轴流泵反向发电技术在江都三站的运用

张 宇

(江苏江都管理处第三抽水机站管理所，225200，扬州)

江都第三抽水站（简称江都三站）为国内首座抽水、发电两用的可逆式泵站，可逆式机组除抽水抗旱、排涝外，在淮河来水较丰、有余水下泄时，可反转发电，在抽、排水时，电机作为同步电机使用，转向为顺时针，电机取用电网的有功电能转变为抽水的机械能，同时向电网输出一部分无功电能；在发电时，利用电机作同步发电机运行，转向为逆时针，电机将轴上传来的机械能变为电能，同时向电网输出少部分无功电能。江都三站自1969年建成30多年来，单机运行时间约9.5万h，共抽水288.5亿m3，发电4 742万kWh，为苏北地区抗御自然灾害，发展工农业生产和改善人民生活作出了巨大贡献。2009年完成加固改造工程后，全站安装ZLQ13.5-8液压全调节立式轴流泵10台套，配1 600/450 kW、28 P型立式可逆电机，主泵直径2m，扬程8m，总流量135m3/s。

一、江都三站反向发电运行方式的选择

1.运行方式种类及特点

大中型轴流泵站由于叶轮直径大，一般要求运行转速较低。而低转速交流异步电动机的功率因数较低，因此,目前多采用同步电动机作为主电机。 同步电动机的特点是：其运行转速恒定不变，除非改变其电源频率f或电机的磁极对数p。因此，轴流泵站反向发电运行时，其运行方式一般有：同转速运行、变极降速运行、变频运行3种方式。

2.同转速运行方式

这种运行方式的最大优点是主机不需要增加任何投资，辅机设备增加也很少，因此这种运行方式最为经济，但是，同转速反向发电运行时的高效区一般出现在水头高于水泵工况时的扬程。而实际泵站的运行情况是：反向发电运行时的水头往往比抽水运行时的额定扬程要小，因此，同转速运行方式对于一般水泵站来说，其运行效率偏低，不能有效利用水资源。

3.变极降速运行方式

变极降速运行方式就是采用改变电机定、转子绕组的接法，使电机磁极对数增加一倍，从而使机组运行转速降低一半。采用变极运行时电机需做成变极电机，发电运行时极对数由原来的p对增加为2p对，这样电机的造价将要增加许多。

4.变频运行方式

变频运行方式就是采用变频电源或变频机组以降低发电运行时的转速.因此，变频运行方式可根据不同运行条件，随时调整机组的运行转速，从而使机组永远处在最佳工况下运行。目前，在工况变化不大，特别是叶片角度可调的大中型泵站中还没有应用。

5.江都三站反向发电运行方式的选择

泵站利用上游余水反向发电时应该从水泵在发电时需水量多少、输出功率大小、投资金额等情况综合考虑，选择合理的运行方式，若选择不恰当，将造成很大的经济损失。江都三站采用堤后式厂房，进水流道为近似平面蜗壳流道，出水流道为虹吸式，出水流道为真空破坏阀断流，发电时抽真空，使站出水池的水翻越虹吸管驼峰，上下游水流沟通，形成虹吸倒放水，冲转水泵叶轮（类似水轮发电机），待电机转速接近50%额定转速时合上高压断路器,并网方式为自同期并网。

（1）改造前

江都三站在泄水时，利用电机作同步发电机运行，转向为逆时针反转，4 m落差的水位冲击水泵叶轮旋转，使电机轴上传来的机械能切割定子磁场变为电能，向电网输送有功电能，同时向电网输出无功。 同步电动机定子绕组和转子绕组中间有抽头，以实现变极调速，在发电运行前将定子的接线实施改接：作发电机时，转速是125 r/min，接线方式为单路星形，磁极数为48极，作电动机时，转速为250 r/min，接线方式为双路星形，磁极数为24极。此种发电采用变极可逆电机方案，增加电机制造复杂性和电机体积，降低电机效率约2%。

（2）此次改造

针对江都三站情况，泵站在水轮机工况电机不变极运行时，年平均发电量只略小于电机变极和变频两种运行方式，但所需投资大大减少。因此江都三站在选择反向发电运行方式时应首先考虑采用电机不变极、水泵叶片安放角尽可能小的运行方式，既经济又简单可行。上海电气集团上海电机厂有限公司根据已有成功经验，确定两种配置模式作设计方案，并对其进行对比分析择优使用。两种模式的方案如下：

方案1，按江都三站原机组模式：两种工况变换为同频率倍极变速方案，其抽水工况1 600 kW 28 P 50 Hz 6 kV cosφ0.9（越前），发电工况 400 kW 56 P 25 Hz 6.3 kV cosφ0.8（滞后）。

方案2，按新反转发电模式，两种工况变换为同极数变频变速方案，其抽水工况1 600 kW 28 P 50 Hz 6 kV cosφ0.9（越前），发电工况 450 kW 28 P 25 Hz 3 kV cos φ0.8（滞后）。 该方案由于发电为3kV25Hz，不能直接并入电网,为此需通过一套专用变频机组将3kV 25Hz的电变换为6.3kV 50 Hz，然后向电网送电。

综合各方面因素,两种方案比较,方案2较理想，采用变频发电技术，使江都三站电机效率得以提高,同时有利于长期抽水运行，也可减小电机体积和重量，节约投资。

江都三站反向发电采用变频机组半速发电方式，先启动变频发电机，通过变频发电机与变频电动机间的机械联接从而带动变频电动机旋转，在Ⅲ段母线上建立3 kV电压，启动同步电动机，当输出电流大于用电电流时向外输出电能，Ⅰ段和Ⅱ段母线电气设备工作在6 kV、50 Hz工况，Ⅲ段母线抽水时工作在6 kV、50 Hz工况，在发电时工作在3kV、25Hz工况。

二、励磁装置用于发电运行

WKLF-102B型微机控制同步电动机励磁装置能适应某些特定现场对同步电动机组的变工况使用要求。如发电运行，通常发电运行的功率小于电动运行工况，因而励磁容量也小于电动运行工况。励磁装置无需作硬件上的调整。并网方式为自同期并网，原配置的滑差投励环节也依然适用。

满足发电运行工况通常要求改变原机组的旋转方向，高压侧的相序也随之改变；对于WKLF-102B励磁装置则必须在调节器的配置参数上作出相应调整。发电运行时有功功率方向将发生改变，由于发电工况运行时输出的有功功率通常比较低，功率因数自动调节方式的稳定性及对电网波动的适用能力都有可能变得很差，因此，在发电运行时不建议使用电动工况的恒功率因数自动调节方式。

电动工况运行时，变频发电机及变频电动机不投入运行，10台1 600 kW主电机运行电动抽水工况，独立起停；励磁装置的开机及工作流程为常规方式。10台1600kW主电机在电动抽水工况运行时，电机的机端电压为6 kV，频率为50 Hz，在发电工况运行时，电机的机端电压为3 kV，频率为25 Hz。励磁装置配置在发电开机及运行时选择25Hz工作模式，外环调节采用恒无功功率（无功功率设定值设置为0，即cos φ=1）闭环调节，内环采用恒励磁电流调节；在电动抽水运行时选择50 Hz工作模式，外环调节采用恒功率因数闭环调节，内环采用恒励磁电流调节。

处于发电运行工况时，电机运行于25 Hz（或其他特定频率）孤立系统的机组中，发电机作为调压机组（唯一），运行于恒机端电压调节方式，负责稳定孤立系统母线的电压水平；其余机组运行于恒无功功率调节方式。在孤立系统除同步电机外无其他用电负荷时，由于没有固定消耗无功功率的设备，系统中某台机组发出的无功只能由其他同步电机消耗而导致这些机组进相运行，严重时可能导致稳定性变差；在这种运行模式下，要让所有机组都运行于cosφ=1即Q=0的工况，运行于恒无功功率调节方式的机组将无功功率给定值设定为0，运行于机端电压调节方式的机组则由于系统无人消耗或产生无功而自然也运行在Q=0的工况。4300kW25Hz变频电动机在刚开机时运行在发电工况，正常时运行在电动工况，电机的机端电压为3 kV，频率为25 Hz。励磁装置配置为25 Hz工作模式，外环调节采用恒机端电压闭环调节，内环采用恒励磁电流调节，此方式可使3 kV、25 Hz局部电网在开机建压及正常运行时电压稳定。

三、保护装置用于发电运行

由于同一个电机运行于电动和发电两种状态下，它们保护的值就不一样，但如设两套相互独立的装置成本过高，江都三站短路电流计算依据江都站变电所短路电流计算成果，其保护整定值供江都三站保护装置调试时使用，具体各种保护整定值最终以现场试运行的情况进行调整。江都三站主机有抽水和发电两种工况，保护设有两套整定值，通过压板进行切换。江都三站进线保护整定值设一套，抽水和发电两种工况相同。

主机正向抽水与反向发电是两个完全不同的运行状态，正向抽水时设电流速断保护、过负荷保护、低电压保护、单相接地保护、主机超速等保护，反向发电在此基础上增加了过电压保护、超频保护。

在发电状态下，主电机运行在3 kV额定电压下，超过1.5倍额定电压下作用于跳闸。因为f=np/60（f为频率，n为转速，p为极对数），因为电机的极对数一定，即转速与频率成正比，频率高，这就显示转速高，设定当f大于1.2额定频率时，保护作用于跳闸。

[1]汤正军.江都水利枢纽志 [M].南京：河海大学出版社，2004.