“棄風(fēng)棄光”問(wèn)題突出。儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展能夠有效解決上述問(wèn)題。目前的儲(chǔ)能技術(shù)主要分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能，物理儲(chǔ)能主要包括抽蓄儲(chǔ)能和壓縮空氣儲(chǔ)能，化學(xué)儲(chǔ)能主要包括鋰電池、全釩液流電池、鈉硫電池、鉛炭電池儲(chǔ)能等。其中壓縮空氣儲(chǔ)能與抽蓄儲(chǔ)能效率接近，而且投資小、建設(shè)周期短、清潔環(huán)保、無(wú)選址問(wèn)題，是當(dāng)前國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的儲(chǔ)能技術(shù)。
１ 壓縮空氣儲(chǔ)能的應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)
１．１壓縮空氣儲(chǔ)能是采用壓縮空氣進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存和釋放。其機(jī)組應(yīng)用場(chǎng)景可按功能分為壓縮側(cè)和發(fā)電側(cè)兩部分。壓縮側(cè)每天將用電低谷時(shí)多余的電能通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)將空氣壓縮至儲(chǔ)氣裝置中進(jìn)行儲(chǔ)存，到用電高峰時(shí)，再釋放壓縮氣體推動(dòng)發(fā)電側(cè)的膨脹機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)“電－電”轉(zhuǎn)換，從而起到電能“搬運(yùn)”“削峰填谷”的效果。該應(yīng)用場(chǎng)景具有如下特點(diǎn)：
第一，對(duì)“電－電”轉(zhuǎn)換效率要求高。系統(tǒng)的“電－電”轉(zhuǎn)換效率的高低將直接影響壓縮空氣儲(chǔ)能電站的收益情況，因此高轉(zhuǎn)化效率，是壓縮空氣儲(chǔ)能的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。
第二，調(diào)峰運(yùn)行變換頻繁。壓縮空氣儲(chǔ)能機(jī)組每天都要起停，甚至可能會(huì)一天起、停多次，以滿足不斷變化的調(diào)峰工況。整個(gè)壽命周期內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)備需要滿足２５０００次以上的起停要求。
第三，對(duì)機(jī)組的可靠性、維護(hù)便捷性要求高。
第四，為了實(shí)現(xiàn)壓縮空氣儲(chǔ)能電站收益最大化，需要系統(tǒng)中各設(shè)備具有較長(zhǎng)的使用壽命。
２ 壓縮空氣儲(chǔ)能用同步電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)和技術(shù)解決方案
鑒于壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)，相對(duì)于常規(guī)電動(dòng)機(jī)，壓縮空氣儲(chǔ)能中壓縮側(cè)電動(dòng)機(jī)具有如下技術(shù)特點(diǎn)：超高效率、頻繁起停、高可靠性、免維護(hù)、長(zhǎng)壽命等。為了滿足以上特點(diǎn)，需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采取切實(shí)可行的技術(shù)解決方案。
２．１超高效率：以湖北應(yīng)城３００ＭＷ壓縮空氣儲(chǔ)能項(xiàng)目為例，為了實(shí)現(xiàn)較高的“電－電”轉(zhuǎn)化效率目標(biāo)，壓縮側(cè)５２ＭＷ同步電動(dòng)機(jī)的效率要求高達(dá)９８.６％，該效率值遠(yuǎn)高于常規(guī)電機(jī)要求。眾所周知，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行存在鐵損耗、銅損耗、風(fēng)磨損耗、軸承損耗、附加損耗等固有損耗，只有降低損耗，才能提升效率，保證系統(tǒng)的要求值。為此，需要從電磁、通風(fēng)、材料等方面進(jìn)行優(yōu)化。
１）優(yōu)化電磁設(shè)計(jì)，降低附加損耗；
２）局部采用非導(dǎo)磁材料，降低渦流損耗；
３）優(yōu)化風(fēng)路、風(fēng)扇設(shè)計(jì)，降低風(fēng)磨損耗；
４）優(yōu)化轉(zhuǎn)子和軸承設(shè)計(jì)，降低軸承損耗；
５）采用高性能硅鋼片，降低鐵心損耗。
２．２頻繁起停要求：壓縮空氣儲(chǔ)能每天循環(huán)一次，每天至少起、停各一次，頻繁起停對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)帶來(lái)很多的課題和挑戰(zhàn)，如轉(zhuǎn)動(dòng)部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和低周疲勞，定轉(zhuǎn)子熱變換絕緣系統(tǒng)、軸承高壓頂升以及局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。需要對(duì)關(guān)鍵部件、絕緣、結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析和優(yōu)化。
１）對(duì)轉(zhuǎn)軸進(jìn)行建模仿真分析，找出應(yīng)力集中點(diǎn)或強(qiáng)度薄弱點(diǎn)。
２）優(yōu)化轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)，特別是軸伸、法蘭、圓角等危險(xiǎn)截面部位，適當(dāng)放大設(shè)計(jì)裕量。
３）對(duì)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和部件進(jìn)行疲勞分析，使其能夠滿足起停次數(shù)要求。
４）采用耐冷熱交變的絕緣系統(tǒng)，以滿足頻繁起停工況的要求。
５）為了滿足頻繁起停，軸承采用“一拖一、一用一備”的高壓頂軸油系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)互為備用，并使用壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)連鎖，確保兩個(gè)系統(tǒng)無(wú)縫切換。
６）為了減小頻繁起停冷熱交變對(duì)定子端部的影響，定子線圈端部支撐采用彈性設(shè)計(jì)，可以使線圈端部的熱脹冷縮有“釋放”的裕量，保證端部頻繁熱脹冷縮時(shí)自身、絕緣安全可靠。
７）頻繁起停對(duì)于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子銅排也會(huì)產(chǎn)生不小的影響。轉(zhuǎn)子銅排焊接部位在頻繁熱脹冷縮時(shí)有損壞的風(fēng)險(xiǎn)。轉(zhuǎn)子銅排焊接部位由直線對(duì)接焊改為齒接結(jié)構(gòu)，即銅排焊接處改為鋸齒狀結(jié)構(gòu)，增加焊接面積，從而提高可靠性。
２．３高可靠性和免維護(hù)要求：長(zhǎng)期嚴(yán)苛的工況條件，對(duì)電動(dòng)機(jī)的可靠性和維護(hù)性提出更高的要求。變頻啟動(dòng)時(shí)變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)影響，特別是對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件和關(guān)鍵部件，如轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流盤(pán)等旋轉(zhuǎn)部件的可靠性設(shè)計(jì)要區(qū)別于常規(guī)電動(dòng)機(jī)。
１）優(yōu)化轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，選取合適的軸承距和軸承檔直徑，并建模進(jìn)行仿真分析，使得臨界轉(zhuǎn)速避開(kāi)額定轉(zhuǎn)速及調(diào)速范圍１０％以上，提升轉(zhuǎn)子運(yùn)行穩(wěn)定性；
２）根據(jù)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)數(shù)據(jù)，復(fù)算轉(zhuǎn)子軸系扭振分析，根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性；
３）采用兩支撐設(shè)計(jì)，縮短勵(lì)磁機(jī)端長(zhǎng)度，減小勵(lì)端懸伸重量，降低尾端振動(dòng)敏感度，取消勵(lì)磁機(jī)尾端軸承，減少故障點(diǎn)，提高運(yùn)行可靠性；
４）旋轉(zhuǎn)整流盤(pán)采用雙路全橋模塊化元件、鏤空型單盤(pán)體結(jié)構(gòu)、全通流通風(fēng)設(shè)計(jì)，提高整流元件散熱能力，保證整流元件在相對(duì)低溫運(yùn)行，降低損壞風(fēng)險(xiǎn)，提高運(yùn)行可靠性；
５）對(duì)整機(jī)建模，進(jìn)行模態(tài)分析，進(jìn)而優(yōu)化整機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，確保固有頻率避開(kāi)運(yùn)行頻率，保證機(jī)械性能，提高整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性；
６）優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)，嚴(yán)格加工工藝，提升ＩＰ防護(hù)等級(jí)，保證電動(dòng)機(jī)內(nèi)部清潔，提升可靠性。
２．４為了壓縮空氣儲(chǔ)能電站的最大化收益，需要系統(tǒng)設(shè)備具有較長(zhǎng)的使用壽命。為此，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)需要關(guān)注以下幾點(diǎn)。
１）控制溫升。相對(duì)低的溫度能延長(zhǎng)絕緣和各部件的使用壽命。
２）絕緣系統(tǒng)“核級(jí)”驗(yàn)證。對(duì)絕緣系統(tǒng)進(jìn)行熱老化試驗(yàn)，保證絕緣系統(tǒng)壽命期限大于６０年。
３）噴涂“三防漆”，加強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性。在電機(jī)定子線圈、鐵心表面噴涂“防潮、防霉、防鹽霧”漆，以更好地防止絕緣系統(tǒng)腐蝕。
４）均勻且合適的線圈絕緣間隙。線圈端部綁扎均勻、規(guī)整，并采用相對(duì)稍大的線圈絕緣間隙，防止局放產(chǎn)生，延長(zhǎng)絕緣使用壽命。
３ 結(jié)論
本文分析了壓縮空氣儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景特點(diǎn)，并總結(jié)出壓縮空氣儲(chǔ)能機(jī)組設(shè)備要求超高效率、頻繁起停、高可靠性、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。
本文對(duì)空氣儲(chǔ)能壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)歸納，并對(duì)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景帶來(lái)的技術(shù)難點(diǎn)提出技術(shù)應(yīng)對(duì)措施，解決了壓縮空氣儲(chǔ)能壓縮機(jī)用電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)難題，為項(xiàng)目電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)提供了有效參考。
本文技術(shù)應(yīng)對(duì)措施經(jīng)過(guò)多臺(tái)實(shí)際運(yùn)行證明，這些措施是必要的、也是有效的。
