压缩空气储能用同步电动机特点与技术应对措施
赵瑞来 刘传杰
（上海电气集团上海电机厂，上海闵行区 邮编） 摘 要： 通过分析压缩空气储能压缩侧同步电动机应用场景，研究了压缩机组用大容量同步电动机的应用需求特征，从同步电动机的超高效率、频繁启停、可靠性、寿命等方面分析了同步电动机设计需求和技术难题，提出了压缩空气储能用同步电动机的技术特点和应对措施，为以后压缩空气储能用电动机设计提供参考。
关键词：压缩空气储能；同步电动机；频繁启停；超高效率；高可靠性；长寿命；
0 引言
随着国内对电能的需求急剧增长，电能供应不足和用电峰-谷的差异问题凸显，白天缺电、晚上电量富裕的情况愈加阻碍正常生产的进行。为解决此问题，国内已经采取了很多储能措施以解决用电调峰问题，例如抽水蓄能等，但由于抽水蓄能依赖于水资源丰富的环境，我国多地水资源并不充足，抽水储能方式受到限制。而相对来说，利用压缩空气作为储能介质则不存在资源不足问题，只要依赖废弃的矿井、盐穴或者人工硐室（人工挖掘的方式建设的洞穴）作为储气容器即可建设，环境限制因素相对较少，因此，压缩空气进行储能的方式就应运而生并得以迅速发展。
1压缩空气储能的应用场景特点
1.1压缩空气储能，顾名思义是采用压缩空气进行能量储存和释放。其机组应用场景可按功能分为压缩侧和发电侧两部分。压缩侧是每天将用电低谷时多余的电能通过电动机带动压缩机将空气压缩至一个密闭的“容器”中进行储存，到用电高峰时，再释放压缩气体推动发电侧的膨胀机带动发电机进行发电机，将电能再释放到电网，实现“电-电”转换，从而起到电能“搬运”、“削峰填谷”的效果。其运行过程和作用决定了其应用特点：
首先， 压缩空气储能项目是将用电低谷时多余的电能通过电动机带动压缩机将空气压缩储存能量，到用电高峰时，再释放能量进行发电，从而实现电能“搬运”、“削峰填谷”的作用，其实质就是“电-电”转换，在转换过程中必然存在损耗，提升转换效率、节约资源，达到节能环保成为首要课题；
其次，调峰运行变换频繁。白天缺电、晚上余电的情况使得压缩空气储能项目机组每天都要起停，甚至有时可能会一天起、停多次，以满足不断变化的调峰工况，所以需要满足生命周期内（目前空气储能一般要求设备寿命周期为30~40年）实现25000次以上的起停，相当于每天起、停各一次或每两天起、停共5次；相对于其他项目连续运行的工况，频繁起停也是储能项目的显著特点之一，同时频繁起停带来很多设备设计、控制联动等一系列问题，所以也是机组要解决的重大问题之一；
第三，压缩空气储能项目一般是采用密闭状况良好的废弃矿井、盐穴作为容器，或者会采用人工硐室。工程所在地会相对偏远，且压缩空气储能项目每天均需起停，机组设备的每次起停都要确保成功，那么机组设备的可靠性、稳定性以及维护保养就需要达到很高的标准，以确保设备能及时响应，因此需要设备安装方便、免维护，以达到节省人力成本的目的；
第四、压缩空气储能项目投资大、间断运行，其成本回收时间相对长，需要设备在严苛的工况条件下可靠运行的同时兼备长寿命的特点，以达到正向收益的目标；
以上几点，是空气储能应用场景的应用特点，正因为有了以上的特点，才使得空气储能项目设备需要解决很多应用特点带来的技术难点，以满足压缩空气储能项目特殊、严苛的运行工况。
2压缩空气储能用同步电动机特点与技术应对措施
压缩机组作为压缩空气储能项目压缩侧的首要设备，其工程技术要求也需完全符合应用特点。作为核心动力设备——压缩机用同步电动机，其重要性不言而喻。以下就压缩机用同步电动机的特点和技术应对措施做简要的阐述。
首先是压缩空气储能压缩侧电动机的布置特点。一般来说压缩侧采用双列对称布置、多级压缩，也有采用单列布置、多级压缩或单级压缩等，由于技术路线的不同，机组布置也是多种多样，这里不再累述。压缩机组典型布置如下图示意（四级压缩）：
图1 压缩空气储能压缩机组布置示意图
总体来说，在相同容量的储能项目上，列数和压缩级数越少，则电动机台份就越少，但单机功率就会越大，反之，列数和压缩级数越多，则电动机台份就越多，但单机功率就会越小。就电动机选型来说，根据电机特性，一般遵循20MW以下选用异步电动机、20MW以上选用同步电动机的原则。
鉴于压缩空气储能的应用场景特点，对于压缩空气储能中的压缩机用同步电动机也相对于常规电动机提出了更高的要求，如超高效率、频繁启停、高可靠性、免维护、长寿命等要求，我厂根据以上要求也做出了相对合适的技术应对措施，并在世界首台套300MW级空气储能项目——湖北应城300MW压缩空气储能项目上得到了应用和验证。
2.1、超高的效率要求：“电-电”转换效率要求高的第一个环节就是电动机的效率，电动机的耗电量直接决定了压缩侧电能的利用率；因此对电动机的效率提出了很高的要求。以湖北应城项目52MW电动机来说，要求的电动机效率高达98.6%，该效率值远高于常规电机要求。众所周知，电动机运行存在铁损耗、铜损耗、风磨损耗、轴承损耗、附加损耗等固有损耗，只有降低损耗，才能提升效率，保证系统的要求值。
应对措施：
1.优化电磁设计，细化电磁仿真，降低附加损耗；
2.扩大非导磁材料的应用，降低涡流损耗；
3.优化风路、风扇设计，降低风磨损耗；
4.优化转子和轴承设计，降低轴承损耗；
5.采用高性能硅钢片，降低铁心损耗；
2.2、频繁启停要求：压缩空气储能每天循环一次，每天至少启、停各一次；频繁起停对于电动机来说带来很多的难点和课题：
2.2.1、同步电动机的启动通常采取变频启动方式，即使用变频器启动，变频器无论电压源型和电流源型都存在谐波（关于变频器供电的固有特性由于本篇专题是电动机，所以不予累述），谐波会对电机绝缘产生冲击，引起绝缘老化、寿命缩短等问题，在频繁起停的工况下，该问题会更加凸显；
应对措施：根据配套变频器的“峰-峰”电压值和du/dt等参数进行电机绝缘体系的针对性设计，沿用核级电机绝缘系统，采用绝缘层复合材料调整和增加谐波屏蔽层的方法，并同时分析电机散热问题，综合考虑全新开发了空气储能专用“屏蔽型减薄绝缘系统”，解决谐波冲击，并提升散热效率、确保绝缘可靠性和长寿命；
2.2.2、频繁起停带来的电动机转子机械性能问题，频繁启停带来转轴经受频繁的交变应力，容易引起材料疲劳，带来轴段损坏风险；
应对措施：
1.对转轴进行建模仿真分析，找出应力集中点或强度薄弱点；
2.优化转轴设计，特别是轴伸、法兰、圆角等危险截面部位，适当放大设计裕量；
3.采用优质合金钢材质，满足适用强度；
2.2.3、大容量同步电机均采用滑动轴承，频繁起停带来的转速变化对轴承和辅助设备带来更高的设计要求；
应对措施：
1.采用“一拖一、一用一备”的高压顶轴油系统，即每个轴承均使用两套高压顶轴油系统，两个系统互为备用，并使用压力开关信号连锁，确保两个系统的无缝切换；
2.采用相对优质的轴瓦材料和适合的结构形式，对于高转速的可考虑采用多油页或可倾瓦结构轴承，以提高其运行稳定性；
2.2.4、频繁起停还会带来电动机的频繁冷热变化。频繁冷热交替会带来频繁的热胀冷缩，从而对电动机定子线圈端部、线圈绝缘、定子铁心结构等产生不小的影响。例如，定子线圈端部的热胀冷缩会导致线圈端部绝缘撕裂损坏或线圈端部支撑损毁、定子线圈直线部位由于定子铁心和铜线热膨胀系数不同引起的相对位移导致绝缘损伤等，均会造成电机的严重损坏；
应对措施：
1.定子线圈端部支撑采用真弹性设计；定子线圈端部支撑架采用弹性设计和单独装配、整体以3点支撑形式安装于定子铁心端部，其点状支撑几乎可以完全规避铁心热胀冷缩对线圈端部的影响，而且弹性设计可以使线圈端部的热胀冷缩有“释放”的裕量，保证端部频繁热胀冷缩时自身、绝缘安全可靠；
2.线圈绝缘采取“滑移层”设计；即在铁心和线圈主绝缘之间增加滑移层，滑移层在线圈包覆绝缘层时设置，滑移层可以很好的适应铁心和铜线在热胀冷缩时出现相对位移的情况，完美解决铜线和铁心热膨胀系数不同带来的位移不同从而引起绝缘损坏的风险；
2.2.5、频繁起停带来的频繁热胀冷缩对于电动机转子铜排线也会产生不小的影响。转子铜排焊接部位在频繁热胀冷缩时有损坏的风险。
应对措施：转子铜排焊接部位由直线对接焊改为齿接结构，即铜排焊接处改为锯齿状结构，增加焊接面积，从而提高可靠性。
2.3、高可靠性和免维护要求：长期严苛的工况条件，对电动机的可靠性和维护性提出更高的要求。变频启动时变频器对电动机会产生转矩脉动影响，特别是对转动部件和关键部件，如转子、旋转整流盘等旋转部件的可靠性设计要区别于常规电动机。
应对措施：
1.优化转子设计，选取合适的轴承距和轴承档直径，并建模进行仿真分析，提升转子运行稳定性；
2.根据转矩脉动数据，复算转子轴系扭振分析，根据分析结果进一步优化设计，确保转子稳定性；
3.采用两支撑设计，缩短励磁机端长度，降低励端悬伸重量，取消电机尾端轴承，减少故障点，提高运行可靠性；
4.旋转整流盘采用双路全桥模块化元件、镂空型单盘体结构、全通流通风设计，提高整流元件散热能力，保证整流元件在相对低温运行，降低损坏风险，提高运行可靠性；
5.对整机建模，进行模态分析，进而优化整机结构强度设计，确保固有频率避开运行频率，保证机械性能，提高整机运行稳定性；
6.优化密封结构，严格加工工艺，提升IP防护等级，保证电动机内部清洁，提升可靠性；
2.4、长寿命——压缩空气储能项目投资巨大，实际连续运行时间短，需要以长寿命保证其正常运行和经济效益。
应对措施：
1.控制温升。相对低的温度对绝缘和各部件都会起到很好的延长寿命的作用。
2.绝缘系统“核级”验证。对绝缘系统进行热老化试验，保证绝缘系统满足≮60年寿命期限；
3.喷涂“三防漆”，加强环境适应性。在电机定子线圈、铁心表面喷涂“防潮、防霉、防盐雾”漆，以更好的防止绝缘系统腐蚀。
4.均匀且合适的线圈绝缘间隙。线圈端部绑扎均匀、规整，并采用相对稍大的线圈绝缘间隙，防止局放产生，延长绝缘使用寿命。
□ 结论
本文分析了压缩空气储能应用场景特点，并总结出压缩空气储能机组设备要求超高效率、频繁起停、高可靠性、长寿命等特点。
本文对压缩空气储能压缩机用电动机的特点进行了总结归纳，并对电动机为实现应用场景带来的技术难点提出技术应对措施，解决了压缩空气储能压缩机用电动机设计难题，为项目电动机设计提供了有效参考。
本文技术应对措施经过多台实际运行证明，这些措施是必要的、也是有效的。
参考文献：（范例：如模板第3段中的文献标识如下）
[1] 徐陈成、梁文军. 300MW级压缩空气储能电站压缩机电动机选型研究. 《电气工程与自动化》.
作者简介：
姓 名:赵瑞来（出生年.月－1982.7），性别男，籍贯河南省南阳市人，毕业于河南科技大学机械设计制造及其自动化专业，本科，高级工程师，从事的电机设计专业，E-mail：zhaoruilai@sina.com。 |
