張 宇

(江蘇江都管理處第三抽水機站管理所，225200，揚州)

江都第三抽水站（簡稱江都三站）為國內(nèi)首座抽水、發(fā)電兩用的可逆式泵站，可逆式機組除抽水抗旱、排澇外，在淮河來水較豐、有余水下泄時，可反轉(zhuǎn)發(fā)電，在抽、排水時，電機作為同步電機使用，轉(zhuǎn)向為順時針，電機取用電網(wǎng)的有功電能轉(zhuǎn)變?yōu)槌樗臋C械能，同時向電網(wǎng)輸出一部分無功電能；在發(fā)電時，利用電機作同步發(fā)電機運行，轉(zhuǎn)向為逆時針，電機將軸上傳來的機械能變?yōu)殡娔?，同時向電網(wǎng)輸出少部分無功電能。江都三站自1969年建成30多年來，單機運行時間約9.5萬h，共抽水288.5億m3，發(fā)電4 742萬kWh，為蘇北地區(qū)抗御自然災(zāi)害，發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和改善人民生活作出了巨大貢獻。2009年完成加固改造工程后，全站安裝ZLQ13.5-8液壓全調(diào)節(jié)立式軸流泵10臺套，配1 600/450 kW、28 P型立式可逆電機，主泵直徑2m，揚程8m，總流量135m3/s。

一、江都三站反向發(fā)電運行方式的選擇

1.運行方式種類及特點

大中型軸流泵站由于葉輪直徑大，一般要求運行轉(zhuǎn)速較低。而低轉(zhuǎn)速交流異步電動機的功率因數(shù)較低，因此,目前多采用同步電動機作為主電機。 同步電動機的特點是：其運行轉(zhuǎn)速恒定不變，除非改變其電源頻率f或電機的磁極對數(shù)p。因此，軸流泵站反向發(fā)電運行時，其運行方式一般有：同轉(zhuǎn)速運行、變極降速運行、變頻運行3種方式。

2.同轉(zhuǎn)速運行方式

這種運行方式的最大優(yōu)點是主機不需要增加任何投資，輔機設(shè)備增加也很少，因此這種運行方式最為經(jīng)濟，但是，同轉(zhuǎn)速反向發(fā)電運行時的高效區(qū)一般出現(xiàn)在水頭高于水泵工況時的揚程。而實際泵站的運行情況是：反向發(fā)電運行時的水頭往往比抽水運行時的額定揚程要小，因此，同轉(zhuǎn)速運行方式對于一般水泵站來說，其運行效率偏低，不能有效利用水資源。

3.變極降速運行方式

變極降速運行方式就是采用改變電機定、轉(zhuǎn)子繞組的接法，使電機磁極對數(shù)增加一倍，從而使機組運行轉(zhuǎn)速降低一半。采用變極運行時電機需做成變極電機，發(fā)電運行時極對數(shù)由原來的p對增加為2p對，這樣電機的造價將要增加許多。

4.變頻運行方式

變頻運行方式就是采用變頻電源或變頻機組以降低發(fā)電運行時的轉(zhuǎn)速.因此，變頻運行方式可根據(jù)不同運行條件，隨時調(diào)整機組的運行轉(zhuǎn)速，從而使機組永遠處在最佳工況下運行。目前，在工況變化不大，特別是葉片角度可調(diào)的大中型泵站中還沒有應(yīng)用。

5.江都三站反向發(fā)電運行方式的選擇

泵站利用上游余水反向發(fā)電時應(yīng)該從水泵在發(fā)電時需水量多少、輸出功率大小、投資金額等情況綜合考慮，選擇合理的運行方式，若選擇不恰當(dāng)，將造成很大的經(jīng)濟損失。江都三站采用堤后式廠房，進水流道為近似平面蝸殼流道，出水流道為虹吸式，出水流道為真空破壞閥斷流，發(fā)電時抽真空，使站出水池的水翻越虹吸管駝峰，上下游水流溝通，形成虹吸倒放水，沖轉(zhuǎn)水泵葉輪（類似水輪發(fā)電機），待電機轉(zhuǎn)速接近50%額定轉(zhuǎn)速時合上高壓斷路器,并網(wǎng)方式為自同期并網(wǎng)。

（1）改造前

江都三站在泄水時，利用電機作同步發(fā)電機運行，轉(zhuǎn)向為逆時針反轉(zhuǎn)，4 m落差的水位沖擊水泵葉輪旋轉(zhuǎn)，使電機軸上傳來的機械能切割定子磁場變?yōu)殡娔?，向電網(wǎng)輸送有功電能，同時向電網(wǎng)輸出無功。 同步電動機定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組中間有抽頭，以實現(xiàn)變極調(diào)速，在發(fā)電運行前將定子的接線實施改接：作發(fā)電機時，轉(zhuǎn)速是125 r/min，接線方式為單路星形，磁極數(shù)為48極，作電動機時，轉(zhuǎn)速為250 r/min，接線方式為雙路星形，磁極數(shù)為24極。此種發(fā)電采用變極可逆電機方案，增加電機制造復(fù)雜性和電機體積，降低電機效率約2%。

（2）此次改造

針對江都三站情況，泵站在水輪機工況電機不變極運行時，年平均發(fā)電量只略小于電機變極和變頻兩種運行方式，但所需投資大大減少。因此江都三站在選擇反向發(fā)電運行方式時應(yīng)首先考慮采用電機不變極、水泵葉片安放角盡可能小的運行方式，既經(jīng)濟又簡單可行。上海電氣集團上海電機廠有限公司根據(jù)已有成功經(jīng)驗，確定兩種配置模式作設(shè)計方案，并對其進行對比分析擇優(yōu)使用。兩種模式的方案如下：

方案1，按江都三站原機組模式：兩種工況變換為同頻率倍極變速方案，其抽水工況1 600 kW 28 P 50 Hz 6 kV cosφ0.9（越前），發(fā)電工況 400 kW 56 P 25 Hz 6.3 kV cosφ0.8（滯后）。

方案2，按新反轉(zhuǎn)發(fā)電模式，兩種工況變換為同極數(shù)變頻變速方案，其抽水工況1 600 kW 28 P 50 Hz 6 kV cosφ0.9（越前），發(fā)電工況 450 kW 28 P 25 Hz 3 kV cos φ0.8（滯后）。 該方案由于發(fā)電為3kV25Hz，不能直接并入電網(wǎng),為此需通過一套專用變頻機組將3kV 25Hz的電變換為6.3kV 50 Hz，然后向電網(wǎng)送電。

綜合各方面因素,兩種方案比較,方案2較理想，采用變頻發(fā)電技術(shù)，使江都三站電機效率得以提高,同時有利于長期抽水運行，也可減小電機體積和重量，節(jié)約投資。

江都三站反向發(fā)電采用變頻機組半速發(fā)電方式，先啟動變頻發(fā)電機，通過變頻發(fā)電機與變頻電動機間的機械聯(lián)接從而帶動變頻電動機旋轉(zhuǎn)，在Ⅲ段母線上建立3 kV電壓，啟動同步電動機，當(dāng)輸出電流大于用電電流時向外輸出電能，Ⅰ段和Ⅱ段母線電氣設(shè)備工作在6 kV、50 Hz工況，Ⅲ段母線抽水時工作在6 kV、50 Hz工況，在發(fā)電時工作在3kV、25Hz工況。

二、勵磁裝置用于發(fā)電運行

WKLF-102B型微機控制同步電動機勵磁裝置能適應(yīng)某些特定現(xiàn)場對同步電動機組的變工況使用要求。如發(fā)電運行，通常發(fā)電運行的功率小于電動運行工況，因而勵磁容量也小于電動運行工況。勵磁裝置無需作硬件上的調(diào)整。并網(wǎng)方式為自同期并網(wǎng)，原配置的滑差投勵環(huán)節(jié)也依然適用。

滿足發(fā)電運行工況通常要求改變原機組的旋轉(zhuǎn)方向，高壓側(cè)的相序也隨之改變；對于WKLF-102B勵磁裝置則必須在調(diào)節(jié)器的配置參數(shù)上作出相應(yīng)調(diào)整。發(fā)電運行時有功功率方向?qū)l(fā)生改變，由于發(fā)電工況運行時輸出的有功功率通常比較低，功率因數(shù)自動調(diào)節(jié)方式的穩(wěn)定性及對電網(wǎng)波動的適用能力都有可能變得很差，因此，在發(fā)電運行時不建議使用電動工況的恒功率因數(shù)自動調(diào)節(jié)方式。

電動工況運行時，變頻發(fā)電機及變頻電動機不投入運行，10臺1 600 kW主電機運行電動抽水工況，獨立起停；勵磁裝置的開機及工作流程為常規(guī)方式。10臺1600kW主電機在電動抽水工況運行時，電機的機端電壓為6 kV，頻率為50 Hz，在發(fā)電工況運行時，電機的機端電壓為3 kV，頻率為25 Hz。勵磁裝置配置在發(fā)電開機及運行時選擇25Hz工作模式，外環(huán)調(diào)節(jié)采用恒無功功率（無功功率設(shè)定值設(shè)置為0，即cos φ=1）閉環(huán)調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)采用恒勵磁電流調(diào)節(jié)；在電動抽水運行時選擇50 Hz工作模式，外環(huán)調(diào)節(jié)采用恒功率因數(shù)閉環(huán)調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)采用恒勵磁電流調(diào)節(jié)。

處于發(fā)電運行工況時，電機運行于25 Hz（或其他特定頻率）孤立系統(tǒng)的機組中，發(fā)電機作為調(diào)壓機組（唯一），運行于恒機端電壓調(diào)節(jié)方式，負(fù)責(zé)穩(wěn)定孤立系統(tǒng)母線的電壓水平；其余機組運行于恒無功功率調(diào)節(jié)方式。在孤立系統(tǒng)除同步電機外無其他用電負(fù)荷時，由于沒有固定消耗無功功率的設(shè)備，系統(tǒng)中某臺機組發(fā)出的無功只能由其他同步電機消耗而導(dǎo)致這些機組進相運行，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致穩(wěn)定性變差；在這種運行模式下，要讓所有機組都運行于cosφ=1即Q=0的工況，運行于恒無功功率調(diào)節(jié)方式的機組將無功功率給定值設(shè)定為0，運行于機端電壓調(diào)節(jié)方式的機組則由于系統(tǒng)無人消耗或產(chǎn)生無功而自然也運行在Q=0的工況。4300kW25Hz變頻電動機在剛開機時運行在發(fā)電工況，正常時運行在電動工況，電機的機端電壓為3 kV，頻率為25 Hz。勵磁裝置配置為25 Hz工作模式，外環(huán)調(diào)節(jié)采用恒機端電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)，內(nèi)環(huán)采用恒勵磁電流調(diào)節(jié)，此方式可使3 kV、25 Hz局部電網(wǎng)在開機建壓及正常運行時電壓穩(wěn)定。

三、保護裝置用于發(fā)電運行

由于同一個電機運行于電動和發(fā)電兩種狀態(tài)下，它們保護的值就不一樣，但如設(shè)兩套相互獨立的裝置成本過高，江都三站短路電流計算依據(jù)江都站變電所短路電流計算成果，其保護整定值供江都三站保護裝置調(diào)試時使用，具體各種保護整定值最終以現(xiàn)場試運行的情況進行調(diào)整。江都三站主機有抽水和發(fā)電兩種工況，保護設(shè)有兩套整定值，通過壓板進行切換。江都三站進線保護整定值設(shè)一套，抽水和發(fā)電兩種工況相同。

主機正向抽水與反向發(fā)電是兩個完全不同的運行狀態(tài)，正向抽水時設(shè)電流速斷保護、過負(fù)荷保護、低電壓保護、單相接地保護、主機超速等保護，反向發(fā)電在此基礎(chǔ)上增加了過電壓保護、超頻保護。

在發(fā)電狀態(tài)下，主電機運行在3 kV額定電壓下，超過1.5倍額定電壓下作用于跳閘。因為f=np/60（f為頻率，n為轉(zhuǎn)速，p為極對數(shù)），因為電機的極對數(shù)一定，即轉(zhuǎn)速與頻率成正比，頻率高，這就顯示轉(zhuǎn)速高，設(shè)定當(dāng)f大于1.2額定頻率時，保護作用于跳閘。

[1]湯正軍.江都水利樞紐志 [M].南京：河海大學(xué)出版社，2004.