Подход к проектированию статорных обмоток мощных ветрогенераторов

  • Виктор Николаевич Антипов
  • Андрей Дмитриевич Грозов
  • Анна Владимировна Иванова
Ключевые слова: синхронные сверхпроводниковые ветрогенераторы, сосредоточенные обмотки, распределенные обмотки, ток короткого замыкания

Аннотация

Единичная мощность ветротурбины оффшорной ветроэлектростанции достигла к настоящему времени 10 МВт, и дальнейший ее рост возможен при переходе к синхронным генераторам на основе сверхпроводимости. В статье рассмотрены факторы, определяющие выбор классических распределенных и сосредоточенных статорных обмоток при проектировании сверхпроводниковых мощных ветрогенераторов. Объектом численного исследования является сверхпроводниковый ветрогенератор мощностью 10 МВт, 3300 В, 10 мин–1 с обмоткой возбуждения из высокотемпературного сверхпроводящего материала Bi-2223 с ферромагнитным статором и ротором. Критерием выбора приняты объем статора и длина сверхпроводящего провода. Показано, что в диапазоне числа пар полюсов 2р = 32–40 применение двухслойной распределенной обмотки имеет ограничения по устойчивости работы генератора (значение тока короткого замыкания меньше номинального), а применение сосредоточенных обмоток имеет ограничения из-за значительной величины составляющей дифференциального рассеяния. Установлено, что для распределенной обмотки в указанном диапазоне числа пар полюсов могут быть получены практически равноценные варианты с показателем объема статора 78 м3 и длины сверхпроводника 16 км. Для сосредоточенной обмотки предпочтительным является выбор однослойной обмотки с условиями выполнения Z = 12+6k, 2p = Z–2, k = 0, 1, 2, ..., однако реализованные показатели уступают таковым при применении классической двухслойной распределенной обмотки.

Биографии авторов

Виктор Николаевич Антипов

доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник Института химии силикатов имени И.В. Гребенщикова РАН (ИХС РАН), Санкт-Петербург, Россия.

Андрей Дмитриевич Грозов

научный сотрудник ИХС РАН, Санкт-Петербург, Россия.

Анна Владимировна Иванова

кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник ИХС РАН, Санкт-Петербург, Россия.

Литература

1. AMSC Sea Titan 10 MW Wind Turbine [Электрон. ресурс], URL:https://www.renugen.co.uk/amsc-seatitan-10mw-wind-turbine (дата обращения 27.12.2021).
2. Snitchier G., et al. 10 MW Class Superconductor Wind Turbine Generators. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21. No. 3, pp. 1089–1092.
3. Fair R., et al. Superconductivity for Large-Scale Wind Turbines. – Applied Superconductivity Conference, Portland, Oregon, 2012.
4. Kalsi S.S. Superconducting Wind Turbine Generator Employing MgB2 Windings Both on Rotor and Stator. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, vol. 24. No. 1, DOI: 10.1109/TASC. 2013.2291275.
5. Liu D., et al. Potential of Partially Superconducting Generators for Large Direct-Drive Wind Turbines. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 27, No. 5, DOI: 10.1109/TASC.2017. 2707661.
6. Fukui S., et al. Study of 10 MW-Class Wind Turbine Synchronous Generators with HTS Field Windings. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, 21(3), DOI:10.1109/TASC.2010.2090115.
7. Terao Y., Sekino M., Ohsaki H. Electromagnetic design of 10 MW class fully superconducting wind turbine generators. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2012, 22(3), DOI:10.1109/TASC.2011.2177628.
8. Wang J., et al. Design of a Superconducting Synchronous Generator with LTS Field Windings for 12 MW Offshore Direct-Drive Wind Turbines. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 63(3), DOI: 10.1109/TIE.2015.2415758.
9. Liang Y., Rotaru M.D., Sykulski J.R. Electromagnetic Simulation of a Fully Superconducting 10-MW-Classs Wind Turbine Generator. – IEEE Transactions Applied Superconductivity, 2013, 23 (6), DOI: 10.1109/TASC.2013.2277778.
10. Kim J.H., Kim H.M. Electromagnetic Design of 10 MW Class Superconducting Wind Turbine Using 2G HTS Wire. – Progress in Superconductivity and Cryogenics, 2013, vol. 15, No. 3, pp. 29–34, DOI:10.9714/psac.2013.15.3.029.
11. Sung H.-J., et al. Practical Design of a 10 MW Superconducting Wind Power Generator Considering Weight. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, vol. 23, No. 3, DOI: 10.1109/TASC. 2013.2245175.
12. Maki N. Design Study of High-Temperature Superconducting Generators for Wind Power Systems. – IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series, 2008, vol. 97, DOI:10.1088/1742-6596/97/ 1/012155.
13. Hoang T.-K., et al. Design of a 20-MW Fully Superconducting Wind Turbine Generator to Minimize the Levelized Cost of Energy. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2018.2810309.
14. Keysan O., Mueller M. A Modular and Cost-Effective Superconducting Generator Design for Offshore Wind Turbines Institute for Energy Systems. – Superconductor Science and Technology, 2015, vol. 28, DOI: 10.1088/0953-2048/28/3/034004.
15. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Сверхпроводниковые ветрогенераторы мощностью 10 МВт и более (обзор зарубежных публикаций). – Электричество, 2020, № 10, с. 59–67.
16. Pat. US20160380516 A1. Superconducting Generators and Motors and Methods for Employing Same / M.J. Tomsic, L Long, 2016.
17. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Выбор конструкции электрического ветрогенератора мегаваттного диапазона мощности. – Электричество, 2020, № 4, с. 56–63.
18. Антипов В.Н., Грозов А.Д., Иванова А.В. Применение сосредоточенных обмоток для мощных синхронных ветрогенераторов. – Электричество, 2021, № 4, с. 50–57.
19. Вольдек А.И. Рассеяние по коронкам зубцов в электрических машинах. – Вестник электропромышленности, 1961, № 1, с. 60–62.
---
Работа выполнена в рамках гос. задания ИХС РАН (№ гос. регистрации темы АААА-А19-119022290086-4)
#
1. AMSC Sea Titan 10 MW Wind Turbine [Electron. resource], URL:https://www.renugen.co.uk/amsc-seatitan-10mw-wind-turbine (Date of appeal 27.12.2021).
2. Snitchier G., et al. 10 MW Class Superconductor Wind Turbine Generators. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, vol. 21. No. 3, pp. 1089–1092.
3. Fair R., et al. Superconductivity for Large-Scale Wind Turbines. – Applied Superconductivity Conference, Portland, Oregon, 2012.
4. Kalsi S.S. Superconducting Wind Turbine Generator Employing MgB2 Windings Both on Rotor and Stator. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2014, vol. 24. No. 1, DOI: 10.1109/TASC.2013.2291275.
5. Liu D., et al. Potential of Partially Superconducting Generators for Large Direct-Drive Wind Turbines. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2017, vol. 27, No. 5, DOI: 10.1109/TASC.2017.2707661.
6. Fukui S., et al. Study of 10 MW-Class Wind Turbine Synchronous Generators with HTS Field Windings. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2011, 21(3), DOI:10.1109/TASC.2010.2090115.
7. Terao Y., Sekino M., Ohsaki H. Electromagnetic design of 10 MW class fully superconducting wind turbine generators. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2012, 22(3), DOI:10.1109/TASC.2011.2177628.
8. Wang J., et al. Design of a Superconducting Synchronous Generator with LTS Field Windings for 12 MW Offshore Direct-Drive Wind Turbines. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 63(3), DOI: 10.1109/TIE.2015.2415758.
9. Liang Y., Rotaru M.D., Sykulski J.R. Electromagnetic Simulation of a Fully Superconducting 10-MW-Classs Wind Turbine Generator. – IEEE Transactions Applied Superconductivity, 2013, 23(6), DOI: 10.1109/TASC.2013.2277778.
10. Kim J.H., Kim H.M. Electromagnetic Design of 10 MW Class Superconducting Wind Turbine Using 2G HTS Wire. – Progress in Superconductivity and Cryogenics, 2013, vol. 15, No. 3, pp. 29–34, DOI:10.9714/psac.2013.15.3.029.
11. Sung H.-J., et al. Practical Design of a 10 MW Superconducting Wind Power Generator Considering Weight. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2013, vol. 23, No. 3, DOI: 10.1109/TASC.2013.2245175.
12. Maki N. Design Study of High-Temperature Superconducting Generators for Wind Power Systems. – IOP Publishing Journal of Physics: Conference Series, 2008, vol. 97, DOI:10.1088/1742-6596/97/1/012155.
13. Hoang T.-K., et al. Design of a 20-MW Fully Superconducting Wind Turbine Generator to Minimize the Levelized Cost of Energy. – IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2018, vol. 28, No. 4, DOI: 10.1109/TASC.2018.2810309.
14. Keysan O., Mueller M. A Modular and Cost-Effective Superconducting Generator Design for Offshore Wind Turbines Institute for Energy Systems. – Superconductor Science and Technology, 2015, vol. 28, DOI: 10.1088/0953-2048/28/3/034004.
15. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 10, pp. 59–67.
16. Pat. US20160380516 A1. Superconducting Generators and Motors and Methods for Employing Same / M.J. Tomsic, L Long, 2016.
17. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2020, No. 4, pp. 56–63.
18. Antipov V.N., Grozov A.D., Ivanova A.V. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2021, No. 4, pp. 50–57.
19. Vol'dek А.I. Vestnik elektropromyshlennosti– in Russ. (Bulletin of the Electrical Industry), 1961, No. 1, pp. 60–62.
---
The work was carried out within the framework of the state task of the IHS RAS (State registration number of the topic AAAA19-119022290086-4)
Опубликован
2021-12-22
Раздел
Статьи