6.5 MW可變速水輪發(fā)電機組的研究與設計

王福家，呂慧紅，趙一軍，王好軍，王建華，周 偉，王為明

(1.哈電發(fā)電設備國家工程研究中心有限公司，哈爾濱 150040；2.哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，哈爾濱 150066；3.新疆伊犁地方電力有限公司，新疆 伊寧 835100)

6.5 MW可變速水輪發(fā)電機組的研究與設計

王福家1，呂慧紅2，趙一軍1，王好軍3，王建華3，周 偉3，王為明3

(1.哈電發(fā)電設備國家工程研究中心有限公司，哈爾濱 150040；2.哈爾濱東安汽車動力股份有限公司，哈爾濱 150066；3.新疆伊犁地方電力有限公司，新疆 伊寧 835100)

針對常規(guī)直流勵磁水輪發(fā)電機組只能固定運行在額定同步轉(zhuǎn)速下，不能隨功率和水頭的變化而改變機組轉(zhuǎn)速的缺陷，設計了一種采用交流勵磁技術(shù)的可變速水輪發(fā)電機組。發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用三相對稱分布繞線式繞組設計，采用雙饋式變流器為其提供三相交流勵磁電流，綜合自動化系統(tǒng)負責協(xié)調(diào)變流器和調(diào)速器之間的工作。對機組運行的測試結(jié)果表明：該機組可根據(jù)水頭的變化自動調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速，使得水輪機始終工作在最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速附近，有效地提高了機組的運行效率、減輕了機組振動，減少了葉輪的氣蝕和磨損，延長了水輪機的壽命。

可變速；水輪發(fā)電機；交流勵磁；

0 引 言

目前，國內(nèi)水電站所采用的機組基本都是直流勵磁同步發(fā)電機的常規(guī)水輪發(fā)電機組。這種機組只能固定運行在額定轉(zhuǎn)速下，其運行工況只取決于水頭和負荷，不能進行調(diào)整。此外，常規(guī)水輪機都是針對某一水頭來設計，只能在此水頭下達到最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，水輪機只有運行在最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速附近時才具有良好的性能和較高的效率。當水頭發(fā)生變化時，水輪機的單位轉(zhuǎn)速也會隨之變化，從而導致水輪機的效率降低、葉輪氣蝕磨損嚴重、機組振動加劇、運行工況惡化。通常水電站的水頭都有一定的變化范圍，水頭的變化會使水輪機無法持續(xù)運行在最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速附近。因此，為了改善機組運行工況，適合采用交流勵磁的變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)。特別對于我國水力資源豐富，且多泥沙的河流較多，如果在水輪發(fā)電機系統(tǒng)上采用交流勵磁可變速雙饋發(fā)電機，則可在水頭變化時，相應地調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，同時兼顧出力要求并發(fā)出恒頻電能，使汛期與非汛期發(fā)電機組始終運行于水輪機的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速附近，實現(xiàn)發(fā)電機負荷優(yōu)化調(diào)節(jié)，從而減少水輪發(fā)電機組振動、氣蝕和磨損，延長水輪機的壽命，提高系統(tǒng)運行效率以及增加系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度[1]。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

本文所設計的6.5 MW可變速水輪發(fā)電機組是一種新型的水力發(fā)電機組。發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用三相繞線式設計，利用雙饋式變流器為其提供三相交流勵磁電流。

系統(tǒng)組成原理見圖1。交流勵磁發(fā)電機定子通過并網(wǎng)開關(guān)直接連接于電網(wǎng)，這與傳統(tǒng)的常規(guī)直流勵磁水電機組是一致的，不同的是發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用三相對稱分布繞線式繞組。機組經(jīng)勵磁變壓器從電網(wǎng)取電，變壓后輸送到變流器的網(wǎng)側(cè)，變流器經(jīng)過整流和逆變過程為交流勵磁發(fā)電機提供三相交流勵磁電流，綜合自動化系統(tǒng)負責協(xié)調(diào)勵磁變流器和調(diào)速器之間的工作。

圖1 可變速水輪發(fā)電機組系統(tǒng)原理圖Fig.1 System principle diagram of variable speed hydroelectric generating unit

機組取消了常規(guī)直流勵磁機組所用的滅磁機構(gòu)、預防軸電流的單點接地設備、強勵磁機構(gòu)以及并網(wǎng)同期裝置。利用雙饋式變流器控制并網(wǎng)開關(guān)來實現(xiàn)機組同期并網(wǎng)功能。

機組運行時，根據(jù)水頭的變化來調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率，用以彌補水頭變化帶來的發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化，有效地調(diào)節(jié)水輪機始終工作在高效率區(qū)，實現(xiàn)機組亞同步發(fā)電和超同步發(fā)電。機組的總體發(fā)電量要多于相同容量的傳統(tǒng)直流勵磁機組。

通過對勵磁電流的控制可實現(xiàn)對發(fā)電機有功和無功、轉(zhuǎn)速以及功率因數(shù)的調(diào)節(jié)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)機組柔性零沖擊并網(wǎng)，從而保持電網(wǎng)的穩(wěn)定。機組還具有低電壓穿越功能，以防止當電網(wǎng)電壓跌落時，機組頻繁甩負荷。

2 系統(tǒng)各組件的設計選型

交流勵磁水輪發(fā)電機組和常規(guī)直流勵磁水輪發(fā)電機組的根本區(qū)別在于勵磁系統(tǒng)和發(fā)電機的不同，以及相關(guān)配套設施的不同。在交流勵磁水輪發(fā)電機組中取消了常規(guī)直流勵磁機組所用的并網(wǎng)同期裝置、單點接地設備、滅磁機構(gòu)以及強勵磁機構(gòu)，保留并改造了綜合自動化系統(tǒng)和調(diào)速器等相關(guān)設備，以滿足交流勵磁水輪發(fā)電機組的設計要求。

2.1 水輪機設計

常規(guī)直流勵磁水輪發(fā)電機組在水電站中運行時，是在額定轉(zhuǎn)速n工作的。但是，當功率P和水頭H變化時，流量Q、效率η和空化系數(shù)δ隨之會發(fā)生變化。由于：

(1)

水輪機運行方式示意圖見圖2。

圖2 變速機組水輪機工況特性曲線Fig.2 Variable speed hydraulic turbine operating characteristic curve

由圖2可見，在機組整個運行范圍(水頭、功率)內(nèi)，常規(guī)直流勵磁的恒速機組在虛線表示的工況(n11、Q11)范圍內(nèi)運行，而采用交流勵磁的連續(xù)可變速機組則可通過調(diào)整勵磁電流的頻率來調(diào)整機組轉(zhuǎn)速改變n11，使水輪機的運行工況集中在最佳運行線上或其附近。當在額定水頭下機組發(fā)出某給定功率時，常規(guī)直流勵磁恒速機組在A工況點運行，而采用交流勵磁的連續(xù)變速機組則可在B工況點運行，顯然有Q11BηA。采用交流勵磁的可變速機組后，在水輪機運行范圍內(nèi)可提高水輪機工況效率3% ～10%[2]。

根據(jù)水電站現(xiàn)場的水工設施情況以及水頭變化范圍等相關(guān)參數(shù)來選定水輪機額定轉(zhuǎn)速大小及轉(zhuǎn)輪葉型。本設計方案選定的水輪機為軸流定槳水輪機，機組在額定轉(zhuǎn)速n時達到最優(yōu)工況，并根據(jù)水頭的變化，自動調(diào)節(jié)勵磁電流的頻率以保持并網(wǎng)頻率為電網(wǎng)頻率，從而實現(xiàn)機組在不同頻率下運行，即滿足：

水輪機轉(zhuǎn)速在最優(yōu)轉(zhuǎn)速n附近上下浮動。機組轉(zhuǎn)速可以在n±Δn內(nèi)變化，使機組有效地適應水頭變化，機組次同步狀態(tài)運行時，可有效提高水輪機運行效率、減輕機組振動；超同步下運行時(水頭升高時)，可實現(xiàn)發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子同時向電網(wǎng)送電，實現(xiàn)高水頭多發(fā)電的目標。水輪機總裝圖見圖3。

1.轉(zhuǎn)輪;2.真空破壞閥;3.導水機構(gòu);4.主軸密封;5.轉(zhuǎn)輪;6.尾水管進人廊道圖3 水輪機總裝圖Fig.3 Hydraulic turbine assembly diagram

2.2 發(fā)電機設計

發(fā)電機設計借鑒雙饋式風力發(fā)電的設計原理，整機為豎軸懸垂式立式結(jié)構(gòu)，采用全密閉循環(huán)空氣冷卻器通風系統(tǒng)。發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用三相繞線式設計，由轉(zhuǎn)軸、磁軛、磁極及風扇等組成。轉(zhuǎn)子上、下端裝有斗式風扇供排除定、轉(zhuǎn)子所散發(fā)出來的熱量。轉(zhuǎn)子絕緣等級為F級，轉(zhuǎn)子繞組通過電機引接線和固定在軸端的集電環(huán)相連，再通過刷架里的電刷和外部交流勵磁系統(tǒng)(雙饋式變流器)相連接。

發(fā)電機定子由機座、定子鐵芯及定子線圈等組成。定子為整園結(jié)構(gòu)、星形連接方式。定子鐵芯采用低損耗、無時效、優(yōu)質(zhì)的冷軋薄硅鋼片疊壓而成。鐵芯疊壓完畢后嵌入經(jīng)過模壓成型的圈式定子繞組，與機座成為一個整體。

發(fā)電機定子內(nèi)埋設測溫元件，用于測量定子線圈和鐵芯溫度。測溫元件為電阻型，其直流電阻為0 ℃時100 Ω(Pt100)。

發(fā)電機機座由鋼板焊接而成。機座上、下共有4個機座環(huán)板，環(huán)板之間用筋板連接以加強結(jié)構(gòu)剛度和作為定子鐵芯的支靠。機座外壁有4個矩形孔，用來安裝4個空氣冷卻器。

發(fā)電機設有上導軸承、下導軸承和推力軸承。上導軸承和推力軸承位于上機的架油盤內(nèi)，下導軸承位于下機架的油盤內(nèi)。推力軸承能夠承受水輪發(fā)電機組所有轉(zhuǎn)動部分的重量以及水輪機軸向水推力。推力軸瓦為金屬塑料瓦，具有極好的抗壓和耐磨性。

發(fā)電機的上、下機架均由中心體和結(jié)構(gòu)支臂焊接而成，有足夠的強度和剛度。上機架為發(fā)電機的載重機架，安裝在定子機座上法蘭上。上機架主要包含推力瓦、推力軸承、密封蓋、上導軸承、油冷卻器以及冷卻水進水管等部件。下機架主要包括密封蓋、下導軸承、下油盤、油冷卻器等部件。

發(fā)電機外形圖見圖4。

1.上機架 2.散熱器 3.下機架 4.下風罩圖4 發(fā)電機外形圖Fig.4 Generator outside drawing

2.3 變流器設計

采用交流勵磁系統(tǒng)的水電機組在國內(nèi)尚無應用先例，本機組勵磁系統(tǒng)選擇應用在風電領(lǐng)域的雙饋式變流器。變流器的容量參考發(fā)電機的勵磁功率和滑差功率進行選擇，以滿足發(fā)電機的勵磁需求，并防止因發(fā)電機滑差過大導致變流器端電壓過大而損壞變流器[3]。由于變流器的應用場合不同，需要對變流器的控制程序和控制功能做適當?shù)男薷?，以適應水輪發(fā)電機組的整體運行需求。

變流器根據(jù)機組的運行工況對勵磁電流的幅值、頻率、相位和相序加以控制，從而控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速和發(fā)電機勵磁磁場的大小及其相對于轉(zhuǎn)子的位置。通過對勵磁電流的控制，使可變速發(fā)電機具備良好的穩(wěn)定性和變速恒頻發(fā)電能力，以及較強的進相運行能力。

在變流器內(nèi)部要對勵磁電流經(jīng)行解耦，分離有功電流與無功電流，以實現(xiàn)有功功率和無功功率的獨立平穩(wěn)調(diào)節(jié)[4-5]。通過變流器來控制并網(wǎng)開關(guān)實現(xiàn)機組的柔性并網(wǎng)，確保機組并網(wǎng)沖擊電流不大于額定電流的5%。變流器的低電壓穿越功能可確保機組在遇到電網(wǎng)電壓跌落時能滿負荷進行低電壓穿越，從而減少機組甩負荷的頻次。

2.4 調(diào)速器的設計選型

調(diào)速器選擇適用于大中型混流式、軸流式和貫流式水輪發(fā)電機組，具有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和功率調(diào)節(jié)的自復中型微機調(diào)速器。這種調(diào)速器是具有比例、積分、微分 (PID)調(diào)節(jié)規(guī)律的新型數(shù)字式轉(zhuǎn)速及功率調(diào)節(jié)器，采用伺服電機直線位移轉(zhuǎn)換器接受微機調(diào)節(jié)器發(fā)出的電信號并將其轉(zhuǎn)換成機械位移來調(diào)整導葉開度、改變進入水輪機的水流量，從而控制水輪機發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速和出力。

發(fā)電機軸端的齒盤測速器探頭為調(diào)速器提供機組轉(zhuǎn)速信號，由綜合自動化系統(tǒng)向調(diào)速器下達有功功率指令，調(diào)速器控制導葉的開度，變流器控制勵磁電流的大小，實現(xiàn)機組變速運行。

3 機組運行測試

機組加工制造完成并經(jīng)過檢驗合格后，運到現(xiàn)場進行裝配。因交流勵磁水輪發(fā)電機機組在國內(nèi)尚無相關(guān)標準，機組安裝可以參考現(xiàn)有關(guān)于立式水輪發(fā)電機組安裝的相關(guān)標準執(zhí)行。機組安裝后，要確保發(fā)電機定子中心和水機室中心偏差、定子機座水平度、發(fā)電機氣隙均勻度都在合理的公差范圍內(nèi)[6]。

機組總裝配見圖5。

1.水輪發(fā)電機；2.散熱器；3.接力器；4.水輪機轉(zhuǎn)輪；5.水輪機圖5 機組總裝配圖Fig.5 Unit assembly drawing

機組滿足試運行條件后，進行機組運行測試。通過綜合自動化系統(tǒng)的人機界面向調(diào)速器下達有功功率指令、調(diào)速器控制導葉開度、變流器控制勵磁電流頻率和幅值的大小，用多通道示波器對機組各相關(guān)參數(shù)進行錄波。

3.1 機組功率控制測試

機組的轉(zhuǎn)差大小由調(diào)速器控制在±5%以內(nèi)。示波器波形圖中的各通道定義如下：CH1為變流器的直流母線電壓、CH2為發(fā)電機定子電壓互感器(PT)的相電壓或 6 300 V交流母線電壓互感器(PT)的相電壓，CH3為發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流，CH4為機組并網(wǎng)電流。機組負荷從0開始逐漸增加，直至增加到機組滿功率運行，機組運行在額定功率25%、50%、75%、100%的波形圖見圖6～圖9。

圖6 機組運行在額定功率25%時的波形Fig.6 Waveform generator at rated power of 25%

圖7 機組運行在額定功率50%時的波形Fig.7 Waveform generator at rated power of 50%

圖9 機組運行在額定功率100%時的波形Fig.9 Waveform generator at rated power of 100%

3.2 機組分別在亞同步和超同步滿功率運行測試

通過調(diào)節(jié)導葉開度(或者水頭)來測試機組亞同步和超同步運行狀態(tài)(圖10、圖11)。示波器波形圖中的各通道定義同前3.1。

圖10 機組亞同步滿功率運行圖(轉(zhuǎn)差為2%)Fig.10 Unit sub synchronous full power operation diagram (slip for 2%)

圖11 機組超同步滿功率運行圖(轉(zhuǎn)差為-2%)Fig.11 Unit super synchronous full power operation diagram (slip for -2%)

機組亞同步運行時，發(fā)電機轉(zhuǎn)子消耗勵磁功率，發(fā)電機定子側(cè)所發(fā)出的有功功率減去這部分功率即為機組實際所發(fā)出的功率。適當控制機組的導葉開度，可使機組在亞同步運行狀態(tài)下實際所發(fā)出的有功功率達到或超過額定功率。

當水頭變大時，機組超同步運行，發(fā)電機轉(zhuǎn)子不再消耗勵磁功率，而是和定子同時向電網(wǎng)輸送電能，機組實際發(fā)出的有功功率為這兩部分功率之和，它大于機組額定功率，實現(xiàn)機組高水頭超額發(fā)電的目標。

3.3 變流器軟解列過程測試

變流器在啟動自我保護程序以及接受綜合自動化系統(tǒng)下達正常停機或者緊急停機指令時會通過內(nèi)部控制程序來控制機組的并網(wǎng)開關(guān)和轉(zhuǎn)子側(cè)接觸器，實現(xiàn)變流器的軟解列功能(圖12、圖13)。示波器波形圖中的各通道定義同前3.1。

圖12 定子繞組脫網(wǎng)控制Fig. 12 Stator winding off the power grid control

由圖12可見從并網(wǎng)斷路器切出開始，定子電壓互感器(PT)相電壓、并網(wǎng)電流、轉(zhuǎn)子勵磁電流逐漸減小的過程。

圖13 轉(zhuǎn)子繞組脫開變流器控制Fig.13 Rotor winding from the converter control

由圖13可見轉(zhuǎn)子側(cè)的接觸器切出、變流器網(wǎng)側(cè)停機，定子電壓互感器(PT)相電壓和轉(zhuǎn)子電流逐漸減小到0的過程。

4 結(jié) 論

本文所設計的6.5 MW可變速水輪發(fā)電機組為國內(nèi)首臺交流勵磁水輪發(fā)電機組，目前已在新疆伊犁人民電站投入運行。機組將傳統(tǒng)恒速水輪發(fā)電機組采用的直流勵磁設計改為三相交流勵磁設計，采用具有精密控制技術(shù)的雙饋式變流器為其提供三相交流勵磁電流。根據(jù)電站水頭變化大小，機組轉(zhuǎn)動頻率在50±2.5 Hz內(nèi)變化，機組次同步額定狀態(tài)運行時，較相同容量的常規(guī)機組用水少，有效提高了水輪機的運行效率；機組超同步運行(水頭升高)時，發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子同時向電網(wǎng)送電，實現(xiàn)了高水頭多發(fā)電的目標。機組采用交流勵磁技術(shù)實現(xiàn)了水輪發(fā)電機組的可變速運行，更好地適應電站水頭的變化，有效地提高了機組的運行效率、減輕了機組振動，減少了葉輪的氣蝕和磨損，延長了水輪機的壽命。隨著該項技術(shù)的深入研究，交流勵磁水輪發(fā)電機組將廣泛應用在水頭變化較大的水電站，特別是抽水蓄能水電站。

[1]李 輝. 雙饋水輪發(fā)電機系統(tǒng)建模與仿真及其智能控制策略的研究[D]. 重慶:重慶大學, 2004.

[2]趙 琨,史毓珍.淺談連續(xù)調(diào)速抽水蓄能機組的應用[J].水力發(fā)電,2000,(4)：34-37.

[3]NB/T 31041—2012,海上雙饋風力發(fā)電機變流器[S].[4]任永峰.雙饋式風力發(fā)電機組柔性并網(wǎng)運行與控制[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[5]徐德鴻. 現(xiàn)代整流器技術(shù)——有源功率因數(shù)校正技術(shù)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2013.

[6]電力行業(yè)職業(yè)技能鑒定指導中心. 水輪發(fā)電機安裝：第二版[M]. 北京:中國電力出版社, 2013.

Design of 6.5 MW variable speed hydroelectric generating unit

WANG Fu-Jia1,LU Hui-Hong2,ZHAO Yi-Jun1,WANG Hao-Jun3,WANG Jian-Hua3,ZHOU Wei3,WANG Wei-Ming3

(1. National Engineering Research Center Co. Ltd of Harbin Electrical Equipment Group,Harbin 150040，China；2. Harbin Dongan Engine Co. Ltd, Harbin 150066，China；3. Xinjiang Yili Power Company Limited, Xinjiang Uygur Autonomous Region, Yining 835100, China)

Conventional DC excitation hydro generator unit have fixed operation at rated synchronous speed and it cannot change speed with the power and the water head, a kind of AC excitation technique of variable speed hydro generator unit was designed. The rotor of the generator is used in winding three-phase symmetric winding type, and double fed converter provides three-phase AC excitation current for it, the comprehensive automation system is responsible for coordination between the converter and the governor of the work. The test results of the operation of the hydro generator unit showed that: the unit can automatically adjust speed according to the change of water head, make the water turbine is always working in the vicinity of the optimal unit speed, effectively improve the efficiency, reduce the vibration, reduce the impeller cavitation and abrasion, prolong the life of hydraulic turbine.

variable speed；water turbine generator；AC excitation

10.13524/j.2095-008x.2014.01.017

2013-12-03;

2014-01-10

黑龍江省科技廳攻關(guān)項目(GB05A304);新疆水利廳科技項目(TG0611)

王福家(1977-)，男，黑龍江哈爾濱人，工程師，研究方向：自動化控制技術(shù)、電力電子、風力發(fā)電技術(shù)、水力發(fā)電技術(shù)，E-mail:wangfujia2005@sina.com。

TM312

A

2095-008X(2014)01-0078-06