周敏， 簡優(yōu)宗

(國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京　211106)

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抽水蓄能電站無級(jí)調(diào)速機(jī)組的特殊功能

周敏， 簡優(yōu)宗

(國電南瑞科技股份有限公司,江蘇 南京211106)

抽水蓄能電站具有調(diào)峰、填谷、事故備用等功能，作為電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。由于無級(jí)調(diào)速機(jī)組的種種優(yōu)點(diǎn)而在國外被廣泛的應(yīng)用，在新建抽水蓄能電站中，無級(jí)調(diào)速機(jī)組應(yīng)用的比例越來越大。其主要形式是交流勵(lì)磁機(jī)組，而國內(nèi)抽水蓄能電站目前還全部是直流勵(lì)磁機(jī)組。根據(jù)交流勵(lì)磁和抽水蓄能的特點(diǎn)并結(jié)合國外實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)在抽水蓄能電站中采用交流勵(lì)磁機(jī)組應(yīng)當(dāng)具備的功能進(jìn)行整理歸納，為國內(nèi)抽水蓄能電站中交流勵(lì)磁機(jī)組的推廣提供一些參考。

抽水蓄能；交流勵(lì)磁；雙饋；變速機(jī)組；無級(jí)調(diào)速

0　引　言

抽水蓄能電站具有調(diào)峰、填谷、事故備用等功能，作為電力系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1]，很多國家和地區(qū)都建立一定比例的抽水蓄能電站作為常規(guī)電站的補(bǔ)充。

由于無級(jí)調(diào)速機(jī)組可以根據(jù)不同的水頭選擇不同的運(yùn)行轉(zhuǎn)速，能夠顯著地改善水泵水輪機(jī)的水力性能，減少振動(dòng)、空蝕和泥沙磨損，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性[2-4]，并可以參與電網(wǎng)的自動(dòng)頻率調(diào)節(jié)。日本、德國等國家已經(jīng)在抽水蓄能電站大量地采用無級(jí)調(diào)速機(jī)組[5-7]。而國內(nèi)的抽水蓄能電站目前還全部是定速機(jī)組或者通過改變極對(duì)數(shù)方式的有極調(diào)速機(jī)組。

通過對(duì)抽水蓄能電站無級(jí)調(diào)速機(jī)組的原理和特殊功能介紹，對(duì)國內(nèi)抽水蓄能電站無級(jí)調(diào)速機(jī)組的推進(jìn)提供參考。

1　抽水蓄能電站無級(jí)調(diào)速機(jī)組的二種形式

目前國外抽水蓄能電站無級(jí)調(diào)速機(jī)組有二種形式，一種是直流勵(lì)磁機(jī)組，如圖1所示。在定子側(cè)通過變流裝置連接到電網(wǎng)，變流裝置設(shè)置旁路開關(guān)，在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)旁路開關(guān)閉合，變流器被旁路。在非額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)通過變流器實(shí)現(xiàn)定子側(cè)和電網(wǎng)側(cè)的隔離。

圖1　直流勵(lì)磁機(jī)組實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速

另一種形式是繞線式異步電機(jī)實(shí)現(xiàn)的交流勵(lì)磁機(jī)組，如圖2所示。定子與電網(wǎng)相連，轉(zhuǎn)子側(cè)三相滑環(huán)通過變流器與電網(wǎng)相連。

圖2　交流勵(lì)磁機(jī)組接線示意圖

第一種形式變流器接在電機(jī)定子側(cè)，變流器是整個(gè)機(jī)組的容量。第二種形式變流器接在電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)，變流器只是機(jī)組容量的一小部分。受制于變流器整體容量水平要求，目前國外大部分都采用交流勵(lì)磁機(jī)組，本文側(cè)重介紹交流勵(lì)磁機(jī)組的原理和功能。

2　抽水蓄能電站交流勵(lì)磁機(jī)組工作原理及特殊功能

2.1交流勵(lì)磁機(jī)組的工作原理

交流勵(lì)磁機(jī)組滿足下列關(guān)系[8-9]：

n0=n+nr

(1)

式中n0為定子磁場(chǎng)速度，對(duì)應(yīng)于電網(wǎng)頻率f0；n為轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率f；nr為轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度，對(duì)應(yīng)于交流勵(lì)磁裝置提供的轉(zhuǎn)子電流頻率fr。即交流勵(lì)磁機(jī)組的定子輸出頻率f0為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率f與轉(zhuǎn)子電流頻率fr之和。

2.2無級(jí)調(diào)速機(jī)組的特殊功能

抽水蓄能電站的運(yùn)行工況有發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相、背靠背拖動(dòng)、黑啟動(dòng)、線路充電和旋轉(zhuǎn)備用等。

抽水蓄能無級(jí)調(diào)速機(jī)組應(yīng)該具有的特殊功能有：在發(fā)電或水泵工況下的變轉(zhuǎn)速運(yùn)行，水泵工況下的AFC(Auto Frequency Control，自動(dòng)頻率控制)功能，水泵模式下規(guī)定時(shí)間內(nèi)的平滑自啟動(dòng)，水泵模式下按指令進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，電制動(dòng)等。

2.2.1發(fā)電模式的變轉(zhuǎn)速運(yùn)行

變轉(zhuǎn)速運(yùn)行是為了確保機(jī)組在不同的水頭下都能保持最高效率。機(jī)組制造完成后，不同的水頭對(duì)應(yīng)著一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速。對(duì)于同步機(jī)組，由于定子輸出電壓頻率與機(jī)械轉(zhuǎn)速成正比，所以在水頭變化時(shí)也只能犧牲效率來保證輸出電壓頻率與電網(wǎng)額定頻率一致。

交流勵(lì)磁機(jī)組的定子輸出頻率f0為轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率f與轉(zhuǎn)子電流頻率fr之和?？梢酝ㄟ^控制轉(zhuǎn)子電流頻率fr的變化來彌補(bǔ)機(jī)械頻率f的變化，使轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速維持在對(duì)應(yīng)水頭的最佳轉(zhuǎn)速下。

另一方面由于交流勵(lì)磁裝置中的電流頻率變換回路是由電力電子器件構(gòu)成的靜止裝置，時(shí)間常數(shù)很小，頻率變換速度很快。因此可以快速靈活的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子輸出電流頻率以跟蹤轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率的變化。

2.2.2水泵模式的變轉(zhuǎn)速運(yùn)行

水泵狀態(tài)下，如果轉(zhuǎn)速不變，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度來控制出水量，雖然抽水量能夠有較大幅度的變化，但是由于水泵的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，水泵轉(zhuǎn)速不變，水泵消耗的電功率也基本不變。抽水蓄能電站的作用是協(xié)調(diào)電網(wǎng)中的電功率平衡，并不直接關(guān)注抽水量的多少，所以不改變電機(jī)轉(zhuǎn)速僅通過控制導(dǎo)葉開度來調(diào)節(jié)抽水量的方法相當(dāng)于“按著油門踩剎車”，是不可取的。行之有效的方法是通過調(diào)節(jié)水泵機(jī)械轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)水泵功耗，維持電網(wǎng)功率平衡。

從調(diào)節(jié)效果來看，水泵功耗與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，如轉(zhuǎn)速下降為額定轉(zhuǎn)速的90%，則功耗變?yōu)轭~定的(90%)3=72.9%。即轉(zhuǎn)速下降10個(gè)百分點(diǎn)，則有功調(diào)節(jié)了27.1個(gè)百分點(diǎn)。因此通過調(diào)節(jié)電機(jī)機(jī)械速度調(diào)節(jié)水泵的功耗是一種簡便、快捷、高效的方式。

另外，從抽水蓄能電站的角度考慮，交流勵(lì)磁機(jī)組在抽水工況調(diào)節(jié)有功功率方面相比直流勵(lì)磁機(jī)組的最大優(yōu)點(diǎn)是可以做到無級(jí)調(diào)節(jié)。電網(wǎng)頻率一定時(shí)，直流勵(lì)磁機(jī)組的轉(zhuǎn)速是固定的，因此在抽水過程中水泵的功耗是一定的。直流勵(lì)磁機(jī)組的抽水狀態(tài)指令只能是“啟動(dòng)”或“停止”。在“啟動(dòng)”過程中水泵功耗為額定功耗，在“停止”狀態(tài)下水泵功耗為0。從調(diào)度角度考慮，直流勵(lì)磁機(jī)組做水泵運(yùn)行的功耗也只能為額定功耗或者0，不能界于額定功耗和0之間。而交流勵(lì)磁機(jī)組在水泵工況下運(yùn)行時(shí)的功耗則可以通過轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。交流勵(lì)磁機(jī)組機(jī)械轉(zhuǎn)速通過轉(zhuǎn)子電流頻率的變化可以在最大轉(zhuǎn)差范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)，因此交流勵(lì)磁機(jī)組水泵工況下的功耗也同樣能夠根據(jù)調(diào)度的需要在最大功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。

2.2.3AFC功能

AFC功能是在電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)通過調(diào)節(jié)機(jī)組吸收或者發(fā)出的功率來自動(dòng)調(diào)整電網(wǎng)頻率。對(duì)抽水蓄能可變速機(jī)組來說其主要體現(xiàn)在水泵工況下，通過水泵轉(zhuǎn)速的控制快速的調(diào)節(jié)水泵消耗的功率進(jìn)而維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定。

根據(jù)發(fā)電機(jī)的基本理論，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率大于實(shí)際電網(wǎng)中消耗的有功功率時(shí)，電機(jī)加速，電網(wǎng)頻率增大；當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率小于電網(wǎng)中實(shí)際消耗的有功功率時(shí)，電機(jī)減速，電網(wǎng)頻率降低。因此通過電網(wǎng)頻率的實(shí)時(shí)觀測(cè)，向頻率變化的相反方向調(diào)節(jié)有功功率，就可以維持電網(wǎng)頻率的恒定。即觀測(cè)到電網(wǎng)頻率增大時(shí)減少發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功功率或者增大水泵吸收的有功功率，觀測(cè)到電網(wǎng)頻率減小時(shí)增大發(fā)電機(jī)組發(fā)出的有功功率或減小水泵吸收的有功功率。

常規(guī)水電機(jī)組或者是抽水蓄能直流勵(lì)磁機(jī)組在發(fā)電狀態(tài)時(shí)通過導(dǎo)葉來控制發(fā)電量，屬于機(jī)械調(diào)節(jié)，時(shí)間常數(shù)大，調(diào)節(jié)速度慢。而交流勵(lì)磁機(jī)組在水泵工況下只需要轉(zhuǎn)速的小量調(diào)節(jié)即可快速的改變水泵吸收的有功功率，反應(yīng)速度快。

另外旋轉(zhuǎn)備用的機(jī)組從空載狀態(tài)達(dá)到滿載運(yùn)行只需要幾十秒的時(shí)間，因此在電網(wǎng)頻率大幅降低時(shí)也可以通過旋轉(zhuǎn)備用的抽水蓄能機(jī)組快速的加載為電網(wǎng)提供有功功率，維持電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定。

2.2.4調(diào)相功能

調(diào)相功能是調(diào)節(jié)電機(jī)工作在進(jìn)相或出相狀態(tài)，以改變電機(jī)吸收或者發(fā)出的無功，進(jìn)而調(diào)節(jié)機(jī)端的電壓。直流勵(lì)磁電機(jī)是通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小實(shí)現(xiàn)的，交流勵(lì)磁電機(jī)則是通過矢量控制運(yùn)算中勵(lì)磁電流分量的給定實(shí)現(xiàn)的。在抽水和發(fā)電工況都可以進(jìn)行調(diào)相運(yùn)行。

2.2.5平滑自啟動(dòng)

大型電機(jī)如果由靜止?fàn)顟B(tài)直接接入工頻電網(wǎng)，則會(huì)引起磁飽和，沖擊電流達(dá)到額定電流的數(shù)倍乃至數(shù)十倍，嚴(yán)重則會(huì)燒毀電機(jī)[10]。因此一般大型電機(jī)必須通過軟啟動(dòng)器或者其他類似啟動(dòng)措施。在抽水蓄能電站中水泵工況下的啟動(dòng)一般采用背靠背啟動(dòng)、SFC(Static Frequency Converter，靜止變頻器)啟動(dòng)等方式。交流勵(lì)磁機(jī)組可以不依賴其他啟動(dòng)裝置，通過自身交流勵(lì)磁系統(tǒng)使機(jī)組平滑啟動(dòng)。

其基本原理是將定子短接，通過交流勵(lì)磁系統(tǒng)給轉(zhuǎn)子施加幅值和頻率逐漸增大的電壓，使轉(zhuǎn)子在磁場(chǎng)作用下旋轉(zhuǎn)并加速，轉(zhuǎn)速升高到接近同步轉(zhuǎn)速的規(guī)定值時(shí)封鎖脈沖，斷開短接開關(guān)，調(diào)整交流勵(lì)磁輸出電壓進(jìn)行同期控制，待機(jī)端電壓與電網(wǎng)電壓等幅值、同相序、同相位時(shí)合定子開關(guān)。與常規(guī)直流勵(lì)磁機(jī)組相比，交流勵(lì)磁機(jī)組可以省去一套SFC裝置。

2.2.6電制動(dòng)運(yùn)行

抽水蓄能電站是用來削峰填谷，快速效應(yīng)電網(wǎng)負(fù)載的波動(dòng)，因此要求機(jī)組能夠快速的啟動(dòng)和停止，在實(shí)際運(yùn)行中一天內(nèi)啟停多達(dá)十?dāng)?shù)次。直流勵(lì)磁機(jī)組之前多用機(jī)械制動(dòng)，現(xiàn)在多使用先電制動(dòng)后機(jī)械制動(dòng)的混合制動(dòng)方式?；驹硎嵌探佣ㄗ娱_關(guān)，電樞反應(yīng)交軸分量體現(xiàn)為制動(dòng)力矩，以耗能形式阻礙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)[11]。在同步電機(jī)制動(dòng)中熱耗和機(jī)械磨損是制約停機(jī)速度的關(guān)鍵因素。

交流勵(lì)磁機(jī)組由于轉(zhuǎn)子側(cè)是交流勵(lì)磁，可以通過交流勵(lì)磁裝置實(shí)現(xiàn)更高效更快速的停機(jī)。其基本方法是在系統(tǒng)解列后，關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，機(jī)組在轉(zhuǎn)輪水阻力矩、轉(zhuǎn)輪風(fēng)阻力矩及軸承摩擦力矩的共同作用下，轉(zhuǎn)速迅速下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到一定數(shù)值時(shí)(主要取決于該轉(zhuǎn)速下短路時(shí)的定子電流不超過定子允許值)，合上發(fā)電機(jī)定子繞組出線端的制動(dòng)短路開關(guān)，然后控制交流勵(lì)磁系統(tǒng)的電流方向?yàn)橛砂l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子流向電網(wǎng)，將轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的能量轉(zhuǎn)換為電能回饋到電網(wǎng)中。與同步機(jī)組制動(dòng)方式不同，交流勵(lì)磁機(jī)組制動(dòng)時(shí)機(jī)側(cè)變流器工作在整流裝置，網(wǎng)側(cè)變流器工作在逆變狀態(tài)，通過吸收轉(zhuǎn)子能量的方式一方面加快了機(jī)組的停機(jī)過程，一方面實(shí)現(xiàn)了能量回饋，提高了效率。并且與耗能制動(dòng)的方式相比，回饋制動(dòng)的方式停機(jī)速度更快。

3　結(jié)束語

由于無級(jí)調(diào)速機(jī)組的種種優(yōu)點(diǎn)，國外已經(jīng)在抽水蓄能電站中大力推廣，其主要形式是交流勵(lì)磁機(jī)組。文章根據(jù)交流勵(lì)磁機(jī)組和抽水蓄能電站的特點(diǎn)并根據(jù)國外應(yīng)用中的情況提出了在抽水蓄能電站中交流勵(lì)磁機(jī)組應(yīng)用具備的各種功能及其實(shí)現(xiàn)原理，為國內(nèi)抽水蓄能機(jī)組交流勵(lì)磁機(jī)組的推廣應(yīng)用提供參考。

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Special Functions of Stepless Variable-speed Units at Pumped-storage Power Stations

ZHOU Min, JIAN You-zong

(State Grid NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211106, China)

Pumped-storage power stations with such functions as peak shaving, valley filling and emergency standby, serve as an important link in the electric power system and are extensively applied overseas because of many advantages of stepless variable-speed units, which makes up an increasing proportion among the newly built pumped-storage power stations. They are mostly AC excitation units, while all of domestic pumped storage power stations are using DC excitation units. Based on the characteristics of AC excitation and pumped storage and considering actual application situation in other countries, this paper summarizes the functions which the AC excitation units used at AC power stations should have, thus providing some

for the promotion of AC excitation units at pumped-storage power stations.

pumped-storage; AC excitation; double feed; variable-speed unit; stepless speed regulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.002

TM612

A

1000-3886(2016)01-0003-03

周敏(1974-)，男，江蘇人，工程師，碩士，主要從事電力電子、電力系統(tǒng)方面的技術(shù)研發(fā)管理工作。閆春樂(1987-)，女，甘肅人，助理工程師，主要從事電氣自動(dòng)化方面的研究工作。簡優(yōu)宗(1986-)，男，河南人，工程師，碩士，主要從事抽水蓄能方面的技術(shù)研發(fā)工作。

定稿日期: 2015-03-07