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通過分析300MW級壓縮空氣儲能電站壓縮機電動機的應用需求，研究了大功率電動機制造的限制因素和解決方案，從異步電動機和同步電動機的選擇、額定電壓的選擇、功率因數(shù)的選擇、同步電動機勵磁方式的選擇、電動機防護等級的選擇等方面分析了壓縮機電動機設(shè)備的型式選擇，提出了適用于300MW級壓縮空氣儲能電站壓縮機電動機的推薦選型方案，為以后工程的壓縮機電動機選型提供了參考。

1 大功率電動機應用和制造概況

1.1大功率壓縮機電動機應用需求

我國近年來部分300MW級壓縮空氣儲能電站工程中壓縮機電動機的應用情況如下。

某350MW壓縮空氣儲能發(fā)電項目，壓縮機組采用雙列并聯(lián)方案，每列由4臺壓縮機串聯(lián)組成，每套機組配套8臺壓縮機電動機，每列壓縮機的4段電動機功率為40、32、32、30MW。

某300MW壓縮空氣儲能發(fā)電項目，壓縮機組采用雙列并聯(lián)方案，每列由4臺壓縮機串聯(lián)組成，每套機組配套8臺壓縮機電動機，每列壓縮機的4段電動機功率為52、43、43、20MW。

某300MW壓縮空氣儲能發(fā)電項目，壓縮機組采用雙列并聯(lián)方案，每列由3臺壓縮機串聯(lián)組成，每套機組配套6臺壓縮機電動機，每列壓縮機的3段電動機功率為78、73、28MW。300MW級壓縮空氣儲能電站均采用2P和4P的壓縮機電動機，不會采用6P及以上的電動機。

對于一段壓縮機，由于壓縮機轉(zhuǎn)速一般為3000r/min，壓縮機與電動機直連，不設(shè)置齒輪箱，采用2P電動機。對于除一段以外的壓縮機，壓縮機轉(zhuǎn)速大于3000r/min，需要設(shè)置齒輪箱，2P、4P電動機均可采用。

對于中間段的壓縮機，其功率相對適中，根據(jù)電動機及齒輪箱的總成本比較情況，以確定采用2P或4P電動機。

對于末段壓縮機，由于壓縮機轉(zhuǎn)速很高且功率相對較小，4P電動機相對2P電動機造價較低，因此采用4P電動機較多。

一般而言，300MW級壓縮空氣儲能電站中每套機組需采用6～8臺10～80MW級2P或4P的高轉(zhuǎn)速大功率壓縮機電動機。由于壓縮機電動機的功率等級遠超常規(guī)應用場合，需調(diào)研我國大功率電動機設(shè)計及制造能力能否滿足300MW級壓縮空氣儲能電站的應用需求。

1.2 大功率電動機設(shè)計及制造能力

通過調(diào)研國內(nèi)主要大型電機制造廠，得到我國大功率電動機最大設(shè)計能力及實際業(yè)績情況如表1所示。


對于10kV同步電動機，2P電動機為隱極機，其設(shè)計能力上限約為150MW，目前已有工程業(yè)績的最大功率為80MW。4P同步電動機根據(jù)結(jié)構(gòu)型式分為凸極和隱極，隱極結(jié)構(gòu)制造成本高，一般情況下均采用凸極結(jié)構(gòu)，4P凸極電動機設(shè)計能力上限約為75MW，4P隱極電動機設(shè)計能力上限約為150MW，目前已有工程業(yè)績的最大功率為45.6MW。

對于10kV異步電動機，由于異步電動機的自身特性限制，2P電動機設(shè)計能力上限約為12.5MW，目前已有工程業(yè)績的最大功率為9MW。4P電動機設(shè)計能力上限約為42MW，目前已有工程業(yè)績的最大功率為35MW。

因此，國產(chǎn)大功率電動機的設(shè)計及制造能力，完全能夠滿足300 MW級壓縮空氣儲能電站項目的應用需求。

1.3 大功率電動機制造的限制因素和解決方案

制造超大功率電動機的限制因素主要包括材料的力學性能、定轉(zhuǎn)子槽型及槽配合、電機繞組相帶拆分與并聯(lián)、渦流損耗、內(nèi)部風路設(shè)計等。對這些制約因素的解決方案主要為以下幾點：

1）突破材料力學性能：凸極和鼠籠轉(zhuǎn)子直徑無法進一步放大，可在現(xiàn)有空間的基礎(chǔ)上，提高空間利用率，提高通風冷卻的效率，降低電機損耗；隱極轉(zhuǎn)子設(shè)計可以突破上述材料性能限制，在高轉(zhuǎn)速大功率方案中應用。

2）定轉(zhuǎn)子槽型及槽配合：重新確定定轉(zhuǎn)子槽型及槽配合，應用有限元法進行仿真分析和計算。

3）電機繞組相帶拆分與并聯(lián)：突破電機繞組相帶拆分與并聯(lián)的關(guān)鍵技術(shù)，應用新型繞組接線方式，實現(xiàn)圈式線圈的應用。

4）渦流損耗優(yōu)化：應用仿真分析手段，對定子端部渦流損耗進行優(yōu)化設(shè)計，減少電機的雜散損耗。

5）內(nèi)部風路設(shè)計：對電動機的內(nèi)部風路進行優(yōu)化設(shè)計，并進行有限元仿真分析計算。

2 大功率壓縮機電動機的選型原則

2.1 異步電動機與同步電動機的選擇

2.1.1 制造能力

從大功率電動機制造能力的角度分析，壓縮機電動機，對于2P電動機，額定功率在10MW及以下宜采用異步電動機，10MW以上異步電動機選擇困難，應采用同步電動機。對于4P電動機，額定功率在35MW及以下可采用同步電動機或異步電動機，35MW以上異步電動機設(shè)計制造困難且缺乏應用業(yè)績，應采用同步電動機。

另外，考慮到20～35MW的4P異步電動機制造及應用業(yè)績相對較少，且需要從電網(wǎng)吸收大量無功，對提高并網(wǎng)點的功率因數(shù)不利，因此推薦20～35MW的4P電動機采用同步電動機，10～20MW可采用同步電動機或異步電動機。

2.1.2 可靠性

無論同步電動機還是異步電動機，均具有高度的可靠性。

就電動機本身的結(jié)構(gòu)而言，異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，可靠性更高；而同步電動機結(jié)構(gòu)復雜，可靠性略低。就電網(wǎng)電壓波動對電機的影響而言，異步電動機轉(zhuǎn)矩輸出受電壓波動影響較大，而同步電動機通過勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，輸出轉(zhuǎn)矩更加穩(wěn)定。從電壓波動影響的角度比較，同步電動機可靠性更高。

2.1.3 運行特性

異步電動機和同步電動機的運行特性比較如表2所示。


可以看出，對于轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求高、轉(zhuǎn)矩控制要求高和對無功調(diào)節(jié)有需求的場合應選用同步電動機，其他場合選擇異步電動機即可。工程中應根據(jù)空氣壓縮機的運行特性和儲能電站的無功調(diào)節(jié)需求選擇異步電動機或同步電動機。

2.1.4 維護工作量

大型電動機的維護工作包括經(jīng)常性檢查、月度檢查和季度檢查。異步電動機的維護工作主要內(nèi)容包括定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組的維護和檢修，而對于同步電動機還包括交流勵磁系統(tǒng)的維護和檢修。與異步電動機相比，同步電動機由于系統(tǒng)較復雜，其維護工作量略大。

2.1.5 造價成本

影響大功率電動機成本的主要因素如下：

1）材料成本：異步電動機的結(jié)構(gòu)相對簡單，不需要勵磁繞組和勵磁系統(tǒng)等特殊結(jié)構(gòu)，材料成本較低。

2）制造工藝成本：異步電動機的制造工藝相對簡單，尤其是轉(zhuǎn)子部分制造工藝簡單成熟，制造工藝成本較低。

3）勵磁系統(tǒng)成本：同步電動機需要額外的勵磁系統(tǒng)。

4）維護成本：由于異步電動機的結(jié)構(gòu)相對簡單，維護成本較低。在功率相同的情況下，異步電動機的造價成本顯著低于同步電動機。在不受制造能力限制的情況下，應優(yōu)先選擇造價較低的異步電動機。

2.1.6 小結(jié)

壓縮機電動機選擇同步電動機還是異步電動機，應基于成本造價、性能要求、運行特性和維護工作量等因素進行綜合評估，推薦如下選型方案：對于2P電動機，額定功率在10MW及以下宜采用異步電動機，10MW以上應采用同步電動機；對于4P電動機，額定功率在10MW及以下宜采用異步電動機，10～20MW可采用同步電動機或異步電動機，20MW及以上宜采用同步電動機。

2.2 電動機額定電壓的選擇

大功率電動機的常用額定電壓主要包括6、10、13.8kV等，另外還有一些非標的電壓等級，如6.9、9.5、10.5、11kV等。考慮到壓縮機電動機的大功率特性和標準化需求，不考慮采用電壓等級較低的6kV及非標的電壓等級。

電壓升高會引起電動機尺寸和重量的變化。電動機的寬度和高度尺寸會增加，定子硅鋼片的尺寸增大、電氣間隙的增大會影響到端部尺寸和機座尺寸，而增加的材料體積會導致電動機的重量增加。因此，在選擇高電壓電動機額定電壓時，需要綜合考慮電動機的尺寸、重量、性能和成本等因素，以找到最佳的平衡點。

當提高額定電壓時，電動機的造價成本也會提高。功率100MW以內(nèi)、電壓10～13.8kV：在這個功率范圍內(nèi)，隨著電壓的升高，電動機繞組絕緣所需的絕緣材料增加，導致成本略微增加。

功率100MW以內(nèi)、電壓13.8kV以上：隨著電壓的升高，電動機造價成本會顯著增加，這是電磁基礎(chǔ)的變化、鐵芯硅鋼片用量增加以及絕緣材料成本增加所導致的。對于15.75kV及以上電壓等級的電動機，電動機的制造成本高昂，經(jīng)濟性差，其工程應用也極其有限，壓縮機電動機不考慮采用15.75 kV及以上電壓等級。

考慮到13.8 kV為135 MW級同步發(fā)電機的電壓等級，綜合考慮壓縮空氣系統(tǒng)配套的壓縮機變壓器、高壓站用母線、壓縮機電動機斷路器、高壓變頻器、動力電纜等設(shè)備的選型，降低壓縮機組電氣系統(tǒng)的整體造價，且與高壓站用電系統(tǒng)電壓等級保持一致，推薦壓縮機電動機的額定電壓采用10kV。

2.3 同步電動機功率因數(shù)的選擇

同步電動機的額定功率因數(shù)常規(guī)設(shè)計范圍為0.9至1.0之間，一般為0.95。同步電動機采用較高的功率因數(shù)可以提高電力系統(tǒng)的效率，減少電網(wǎng)輸電損耗；也可以提高電動機的運行效率。

為提高同步電動機的運行效率，建議選擇較高的功率因數(shù)。壓縮機同步電動機功率因數(shù)，推薦選擇0.90～0.95超前，具體根據(jù)電網(wǎng)無功需求確定。

2.4 同步電動機勵磁方式的選型

同步電動機勵磁系統(tǒng)分為有刷勵磁和無刷勵磁兩種，且均有廣泛應用。勵磁方式的選型應根據(jù)電動機的使用條件，例如負載特性、轉(zhuǎn)速范圍、電網(wǎng)性質(zhì)等因素確定。兩種勵磁方式的對比如表3所示。


有刷勵磁和無刷勵磁均能滿足壓縮機同步電動機的運行需求。綜合考慮設(shè)備造價成本和后期運行維護的便利性，推薦壓縮機同步電動機采用無刷勵磁方式，也可采用有刷勵磁方式。

2.5 電動機防護等級的選型

壓縮機電動機通常安裝在壓縮機主廠房室內(nèi)，室內(nèi)環(huán)境的含塵量較低，水侵入的可能性很小。

同步電動機運行中軸貫通部位、蓋板部位和部件結(jié)合部位可能存在間隙。同步電動機的電氣系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)等也要求一定的防護等級。

同步電動機的電氣系統(tǒng)方面，需要防止固體物質(zhì)、灰塵和水的侵入，以避免絕緣性能降低和設(shè)備損壞，要求的防護等級為不低于IP44級。

同步電動機的潤滑油系統(tǒng)方面，軸貫通部位存在微小間隙，難以完全避免灰塵進入。潤滑油系統(tǒng)要求的防護等級為不低于IP44級。

因此，推薦壓縮機同步電動機的防護等級采用IP44級。對于壓縮機異步電動機，也推薦防護等級采用IP44級。

3 結(jié)論

本文分析了300MW級壓縮空氣儲能電站壓縮機電動機的應用需求，調(diào)研并論證了國產(chǎn)大功率電動機的設(shè)計及制造能力可以滿足300 MW級壓縮空氣儲能電站項目的應用需求。

本文提出了適用于300 MW級壓縮空氣儲能電站壓縮機電動機的推薦選型方案：

1）對于2P電動機，額定功率在10MW及以下宜采用異步電動機，10MW以上應采用同步電動機；對于4P電動機，額定功率在10MW及以下宜采用異步電動機，10～20MW可采用同步電動機或異步電動機，20 MW及以上宜采用同步電動機。

2）額定電壓宜采用10kV。

3）采用同步電動機時，額定功率因數(shù)宜為0.90～0.95超前，具體根據(jù)電網(wǎng)無功需求確定。

4）采用同步電動機時，勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)宜采用無刷勵磁方式，也可采用有刷勵磁方式。

5）外殼防護等級宜采用IP44級。

（本文作者：中國能源建設(shè)集團江蘇省電力設(shè)計院有限公司徐陳成、梁文軍）