淺談變頻交流勵(lì)磁抽水蓄能機(jī)組的意義

喻 冉

（河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧滿(mǎn)族自治縣 068350）

淺談變頻交流勵(lì)磁抽水蓄能機(jī)組的意義

喻 冉

（河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧滿(mǎn)族自治縣 068350）

面對(duì)水頭的變化，傳統(tǒng)機(jī)組運(yùn)用復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)調(diào)節(jié)流量穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，變頻機(jī)組通過(guò)改變勵(lì)磁頻率來(lái)適應(yīng)各種水頭的變化。變頻機(jī)組能夠長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)高效運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)作用更為突出。

變頻機(jī)組；高效運(yùn)行；調(diào)節(jié)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，電網(wǎng)對(duì)抽水蓄能電站靈活性的要求更高，變頻機(jī)組不僅具有更高的靈活性，而且能夠提高水能利用效率。從國(guó)外已投運(yùn)的變速機(jī)組運(yùn)行情況可以看出，變頻機(jī)組對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性起了非常重要的作用。并且同一電站或區(qū)域已投運(yùn)的變頻機(jī)組的調(diào)用率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)機(jī)組，變頻機(jī)組在多方面的優(yōu)越性能、為電網(wǎng)提供的優(yōu)質(zhì)電能和為運(yùn)營(yíng)方創(chuàng)造的效益方面也都遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)機(jī)組。

1 現(xiàn)有傳統(tǒng)機(jī)組

水輪機(jī)發(fā)電的原理是當(dāng)水流通過(guò)水輪機(jī)后，水流的動(dòng)能和勢(shì)能轉(zhuǎn)化為機(jī)組旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)，發(fā)電機(jī)定子處于旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)中，切割磁感線(xiàn)發(fā)出電能。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為：

式中：n——水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速，r/min；

f——發(fā)電機(jī)頻率，Hz；

p——發(fā)電機(jī)磁極對(duì)數(shù)。

由于發(fā)電機(jī)出廠后磁極對(duì)數(shù)p已固定，傳統(tǒng)機(jī)組是由恒定直流勵(lì)磁，發(fā)出50Hz交流電并網(wǎng)。故由式（1）可知，發(fā)電頻率f確定后，轉(zhuǎn)速n恒定，所以機(jī)組必須以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分可描述為繞固定軸旋轉(zhuǎn)的剛體運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：J——機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；

ω——機(jī)組角速度，1/s；

Mt——水輪機(jī)的主動(dòng)力矩，kN·m；

Mg——發(fā)電機(jī)阻力矩，kN·m。

為了維持發(fā)電機(jī)組發(fā)電頻率保持不變，必須維持機(jī)組的轉(zhuǎn)速及角速度為常數(shù)，即由式（2）得出：

式（3）說(shuō)明水輪機(jī)主動(dòng)力矩等于發(fā)電機(jī)阻力矩是維持水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速或頻率恒定的必要條件，故水輪機(jī)主動(dòng)力矩必須跟隨發(fā)電機(jī)阻力矩變化而變化。水輪機(jī)主動(dòng)力矩由水流作用于轉(zhuǎn)輪葉片而產(chǎn)生，水輪機(jī)主動(dòng)力矩可由式（4）表示。

式中：P——機(jī)組出力，kW；

γ——水的容重，kN/m3；

Q——水輪機(jī)的流量，m3/s；

H——水輪機(jī)工作水頭，m；

η——水輪機(jī)的效率。

由式（4）可知，調(diào)節(jié)水輪機(jī)的流量可以改變水輪機(jī)的主動(dòng)力矩，同時(shí)，當(dāng)水頭改變而主動(dòng)力矩不變時(shí)也可由調(diào)節(jié)水輪機(jī)流量達(dá)到。而水輪機(jī)流量可通過(guò)改變導(dǎo)葉開(kāi)度來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是傳統(tǒng)機(jī)組應(yīng)對(duì)水頭或者負(fù)載等變化的方法。

2 變頻交流勵(lì)磁機(jī)組

變頻交流勵(lì)磁機(jī)組的轉(zhuǎn)子由交流變頻裝置進(jìn)行勵(lì)磁，通過(guò)給轉(zhuǎn)子通可變的低頻三相交流電對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁。變頻發(fā)電電動(dòng)機(jī)屬于雙饋異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子側(cè)、定子側(cè)都要與電網(wǎng)進(jìn)行功率交換和能量傳遞。

由于給轉(zhuǎn)子進(jìn)行三相交流勵(lì)磁，故勵(lì)磁電流產(chǎn)生了相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，此時(shí)，定子處于因交流勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的疊加磁場(chǎng)中。

設(shè)某一時(shí)刻轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為n1，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的磁場(chǎng)為B1，轉(zhuǎn)子通以頻率為f2三相交流電進(jìn)行勵(lì)磁，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)B2相對(duì)轉(zhuǎn)子的速度為n2，則定子處于B1、B2的疊加磁場(chǎng)中，則疊加磁場(chǎng)相對(duì)于定子的速度為n1+n2。

由于運(yùn)行工況的變化，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n1改變，這時(shí)通過(guò)改變n2來(lái)保持作用于定子的磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速恒定。n2是由頻率為f2的三相交流電產(chǎn)生的勵(lì)磁，故可以通過(guò)控制交流勵(lì)磁變頻裝置改變頻率f2來(lái)保證定子并網(wǎng)頻率恒定。也就是說(shuō)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，仍然可以運(yùn)行。

假如機(jī)組在設(shè)計(jì)水頭Hp和設(shè)計(jì)流量Qp下轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速np。隨著水頭H的變化，改變轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速并實(shí)現(xiàn)：

則：這說(shuō)明當(dāng)水頭變化時(shí)，可通過(guò)控制轉(zhuǎn)速使機(jī)組的單位轉(zhuǎn)速n11保持恒定。

隨著流量Q的變化，同樣可以改變轉(zhuǎn)速并實(shí)現(xiàn)：

則：這說(shuō)明當(dāng)流量變化時(shí)，可通過(guò)控制轉(zhuǎn)速使機(jī)組的單位流量Q11保持恒定。

由于轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線(xiàn)橫軸為單位流量Q11，縱軸為單位轉(zhuǎn)速n11，故當(dāng)運(yùn)行工況（水頭、流量）變化時(shí)，可以通過(guò)改變機(jī)組轉(zhuǎn)速使其運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況保持非常相近，維持高效運(yùn)行。

3 變頻交流勵(lì)磁機(jī)組的意義

3.1 并網(wǎng)時(shí)間大幅縮短

傳統(tǒng)機(jī)組當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的90%時(shí)才通勵(lì)磁，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速附近啟動(dòng)準(zhǔn)合同期裝置并網(wǎng)，整個(gè)過(guò)程需3min左右。在水泵工況下，啟動(dòng)時(shí)為避免對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊，傳統(tǒng)機(jī)組采用通過(guò)靜止啟動(dòng)變頻器來(lái)拖動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)由電網(wǎng)拖動(dòng)整個(gè)過(guò)程需要8min左右。

而變頻交流勵(lì)磁機(jī)組由于可以發(fā)出B2來(lái)補(bǔ)償機(jī)組的轉(zhuǎn)速，故變頻機(jī)組可以在轉(zhuǎn)速距離額定轉(zhuǎn)速更遠(yuǎn)的時(shí)刻接入電網(wǎng)，而且變頻器可通過(guò)調(diào)整相位、電壓從而實(shí)現(xiàn)更快速并網(wǎng)。在水泵工況下，可利用勵(lì)磁裝置自我啟動(dòng)，不需要傳統(tǒng)的靜止啟動(dòng)變頻器來(lái)拖動(dòng)，轉(zhuǎn)子端加變頻器的勵(lì)磁電流，當(dāng)剛剛啟動(dòng)時(shí)，使電壓和頻率從零開(kāi)始逐漸上升，來(lái)加速發(fā)電電動(dòng)機(jī)。

因而，可以更快地跟蹤負(fù)荷，提高機(jī)組的快速響應(yīng)能力。在非常短的時(shí)間內(nèi)對(duì)有功功率和無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行電壓和頻率控制，起到穩(wěn)定系統(tǒng)、提高電能質(zhì)量的作用。

3.2 水泵水輪機(jī)在電網(wǎng)中更好的調(diào)節(jié)負(fù)荷

水流功率公式：

流量計(jì)算公式：

式中：v——流速；

F——流面面積。

水輪機(jī)基本方程式：

由以上三式得出功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，轉(zhuǎn)速的較小變化就會(huì)引起輸入功率很大的變化，這樣通過(guò)改變轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整輸入或輸出功率，可以對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行連續(xù)地削峰填谷和調(diào)頻調(diào)節(jié)，抽水蓄能機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍大大加強(qiáng)。

同時(shí)，變頻機(jī)組可以適應(yīng)更寬的水頭和揚(yáng)程變化，擴(kuò)大了運(yùn)行范圍，水泵水輪機(jī)需要的最小淹沒(méi)深度減小，從而增加水庫(kù)的調(diào)節(jié)庫(kù)容，提高水能的利用率，增加蓄能電站的連續(xù)利用小時(shí)數(shù)和利用率。

3.3 使水泵水輪機(jī)具有更高的效率

由于傳統(tǒng)機(jī)組只能在額定轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行，而工況在時(shí)刻變化，這就需要調(diào)整導(dǎo)葉開(kāi)度改變流量大小，達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的效果，這個(gè)過(guò)程中水頭損失很大。而變頻交流勵(lì)磁機(jī)組高水頭高轉(zhuǎn)速，低水頭低轉(zhuǎn)速，可以通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速使運(yùn)行工況與額定工況非常接近，在各水頭下均能維持高效運(yùn)行。

在水頭改變時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)組通過(guò)復(fù)雜系統(tǒng)作用于一系列機(jī)械裝置達(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的目標(biāo)，變頻機(jī)組通過(guò)變頻器改變勵(lì)磁頻率的大小來(lái)維持機(jī)組在高效區(qū)運(yùn)行，這樣調(diào)節(jié)的可靠性、速動(dòng)性、靈敏性大大提高。

3.4 優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行工況

由于機(jī)組通過(guò)變速運(yùn)行，可以始終處于最優(yōu)工況下運(yùn)行，其穩(wěn)定性好，有效改善壓力脈動(dòng)和空化性能，氣蝕、振動(dòng)、噪聲大大減輕，延長(zhǎng)了機(jī)組使用壽命，減少維護(hù)費(fèi)用。

4 變頻機(jī)組的技術(shù)難點(diǎn)

從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，國(guó)外水電行業(yè)就開(kāi)始了變頻機(jī)組研究及試驗(yàn)工作，其中日本是應(yīng)用連續(xù)變頻交流勵(lì)磁蓄能機(jī)組最早、最多的國(guó)家，從發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品研發(fā)和電源建設(shè)來(lái)看，變頻蓄能機(jī)組各項(xiàng)技術(shù)已發(fā)展成熟。我國(guó)通過(guò)技術(shù)引進(jìn)和研制，也開(kāi)展過(guò)變頻機(jī)組的生產(chǎn)應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)僅有4座電站應(yīng)用了小容量變頻機(jī)組，由于容量偏小，設(shè)備技術(shù)老化，基本按傳統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行，其在電網(wǎng)中起到的作用也比較有限。

為提高電能質(zhì)量而建設(shè)的大容量、可連續(xù)變速的機(jī)組及其配套的變頻設(shè)備在國(guó)內(nèi)電網(wǎng)中還沒(méi)有引進(jìn)技術(shù)建設(shè)的工程實(shí)例，大型主機(jī)制造廠目前仍處于關(guān)鍵技術(shù)（如隱極發(fā)電電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等）的研發(fā)階段。目前欠缺的還有交流勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)、針對(duì)變頻蓄能機(jī)組的控制技術(shù)等，同時(shí)與變速發(fā)電電動(dòng)機(jī)配套使用的水泵水輪機(jī)技術(shù)及其性能的優(yōu)化也還有待于結(jié)合具體工程進(jìn)行更深入地對(duì)比和研究。此外，關(guān)于變速蓄能機(jī)組的規(guī)劃選點(diǎn)方法和規(guī)范、工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析方法等也缺少相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

變頻機(jī)組的調(diào)速器功能與傳統(tǒng)機(jī)組區(qū)別不大，控制導(dǎo)葉開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，變頻機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)通過(guò)控制勵(lì)磁電壓的大小、頻率和相位來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速，二者都能實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。這就需要設(shè)置調(diào)速調(diào)節(jié)的協(xié)調(diào)控制器，控制器則根據(jù)工況決定最優(yōu)運(yùn)行轉(zhuǎn)速。

傳統(tǒng)機(jī)組的繼保系統(tǒng)已經(jīng)成熟，但變速運(yùn)行時(shí)，由于運(yùn)行系統(tǒng)性能的變化以及變頻器保護(hù)配合的要求，使得發(fā)電機(jī)的一些正常保護(hù)，如失磁保護(hù)、低頻率保護(hù)等不能投入使用，這樣造成機(jī)組的保護(hù)不完善，因此需要研發(fā)與變頻機(jī)組配套的繼保系統(tǒng)。傳統(tǒng)的自動(dòng)控制設(shè)備和測(cè)試儀表皆用于恒定頻率發(fā)電設(shè)備。由于變頻機(jī)組新的運(yùn)行特點(diǎn)，這就要增加新的設(shè)備，來(lái)配合變速運(yùn)行，也使系統(tǒng)更為復(fù)雜?，F(xiàn)需新增對(duì)變頻器的閉環(huán)控制系統(tǒng)，這無(wú)疑增加了費(fèi)用成本。

[1] 鄭源，陳德新.水輪機(jī).北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

[2] 程遠(yuǎn)楚，張江濱.水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié).北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

[3] 閻治安，崔新藝，蘇少平.電機(jī)學(xué)（第二版）.西安：西安交通大學(xué)出版社，2006.

喻 冉（1988—）男，主要從事項(xiàng)目前期管理、水電站機(jī)電設(shè)備選型安裝。

Talking about the Significance of Variable Frequency AC Excitation Pumped Storage Units

YU Ran
（Hebei Fengning Pumped Storage Power Co.Ltd.，F(xiàn)engning 068350，China）

In the face of changes in the head，the traditional use of complex mechanical systems unit to regulate the flow steady speed，frequency unit by changing the excitation frequency to adapt to changes in the various head. Frequency long continuous and efficient operation of the unit can adjust to the more prominent role in the grid.

frequency unit running efficiently adjust