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摘要：通過分析壓縮空氣儲能壓縮側(cè)同步電動機應(yīng)用場景，研究了壓縮機組用大容量同步電動機的應(yīng)用需求特征，從同步電動機的超高效率、頻繁起停、可靠性、壽命等方面分析了同步電動機設(shè)計需求和技術(shù)難題，提出了壓縮空氣儲能用同步電動機的技術(shù)特點和解決方案，為以后壓縮空氣儲能用電動機設(shè)計提供參考。
引言
隨著國內(nèi)對電能的需求急劇增長，電能供應(yīng)不足和電網(wǎng)峰谷差問題凸顯。另外，電網(wǎng)對風(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”問題突出。儲能技術(shù)的發(fā)展能夠有效解決上述問題。目前的儲能技術(shù)主要分為物理儲能和化學(xué)儲能，物理儲能主要包括抽蓄儲能和壓縮空氣儲能，化學(xué)儲能主要包括鋰電池、全釩液流電池、鈉硫電池、鉛炭電池儲能等。其中壓縮空氣儲能與抽蓄儲能效率接近，而且投資小、建設(shè)周期短、清潔環(huán)保、無選址問題，是當(dāng)前國家重點發(fā)展的儲能技術(shù)。
１ 壓縮空氣儲能的應(yīng)用場景特點
１．１壓縮空氣儲能是采用壓縮空氣進行能量儲存和釋放。其機組應(yīng)用場景可按功能分為壓縮側(cè)和發(fā)電側(cè)兩部分。壓縮側(cè)每天將用電低谷時多余的電能通過電動機帶動壓縮機將空氣壓縮至儲氣裝置中進行儲存，到用電高峰時，再釋放壓縮氣體推動發(fā)電側(cè)的膨脹機帶動發(fā)電機進行發(fā)電，實現(xiàn)“電－電”轉(zhuǎn)換，從而起到電能“搬運”“削峰填谷”的效果。該應(yīng)用場景具有如下特點：
第一，對“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能電站的收益情況，因此高轉(zhuǎn)化效率，是壓縮空氣儲能的關(guān)鍵技術(shù)指標。
第二，調(diào)峰運行變換頻繁。壓縮空氣儲能機組每天都要起停，甚至可能會一天起、停多次，以滿足不斷變化的調(diào)峰工況。整個壽命周期內(nèi)，系統(tǒng)設(shè)備需要滿足２５０００次以上的起停要求。
第三，對機組的可靠性、維護便捷性要求高。
第四，為了實現(xiàn)壓縮空氣儲能電站收益最大化，需要系統(tǒng)中各設(shè)備具有較長的使用壽命。
２ 壓縮空氣儲能用同步電動機特點和技術(shù)解決方案
鑒于壓縮空氣儲能應(yīng)用場景特點，相對于常規(guī)電動機，壓縮空氣儲能中壓縮側(cè)電動機具有如下技術(shù)特點：超高效率、頻繁起停、高可靠性、免維護、長壽命等。為了滿足以上特點，需要對電機進行針對性的優(yōu)化設(shè)計，采取切實可行的技術(shù)解決方案。
２．１超高效率：以湖北應(yīng)城３００ＭＷ壓縮空氣儲能項目為例，為了實現(xiàn)較高的“電－電”轉(zhuǎn)化效率目標，壓縮側(cè)５２ＭＷ同步電動機的效率要求高達９８.６％，該效率值遠高于常規(guī)電機要求。眾所周知，電動機運行存在鐵損耗、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)、材料等方面進行優(yōu)化。
１）優(yōu)化電磁設(shè)計，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，降低風(fēng)磨損耗；
４）優(yōu)化轉(zhuǎn)子和軸承設(shè)計，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：壓縮空氣儲能每天循環(huán)一次，每天至少起、停各一次，頻繁起停對于電動機來說帶來很多的課題和挑戰(zhàn)，如轉(zhuǎn)動部件的結(jié)構(gòu)強度和低周疲勞，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。需要對關(guān)鍵部件、絕緣、結(jié)構(gòu)進行計算分析和優(yōu)化。
１）對轉(zhuǎn)軸進行建模仿真分析，找出應(yīng)力集中點或強度薄弱點。
２）優(yōu)化轉(zhuǎn)軸設(shè)計，特別是軸伸、法蘭、圓角等危險截面部位，適當(dāng)放大設(shè)計裕量。
３）對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和部件進行疲勞分析，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)，兩個系統(tǒng)互為備用，并使用壓力開關(guān)信號連鎖，確保兩個系統(tǒng)無縫切換。
６）為了減小頻繁起停冷熱交變對定子端部的影響，定子線圈端部支撐采用彈性設(shè)計，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自身、絕緣安全可靠。
７）頻繁起停對于電動機轉(zhuǎn)子銅排也會產(chǎn)生不小的影響。轉(zhuǎn)子銅排焊接部位在頻繁熱脹冷縮時有損壞的風(fēng)險。轉(zhuǎn)子銅排焊接部位由直線對接焊改為齒接結(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高可靠性和免維護要求：長期嚴苛的工況條件，對電動機的可靠性和維護性提出更高的要求。變頻啟動時變頻器對電動機會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動影響，特別是對轉(zhuǎn)動部件和關(guān)鍵部件，如轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流盤等旋轉(zhuǎn)部件的可靠性設(shè)計要區(qū)別于常規(guī)電動機。
１）優(yōu)化轉(zhuǎn)子設(shè)計，選取合適的軸承距和軸承檔直徑，并建模進行仿真分析，使得臨界轉(zhuǎn)速避開額定轉(zhuǎn)速及調(diào)速范圍１０％以上，提升轉(zhuǎn)子運行穩(wěn)定性；
２）根據(jù)轉(zhuǎn)矩脈動數(shù)據(jù)，復(fù)算轉(zhuǎn)子軸系扭振分析，根據(jù)分析結(jié)果進一步優(yōu)化設(shè)計，確保轉(zhuǎn)子穩(wěn)定性；
３）采用兩支撐設(shè)計，縮短勵磁機端長度，減小勵端懸伸重量，降低尾端振動敏感度，取消勵磁機尾端軸承，減少故障點，提高運行可靠性；
４）旋轉(zhuǎn)整流盤采用雙路全橋模塊化元件、鏤空型單盤體結(jié)構(gòu)、全通流通風(fēng)設(shè)計，提高整流元件散熱能力，保證整流元件在相對低溫運行，降低損壞風(fēng)險，提高運行可靠性；
５）對整機建模，進行模態(tài)分析，進而優(yōu)化整機結(jié)構(gòu)強度設(shè)計，確保固有頻率避開運行頻率，保證機械性能，提高整機運行穩(wěn)定性；
６）優(yōu)化密封結(jié)構(gòu)，嚴格加工工藝，提升ＩＰ防護等級，保證電動機內(nèi)部清潔，提升可靠性。
２．４為了壓縮空氣儲能電站的最大化收益，需要系統(tǒng)設(shè)備具有較長的使用壽命。為此，電機設(shè)計時需要關(guān)注以下幾點。
１）控制溫升。相對低的溫度能延長絕緣和各部件的使用壽命。
２）絕緣系統(tǒng)“核級”驗證。對絕緣系統(tǒng)進行熱老化試驗，保證絕緣系統(tǒng)壽命期限大于６０年。
３）噴涂“三防漆”，加強環(huán)境適應(yīng)性。在電機定子線圈、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，并采用相對稍大的線圈絕緣間隙，防止局放產(chǎn)生，延長絕緣使用壽命。
３ 結(jié)論
本文分析了壓縮空氣儲能應(yīng)用場景特點，并總結(jié)出壓縮空氣儲能機組設(shè)備要求超高效率、頻繁起停、高可靠性、長壽命等特點。
本文對空氣儲能壓縮機用電動機的特點進行了總結(jié)歸納，并對電動機實現(xiàn)應(yīng)用場景帶來的技術(shù)難點提出技術(shù)應(yīng)對措施，解決了壓縮空氣儲能壓縮機用電動機設(shè)計難題，為項目電動機設(shè)計提供了有效參考。
本文技術(shù)應(yīng)對措施經(jīng)過多臺實際運行證明，這些措施是必要的、也是有效的。
