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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、频繁起停、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解决方案，为以后压缩空气储能用电动机设计提供参考。
引言
随着国内对电能的需求急剧增长，电能供应不足和电网峰谷差问题凸显。另外，电网对风电、光伏发电等新能源发电接受程度较低、消纳能力有限，造成“弃风弃光”问题突出。储能技术的发展能够有效解决上述问题。目前的储能技术主要分为物理储能和化学储能，物理储能主要包括抽蓄储能和压缩空气储能，化学储能主要包括锂电池、全钒液流电池、钠硫电池、铅炭电池储能等。其中压缩空气储能与抽蓄储能效率接近，而且投资小、建设周期短、清洁环保、无选址问题，是当前国家重点发展的储能技术。
１ 压缩空气储能的应用场景特点
１．１压缩空气储能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储气装置中进行储存，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，实现“电－电”转换，从而起到电能“搬运”“削峰填谷”的效果。该应用场景具有如下特点：
第一，对“电－电”转换效率要求高。系统的“电－电”转换效率的高低将直接影响压缩空气储能电站的收益情况，因此高转化效率，是压缩空气储能的关键技术指标。
第二，调峰运行变换频繁。压缩空气储能机组每天都要起停，甚至可能会一天起、停多次，以满足不断变化的调峰工况。整个寿命周期内，系统设备需要满足２５０００次以上的起停要求。
第三，对机组的可靠性、维护便捷性要求高。
第四，为了实现压缩空气储能电站收益最大化，需要系统中各设备具有较长的使用寿命。
２ 压缩空气储能用同步电动机特点和技术解决方案
鉴于压缩空气储能应用场景特点，相对于常规电动机，压缩空气储能中压缩侧电动机具有如下技术特点：超高效率、频繁起停、高可靠性、免维护、长寿命等。为了满足以上特点，需要对电机进行针对性的优化设计，采取切实可行的技术解决方案。
２．１超高效率：以湖北应城３００ＭＷ压缩空气储能项目为例，为了实现较高的“电－电”转化效率目标，压缩侧５２ＭＷ同步电动机的效率要求高达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。为此，需要从电磁、通风、材料等方面进行优化。
１）优化电磁设计，降低附加损耗；
２）局部采用非导磁材料，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频繁起停要求：压缩空气储能每天循环一次，每天至少起、停各一次，频繁起停对于电动机来说带来很多的课题和挑战，如转动部件的结构强度和低周疲劳，定转子热变换绝缘系统、轴承高压顶升以及局部结构优化等。需要对关键部件、绝缘、结构进行计算分析和优化。
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）对关键结构和部件进行疲劳分析，使其能够满足起停次数要求。
４）采用耐冷热交变的绝缘系统，以满足频繁起停工况的要求。
５）为了满足频繁起停，轴承采用“一拖一、一用一备”的高压顶轴油系统，两个系统互为备用，并使用压力开关信号连锁，确保两个系统无缝切换。
６）为了减小频繁起停冷热交变对定子端部的影响，定子线圈端部支撑采用弹性设计，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。
７）频繁起停对于电动机转子铜排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。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。
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，使得临界转速避开额定转速及调速范围１０％以上，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，减小励端悬伸重量，降低尾端振动敏感度，取消励磁机尾端轴承，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为了压缩空气储能电站的最大化收益，需要系统设备具有较长的使用寿命。为此，电机设计时需要关注以下几点。
１）控制温升。相对低的温度能延长绝缘和各部件的使用寿命。
２）绝缘系统“核级”验证。对绝缘系统进行热老化试验，保证绝缘系统寿命期限大于６０年。
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，以更好地防止绝缘系统腐蚀。
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。
３ 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。
