300 MW级压缩空气储能电站压缩机电动机选型研究

徐陈成 梁文军

摘要：通过分析300 MW级压缩空气储能电站压缩机电动机的应用需求，研究了大功率电动机制造的限制因素和解决方案，从异步电动机和同步电动机的选择、额定电压的选择、功率因数的选择、同步电动机励磁方式的选择、电动机防护等级的选择等方面分析了压缩机电动机设备的型式选择，提出了适用于300 MW级压缩空气储能电站压缩机电动机的推荐选型方案，为以后工程的压缩机电动机选型提供了参考。

关键词：300 MW级压缩空气储能；压缩机电动机；大功率电动机；同步电动机

中图分类号：TK02    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）03-0006-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.03.002

0    引言

在工业行业中，大型空气压缩机作为关键设备之一，广泛应用于空气分离、冶金、石油化工等领域，而我国近年快速发展的压缩空气储能系统拓展了大型空气压缩机的应用需求。压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage，CAES）是一种新型物理储能技术，具备建设成本低、安全性相对较高、运行过程中不产生环境污染、储能时间长、使用寿命长等技术优势，是我国发展储能的重要方向之一[1-3]。300 MW级压缩空气储能电站的压缩空气系统包含若干台大功率压缩机及压缩机电动机。高转速大功率压缩机电动机是压缩空气系统的核心电气设备，其选型直接影响到空气压缩机系统的性能、可靠性和经济性。结合工程实际需求，本文研究了300 MW级压缩空气储能电站中压缩机电动机的选型原则，包括异步电动机和同步电动机的选择[4]、额定电压的选择、功率因数的选择、同步电动机励磁方式的选择、电动机防护等级的选择等。

1    大功率电动机应用和制造概况

1.1    大功率压缩机电动机应用需求

我国近年来部分300 MW级压缩空气储能电站工程中压缩机电动机的应用情况如下。

某350 MW压缩空气储能发电项目，压缩机组采用双列并联方案，每列由4台压缩机串联组成，每套机组配套8台压缩机电动机，每列压缩机的4段电动机功率为40、32、32、30 MW。

某300 MW压缩空气储能发电项目，压缩机组采用双列并联方案，每列由4台压缩机串联组成，每套机组配套8台压缩机电动机，每列压缩机的4段电动机功率为52、43、43、20 MW。

某300 MW压缩空气储能发电项目，压缩机组采用双列并联方案，每列由3台压缩机串联组成，每套机组配套6台压缩机电动机，每列压缩机的3段电动机功率为78、73、28 MW。

300 MW级压缩空气储能电站均采用2P和4P的压缩机电动机，不会采用6P及以上的电动机。对于一段压缩机，由于压缩机转速一般为3 000 r/min，压缩机与电动机直连，不设置齿轮箱，采用2P电动机。对于除一段以外的压缩机，压缩机转速大于3 000 r/min，需要设置齿轮箱，2P、4P电动机均可采用。对于中间段的压缩机，其功率相对适中，根据电动机及齿轮箱的总成本比较情况，以确定采用2P或4P电动机。对于末段压缩机，由于压缩机转速很高且功率相对较小，4P电动机相对2P电动机造价较低，因此采用4P电动机较多。

一般而言，300 MW级压缩空气储能电站中每套机组需采用6～8台10～80 MW级2P或4P的高转速大功率压缩机电动机。由于压缩机电动机的功率等级远超常规应用场合，需调研我国大功率电动机设计及制造能力能否满足300 MW级压缩空气储能电站的应用需求。

1.2    大功率电动机设计及制造能力

通过调研国内主要大型电机制造厂，得到我国大功率电动机最大设计能力及实际业绩情况如表1所示。

對于10 kV同步电动机，2P电动机为隐极机，其设计能力上限约为150 MW，目前已有工程业绩的最大功率为80 MW。4P同步电动机根据结构型式分为凸极和隐极，隐极结构制造成本高，一般情况下均采用凸极结构，4P凸极电动机设计能力上限约为75 MW，4P隐极电动机设计能力上限约为150 MW，目前已有工程业绩的最大功率为45.6 MW。

对于10 kV异步电动机，由于异步电动机的自身特性限制，2P电动机设计能力上限约为12.5 MW，目前已有工程业绩的最大功率为9 MW。4P电动机设计能力上限约为42 MW，目前已有工程业绩的最大功率为35 MW。

因此，国产大功率电动机的设计及制造能力，完全能够满足300 MW级压缩空气储能电站项目的应用需求。

1.3    大功率电动机制造的限制因素和解决方案

制造超大功率电动机的限制因素主要包括材料的力学性能、定转子槽型及槽配合、电机绕组相带拆分与并联、涡流损耗、内部风路设计等。

对这些制约因素的解决方案主要为以下几点：1）突破材料力学性能：凸极和鼠笼转子直径无法进一步放大，可在现有空间的基础上，提高空间利用率，提高通风冷却的效率，降低电机损耗；隐极转子设计可以突破上述材料性能限制，在高转速大功率方案中应用。2）定转子槽型及槽配合：重新确定定转子槽型及槽配合，应用有限元法进行仿真分析和计算。3）电机绕组相带拆分与并联：突破电机绕组相带拆分与并联的关键技术，应用新型绕组接线方式，实现圈式线圈的应用。4）涡流损耗优化：应用仿真分析手段，对定子端部涡流损耗进行优化设计，减少电机的杂散损耗。5）内部风路设计：对电动机的内部风路进行优化设计，并进行有限元仿真分析计算。

2    大功率压缩机电动机的选型原则

2.1    异步电动机与同步电动机的选择

2.1.1    制造能力

从大功率电动机制造能力的角度分析，压缩机电动机，对于2P电动机，额定功率在10 MW及以下宜采用异步电动机，10 MW以上异步电动机选择困难，应采用同步电动机。对于4P电动机，额定功率在35 MW及以下可采用同步电动机或异步电动机，35 MW以上异步电动机设计制造困难且缺乏应用业绩，应采用同步电动机。另外，考虑到20～35 MW的4P异步电动机制造及应用业绩相对较少，且需要从电网吸收大量无功，对提高并网点的功率因数不利，因此推荐20～35 MW的4P电动机采用同步电动机，10～20 MW可采用同步电动机或异步电动机。

2.1.2    可靠性

无论同步电动机还是异步电动机，均具有高度的可靠性。

就电动机本身的结构而言，异步电动机结构简单，可靠性更高；而同步电动机结构复杂，可靠性略低。

就电网电压波动对电机的影响而言，异步电动机转矩输出受电压波动影响较大，而同步电动机通过励磁调节系统，输出转矩更加稳定。从电压波动影响的角度比较，同步电动机可靠性更高。

2.1.3    运行特性

异步电动机和同步电动机的运行特性比较如表2所示。

可以看出，对于转速稳定性要求高、转矩控制要求高和对无功调节有需求的场合应选用同步电动机，其他场合选择异步电动机即可。工程中应根据空气压缩机的运行特性和储能电站的无功调节需求选择异步电动机或同步电动机。

2.1.4    维护工作量

大型电动机的维护工作包括经常性检查、月度检查和季度检查。异步电动机的维护工作主要内容包括定子绕组和转子绕组的维护和检修，而对于同步电动机还包括交流励磁系统的维护和检修。

与异步电动机相比，同步电动机由于系统较复杂，其维护工作量略大。

2.1.5    造价成本

影响大功率电动机成本的主要因素如下：1）材料成本：异步电动机的结构相对简单，不需要励磁绕组和励磁系统等特殊结构，材料成本较低。2）制造工艺成本：异步电动机的制造工艺相对简单，尤其是转子部分制造工艺简单成熟，制造工艺成本较低。3）励磁系统成本：同步电动机需要额外的励磁系统。4）维护成本：由于异步电动机的结构相对简单，维护成本较低。在功率相同的情况下，异步电动机的造价成本显著低于同步电动机。在不受制造能力限制的情况下，应优先选择造价较低的异步电动机。

2.1.6    小结

压缩机电动机选择同步电动机还是异步电动机，应基于成本造价、性能要求、运行特性和维护工作量等因素进行综合评估，推荐如下选型方案：对于2P电动机，额定功率在10 MW及以下宜采用异步电动机，10 MW以上应采用同步电动机；对于4P电动机，额定功率在10 MW及以下宜采用异步电动机，10～20 MW可采用同步电动机或异步电动机，20 MW及以上宜采用同步电动机。

2.2    电动机额定电压的选择

大功率电动机的常用额定电压主要包括6、10、13.8 kV等，另外还有一些非标的电压等级，如6.9、9.5、10.5、11 kV等。考虑到压缩机电动机的大功率特性和标准化需求，不考虑采用电压等级较低的6 kV及非标的电压等级。

电压升高会引起电动机尺寸和重量的变化。电动机的宽度和高度尺寸会增加，定子硅钢片的尺寸增大、电气间隙的增大会影响到端部尺寸和机座尺寸，而增加的材料体积会导致电动机的重量增加。因此，在选择高电压电动机额定电压时，需要综合考虑电动机的尺寸、重量、性能和成本等因素，以找到最佳的平衡点。

当提高额定电压时，电动机的造价成本也会提高。

功率100 MW以內、电压10～13.8 kV：在这个功率范围内，随着电压的升高，电动机绕组绝缘所需的绝缘材料增加，导致成本略微增加。

功率100 MW以内、电压13.8 kV以上：随着电压的升高，电动机造价成本会显著增加，这是电磁基础的变化、铁芯硅钢片用量增加以及绝缘材料成本增加所导致的。对于15.75 kV及以上电压等级的电动机，电动机的制造成本高昂，经济性差，其工程应用也极其有限，压缩机电动机不考虑采用15.75 kV及以上电压等级。

考虑到13.8 kV为135 MW级同步发电机的电压等级，综合考虑压缩空气系统配套的压缩机变压器、高压站用母线、压缩机电动机断路器、高压变频器、动力电缆等设备的选型，降低压缩机组电气系统的整体造价，且与高压站用电系统电压等级保持一致，推荐压缩机电动机的额定电压采用10 kV。

2.3    同步电动机功率因数的选择

同步电动机的额定功率因数常规设计范围为0.9至1.0之间，一般为0.95。

同步电动机采用较高的功率因数可以提高电力系统的效率，减少电网输电损耗；也可以提高电动机的运行效率。

为提高同步电动机的运行效率，建议选择较高的功率因数。

压缩机同步电动机功率因数，推荐选择0.90～0.95超前，具体根据电网无功需求确定。

2.4    同步电动机励磁方式的选型

同步电动机励磁系统分为有刷励磁和无刷励磁两种，且均有广泛应用。励磁方式的选型应根据电动机的使用条件，例如负载特性、转速范围、电网性质等因素确定。两种励磁方式的对比如表3所示。

有刷励磁和无刷励磁均能满足压缩机同步电动机的运行需求。综合考虑设备造价成本和后期运行维护的便利性，推荐压缩机同步电动机采用无刷励磁方式，也可采用有刷励磁方式。

2.5    电动机防护等级的选型

压縮机电动机通常安装在压缩机主厂房室内，室内环境的含尘量较低，水侵入的可能性很小。

同步电动机运行中轴贯通部位、盖板部位和部件结合部位可能存在间隙。同步电动机的电气系统和润滑油系统等也要求一定的防护等级。

同步电动机的电气系统方面，需要防止固体物质、灰尘和水的侵入，以避免绝缘性能降低和设备损坏，要求的防护等级为不低于IP44级。

同步电动机的润滑油系统方面，轴贯通部位存在微小间隙，难以完全避免灰尘进入。润滑油系统要求的防护等级为不低于IP44级。

因此，推荐压缩机同步电动机的防护等级采用IP44级。对于压缩机异步电动机，也推荐防护等级采用IP44级。

3    结论

本文分析了300 MW级压缩空气储能电站压缩机电动机的应用需求，调研并论证了国产大功率电动机的设计及制造能力可以满足300 MW级压缩空气储能电站项目的应用需求。

本文提出了适用于300 MW级压缩空气储能电站压缩机电动机的推荐选型方案：

1）对于2P电动机，额定功率在10 MW及以下宜采用异步电动机，10 MW以上应采用同步电动机；对于4P电动机，额定功率在10 MW及以下宜采用异步电动机，10～20 MW可采用同步电动机或异步电动机，20 MW及以上宜采用同步电动机。2）额定电压宜采用10 kV。3）采用同步电动机时，额定功率因数宜为0.90～0.95超前，具体根据电网无功需求确定。4）采用同步电动机时，励磁调节系统宜采用无刷励磁方式，也可采用有刷励磁方式。5）外壳防护等级宜采用IP44级。

[参考文献]

[1] 韩越，李睿，孙世超，等.压缩空气储能+的多能耦合技术研究进展[J].能源研究与利用，2022（3）：25-29.

[2] 梅生伟，公茂琼，秦国良，等.基于盐穴储气的先进绝热压缩空气储能技术及应用前景[J].电网技术，2017，41（10）：3392-3399.

[3] 李季，黄恩和，范仁东，等.压缩空气储能技术研究现状与展望[J].汽轮机技术，2021，63（2）：86-89.

[4] 项彬.空分装置中同步与异步电动机的比较[J].中国新技术新产品，2013（2）：133.

收稿日期：2023-10-10

作者简介：徐陈成（1990—），男，江苏盐城人，工程师，从事发电厂电气设计工作。