交流励磁可变速抽水蓄能机组技术及其应用分析

郭海峰

（南方电网调峰调频发电公司，广东 广州 510630）

交流励磁可变速抽水蓄能机组技术及其应用分析

郭海峰

（南方电网调峰调频发电公司，广东 广州 510630）

交流励磁可变速蓄能机组是一种先进的调峰调频电源新技术，介绍了其发展概况、基本原理及结构，阐明了其技术优势，分析了其运行应用情况及发展趋势，并就其技术经济进行了比较，给出了合适的装机容量比例。

交流励磁；可变速；蓄能机组；技术；应用

1 可变速蓄能机组发展概述

抽水蓄能机组采用可变速电机是扩大水泵水轮机运行时水头与杨程范围并获得最佳性能指标的有效途径。可变速机组最初以分档换极（一般分两挡）进行变速尝试，但因变速提高效率所获得的经济效益有限，又不能在水泵工况进行自动频率控制，而在电机结构设计、制造上增加了不小难度，因此其应用受到较大限制，难以推广。

采用交流励磁实现的连续变速驱动是最理想的变速调节方式。近代交流励磁研究始于1935年德国工程师Tuxen提出的双轴励磁思路，其后，国外电力工作者在以交流励磁为基础的同步电机异步化变速运行的理论上不断完善和提升，并在常规水电机组及蓄能机组上进行了卓有成效的开发实践，积累了不少工程经验。随着大功率器件与现代控制技术的发展,转子采用三相交流励磁的大容量蓄能机组连续可变速运行技术得到飞速发展，并逐步投入了商业应用。日本从80年代开始研究三相交流励磁发电技术,并在飞轮蓄能与抽水蓄能电站的应用方面取得了成功。日立与关西电力公司合作,于1987年投运了世界上第一台交流励磁变速发电电动机（22MW）,并在1993年投运了400MW的可变速抽水蓄能电站（转子采用4滑环三相交流励磁），东芝与东京电力公司合作,于1990年投运了80MW的变速发电机组,并研制成功了300MW的变速机组（转子采用6滑环三相交流励磁），高见电站、冲绳发电站与东京电力蛇尾川电站都相继采用了三相交流励磁发电技术。运行表明：变速运行可以提高水轮机的运行效率,增加水泵运行工况下的自动调频能力,并通过有功、无功的快速调节可以提高系统的稳定性。由于交流励磁变速电机的变频设备容量只为主电机容量的1/5左右,且具有一系列优势,因此越来越引起重视，逐渐被业界推崇。

2 交流励磁可变速蓄能机组技术

可变速机组的定子和常规定速机组一样，没有区别。两种机组的主要差别在于转子的结构及励磁系统的构成。可变速机组的转子由硅钢片叠片形成隐极式圆筒形，转子设有线槽，于槽中布置三相交流励磁绕组。励磁系统由交流变频装置代替了常规定速机组的普通可控硅直流整流装置。交流变频器将励磁频率变换成正负几赫兹而形成一个可变频率和方向的交流磁场。由于定子外界磁场频率保持为50Hz不变，当转子磁场相对于转子的转速为N2（N2=60f2/p），此时电机的实际转速Nm=N1-N2,改变转子频率f2可达到变速的目的.可变速机组的原理及与定速机组结构比较示意图分别如图1、图2所示。

图1 可变速蓄能机组理论原理示意图

图2 可变速与定速蓄能机组结构比较示意图

3 交流励磁可变速蓄能机组技术优势

3.1 提供频率自动控制容量

恒速抽水蓄能机组在水泵工况下不能调节输人功率，因此在抽水时不能参与电网频率自动控制。由于水泵输入功率与转速3次方成正比，转速有少量变化，输人功率就会大幅度改变，使抽水蓄能机组具有自动跟踪电网频率变化调整水泵水轮机输人功率的功能，为电力系统提供相应的频率自动控制容量。变速机组水泵工况输人功率变化范围大河内抽水蓄能电站为250MW～410MW，金谷抽水蓄能电站为168MW～289MW，盐原抽水蓄能电站为240MW～330MW，矢木泽抽水蓄能电站为50MW～85MW。上述电站机组转速变化范围约±（7%～8%），其水泵工况输人功率调整范围可达最大输入功率的30%～40%。日本分析统计得出，在总装机容量11000MW的电力系统中投人800MW的变速机组后，系统频率控制在（60±0.1）Hz范围内的概率可从96.8%提高到99.7%，可见，变速机组对提高电网的供电质量很有效。

3.2 适应更宽水头提高运行效率

变速机组通过改变转速能更好地分别适应发电和抽水两种运行工况，使水轮机和水泵的运行效率都有所提高，也可适应更宽的水头（扬程）变幅和功率范围。在发电工况时，与恒速蓄能机组相比，大河内抽水蓄能电站变速机组提高效率34%；矢木泽抽水蓄能电站变速机组在0MW～80MW发电运行范围内，可提高水轮机效率3%～10%。盐原抽水蓄能电站变速机组运行出力范围从50%～100%，扩大到40%～100%，发电功率为额定功率的50%时，效率可提高约3%。

3.3 实现有功功率的高速调节

变速机组通过调整转子交流励磁电流的相位及频率，可实现有功功率的高速（几十ms级）调节。大河内抽水蓄能电站400MW变速机组0.2s内可改变输出功率32MW或输人功率80MW。当电力系统发生扰动时，它会很快吸收有功功率的变化，有利于抑制电力系统有功功率波动。

3.4 提高机组运行稳定性

变速机组通过改变转速能较好地适应不同的运行水头，明显改善水泵水轮机的水力性能，减少振动、空蚀和泥沙磨损，扩大运行范围，提高机组运行稳定性。盐原抽水蓄能电站变速机组振动的振幅比恒速机组减少一半；矢木泽抽水蓄能电站变速机组比恒速机组运行时间多20%～30%，但水泵水轮机的空蚀和易损件的磨损量相同或更少。在合适的转速下运行，变速机组的磨损量可减少50%。

3.5 在水泵工况下可实现自启动

常规抽水蓄能机组常采用定子外接变频器或背靠背启动方式，通常将变频启动作为主启动方式，背靠背作为备用方式。变频启动需一套专用变频器，而背靠背启动方式也需依靠其他机组，且不能启动最后一台机组，而交流励磁变速抽水蓄能机组则能实现自启动。在水泵工况启动前，先通过隔离开关将定子回路短路，为了提高启动转矩，定子回路中串联一个电阻。启动原理类似于感应电动机，只是在这种情况下定子回路是短路的，转子回路相当于感应电动机的定子。由于机组起动时，交流励磁系统的输出频率逐渐变化，故能实现平滑启动。

4 交流励磁可变速蓄能机组应用情况

日本是应用连续可变速交流励磁蓄能机组最早且最多的国家，占目前全世界可变速机组总容量的76.26%，其次是德国，占18.33%。

4.1 可变速机组在日本的应用情况

自20世纪90年代起，日本抽水蓄能电站的主要作用已从调峰填谷转为电网调度管理的工具，为进一步保障电力系统安全稳定运行及提升电能质量，日本全力发展具有优越性能的交流可变速机组。整个90年代，日本建造了7台可变速机组，装机容量达1711.5MVA，至2010年底，日本已在7座电站安装了10台总容量共2746.5MVA的连续可调速交流励磁抽水蓄能机组，其中单机容量最大的是大河内抽水蓄能电站安装的2台395MVA的机组。小丸川抽水蓄能电站安装了2台360MVA，转速576～624r/min的变速机组，是已投运转速最高的该类机组。拟于2017年投运的葛野川抽水蓄能电站3号和4号机组采用475MVA，转速480～520r/min的变速机组，将是世界上容量最大的变速机组。

4.2 可变速机组在其他国家的应用情况

日本之外，可变速机组的应用集中于欧洲，且主要在德国。2004年德国金谷抽水蓄能电站投运的2台331MVA可变速机组，利用变速机组在水泵工况下可调节负荷的性能，使褐煤电厂能在最优工况下运行，使电网总体经济效益最佳。2009年，斯洛文尼亚的AVCE抽水蓄能电站安装了一台195MVA的可变速机组。

4.3 可变速机组的应用发展趋势

由于可调速抽水蓄能系统可减少电力系统频率波动，能够使整个电力系统更经济地运行，在世界发达国家中，抽水蓄能机组已成为电网调度管理的先进工具，因此新建的抽水蓄能机组基本选用连续可变速交流励磁机组。原计划安装1台可变速机组和2台定速机组的日本京极电站，也因此已决定改为全部安装可变速机组。据统计，未来10年全世界将有14台可变速机组投入运行，安装容量达3665MVA，其中日本有6台，容量1985MVA，占比54.16%，欧洲有8台，容量1680MVA，占比45.84%。世界可变速机组已投运容量及未来10年建设容量占比分别见图3、图4所示。

图3 世界已投运可变速机组容量情况

图4 未来10年可变速机组安装容量

5 日本可变速机组运行情况分析

由于世界上可变速机组主要集中在日本，可变速机组的运行情况分析选择了日本的大河内蓄能电站和奥清津第二蓄能电站。

5.1 大河内蓄能电站可变速机组运行情况

大河内抽水蓄能电站装有4台抽水蓄能机组，其中1号和2号机组为恒速机组，3号和4号机组为变速机组。4号机组于1993年12月投人运行，3号机于1995年6月投人运行。1992-1997年，4台机组实际运行时间如图5所示，变速机组与恒速机组发电运行时间相近，甚至略少些，但变速机组抽水运行时间却远远高于恒速机组，在变速机组投人运行前恒速机组年抽水运行时间都低于700h，变速机组投人正常运行后，年抽水运行时间都在1500h左右，增长1倍以上，相应恒速机组几乎不再作抽水运行。由图6也可看出，2台变速机组占电站装机容量的一半，发电量仅占电站总发电量的30%左右，但抽水耗电量却占到整个电站耗电量的80%左右。

图5 大河内蓄能电站运行时间统计图

图6 大河内蓄能电站电量统计图

5.2 奥清津第二蓄能电站可变速机组运行情况

奥清津二期抽水蓄能电站2台300MW机组于1996年投人运行，其中l号机组为恒速机组，2号机组为变速机组。从1996年6月至2009年底，大约14年的运行期内，两种型式机组各种工况下相关数值的占比如图7所示。由该图可见，发电工况时，定速机组的运行占比高出可变速机约30个百分点，而抽水工况时，可变速机组运行占比要高出定速机组约50个百分点。

图7 奥清津第二电站可变速机组与定速机组运行情况统计图

上述2座电站运行实例反映出一个共同的特点：电网调度充分发挥变速机组在水泵工况可进行自动频率控制的优势，尽量增加其在水泵工况运行的时间。据大河内抽水蓄能电站运行实践，变速机组典型的晚间抽水运行模式为转速每小时变动5次左右，相应水泵水轮机入力变化在240MW～400MW之间。

6 技术经济比较分析

6.1 技术应用得与失

抽水蓄能电站采用连续调速机组，可主要由以下几方面获得效益：一是由于机组具有自动调整输入功率的功能，可为电力系统谷荷时提供相应的频率自动控制容量，进而可利用这部分容量优化电力系统谷荷时的调频电源配置，提高电力系统供电质量；二是提高抽水蓄能电站综台效率，减少抽水电量，增加发电量；三是机组运行稳定性相对提高，稳定运行范围扩大，使机组运行更加可靠、灵活；四是由于水泵水轮机空蚀、磨损量降低以及机组振动情况得到改善，机组机械故障率可降低，因而可延长大修周期，检修工作量也相应减少。但采用连续调速机组也同样增加投入：一是机组（包括调速设备）及控制设备投资增加；二是布置设备所需的厂房面积可能增加，从而加大土建投资；三是由于增加了1套电机连续调速设备且其控制技术较复杂，可能使电站电气故障概率增加或设备可用率下降。

6.2 经济合理性分析

鉴于影响电站投资的因素比较复杂，对连续调速机组的造价说法不一。据现有资料，连续调速电机的造价约为同容量恒速电机的1.25～1.70倍，例如：大河内电站装有4台机组，其中2台为350MW的恒速机组，2台为395MW的连续调速机组，连续调速电机价格为恒速电机的1.65倍。该电站工程总投资约8亿美元（约537美元/kW）。与全部采用恒速机组相比，工程总投资提高约5%，连续调速机组的投资回收期约为20年。然而从另一方面看，日本关西电力公司的电力系统在夜晚（谷荷时）频率波动程度一般要增大，因为此时频率自动控制容量较小。大河内电站连续调速机组投入后，电力系统在谷荷时获得了320MW的频率自动控制容量，提高了电网供电质量，同时改善了相应容量的火电调频机组运行状态、减少了运行费用。而这部分频率自动控制容量单位千瓦投资低廉（约125美元/kW），又几乎不增加抽水蓄能电站的运行成本。因而对大河内电站所在的电力系统整体而言，获得的经济效益是显著的。

6.3 装机比例分析

由于变速机组比恒速机组贵得多，其装机比例应当适宜。据日本分析，变速机组容量占电力系统总装机容量的1%-1.5%比较适宜。以奥清津二期电站变速机组投入运行的1996年计算，当年日本变速机组容量为1420MW，占总装机容量233737MW的0.61%。若单以东京电网来统计，变速机组容量为600MW，占总装机容量65230MW的0.92%，已接近1%。截至2010年底，日本可变速蓄能机组容量2746.5MW，占总装机容量259975MW的1.06%，占蓄能机组装机总容量25756MW的10.66%。

7 结论

可变速机组是一种高效的先进调峰调频电源，可为电网安全稳定运行提供更有力的保障,是电网发展到一定阶段后电力系统管理的必要工具。基于对电网安全稳定运行、电能质量以及节能减排等新的更高的要求，可以预见，交流励磁可变速机组将具有较好的应用前景，我国应尽早选择适当的项目进行应用实践，积累必要的工程经验，为规模化应用打下基础。

[1]邱彬如.世界抽水蓄能电站新发展[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2]吕树清.交流励磁变速抽水蓄能机组的应用探讨[J].南昌水专学报，2000，（4）.

[3]赵琨,史毓珍.浅谈连续调速抽水蓄能机组的应用[J].水力发电，2000，（4）.

TV743

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1672-5387（2011）02-0001-04

2011-02-11

郭海峰（1969-），男，硕士，高级工程师，从事调峰调频发电技术管理工作。