6.5 MW可变速水轮发电机组的研究与设计

王福家，吕慧红，赵一军，王好军，王建华，周 伟，王为明

(1.哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，哈尔滨 150040；2.哈尔滨东安汽车动力股份有限公司，哈尔滨 150066；3.新疆伊犁地方电力有限公司，新疆 伊宁 835100)

6.5 MW可变速水轮发电机组的研究与设计

王福家1，吕慧红2，赵一军1，王好军3，王建华3，周 伟3，王为明3

(1.哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，哈尔滨 150040；2.哈尔滨东安汽车动力股份有限公司，哈尔滨 150066；3.新疆伊犁地方电力有限公司，新疆 伊宁 835100)

针对常规直流励磁水轮发电机组只能固定运行在额定同步转速下，不能随功率和水头的变化而改变机组转速的缺陷，设计了一种采用交流励磁技术的可变速水轮发电机组。发电机转子采用三相对称分布绕线式绕组设计，采用双馈式变流器为其提供三相交流励磁电流，综合自动化系统负责协调变流器和调速器之间的工作。对机组运行的测试结果表明：该机组可根据水头的变化自动调节机组转速，使得水轮机始终工作在最优单位转速附近，有效地提高了机组的运行效率、减轻了机组振动，减少了叶轮的气蚀和磨损，延长了水轮机的寿命。

可变速；水轮发电机；交流励磁；

0 引 言

目前，国内水电站所采用的机组基本都是直流励磁同步发电机的常规水轮发电机组。这种机组只能固定运行在额定转速下，其运行工况只取决于水头和负荷，不能进行调整。此外，常规水轮机都是针对某一水头来设计，只能在此水头下达到最优单位转速，水轮机只有运行在最优单位转速附近时才具有良好的性能和较高的效率。当水头发生变化时，水轮机的单位转速也会随之变化，从而导致水轮机的效率降低、叶轮气蚀磨损严重、机组振动加剧、运行工况恶化。通常水电站的水头都有一定的变化范围，水头的变化会使水轮机无法持续运行在最优单位转速附近。因此，为了改善机组运行工况，适合采用交流励磁的变速恒频发电机系统。特别对于我国水力资源丰富，且多泥沙的河流较多，如果在水轮发电机系统上采用交流励磁可变速双馈发电机，则可在水头变化时，相应地调节发电机转速，同时兼顾出力要求并发出恒频电能，使汛期与非汛期发电机组始终运行于水轮机的最优单位转速附近，实现发电机负荷优化调节，从而减少水轮发电机组振动、气蚀和磨损，延长水轮机的寿命，提高系统运行效率以及增加系统的稳定裕度[1]。

1 系统组成及工作原理

本文所设计的6.5 MW可变速水轮发电机组是一种新型的水力发电机组。发电机转子采用三相绕线式设计，利用双馈式变流器为其提供三相交流励磁电流。

系统组成原理见图1。交流励磁发电机定子通过并网开关直接连接于电网，这与传统的常规直流励磁水电机组是一致的，不同的是发电机转子采用三相对称分布绕线式绕组。机组经励磁变压器从电网取电，变压后输送到变流器的网侧，变流器经过整流和逆变过程为交流励磁发电机提供三相交流励磁电流，综合自动化系统负责协调励磁变流器和调速器之间的工作。

图1 可变速水轮发电机组系统原理图Fig.1 System principle diagram of variable speed hydroelectric generating unit

机组取消了常规直流励磁机组所用的灭磁机构、预防轴电流的单点接地设备、强励磁机构以及并网同期装置。利用双馈式变流器控制并网开关来实现机组同期并网功能。

机组运行时，根据水头的变化来调节励磁电流的频率，用以弥补水头变化带来的发电机转速的变化，有效地调节水轮机始终工作在高效率区，实现机组亚同步发电和超同步发电。机组的总体发电量要多于相同容量的传统直流励磁机组。

通过对励磁电流的控制可实现对发电机有功和无功、转速以及功率因数的调节，并且能够实现机组柔性零冲击并网，从而保持电网的稳定。机组还具有低电压穿越功能，以防止当电网电压跌落时，机组频繁甩负荷。

2 系统各组件的设计选型

交流励磁水轮发电机组和常规直流励磁水轮发电机组的根本区别在于励磁系统和发电机的不同，以及相关配套设施的不同。在交流励磁水轮发电机组中取消了常规直流励磁机组所用的并网同期装置、单点接地设备、灭磁机构以及强励磁机构，保留并改造了综合自动化系统和调速器等相关设备，以满足交流励磁水轮发电机组的设计要求。

2.1 水轮机设计

常规直流励磁水轮发电机组在水电站中运行时，是在额定转速n工作的。但是，当功率P和水头H变化时，流量Q、效率η和空化系数δ随之会发生变化。由于：

(1)

水轮机运行方式示意图见图2。

图2 变速机组水轮机工况特性曲线Fig.2 Variable speed hydraulic turbine operating characteristic curve

由图2可见，在机组整个运行范围(水头、功率)内，常规直流励磁的恒速机组在虚线表示的工况(n11、Q11)范围内运行，而采用交流励磁的连续可变速机组则可通过调整励磁电流的频率来调整机组转速改变n11，使水轮机的运行工况集中在最佳运行线上或其附近。当在额定水头下机组发出某给定功率时，常规直流励磁恒速机组在A工况点运行，而采用交流励磁的连续变速机组则可在B工况点运行，显然有Q11BηA。采用交流励磁的可变速机组后，在水轮机运行范围内可提高水轮机工况效率3% ～10%[2]。

根据水电站现场的水工设施情况以及水头变化范围等相关参数来选定水轮机额定转速大小及转轮叶型。本设计方案选定的水轮机为轴流定桨水轮机，机组在额定转速n时达到最优工况，并根据水头的变化，自动调节励磁电流的频率以保持并网频率为电网频率，从而实现机组在不同频率下运行，即满足：

水轮机转速在最优转速n附近上下浮动。机组转速可以在n±Δn内变化，使机组有效地适应水头变化，机组次同步状态运行时，可有效提高水轮机运行效率、减轻机组振动；超同步下运行时(水头升高时)，可实现发电机定子、转子同时向电网送电，实现高水头多发电的目标。水轮机总装图见图3。

1.转轮;2.真空破坏阀;3.导水机构;4.主轴密封;5.转轮;6.尾水管进人廊道图3 水轮机总装图Fig.3 Hydraulic turbine assembly diagram

2.2 发电机设计

发电机设计借鉴双馈式风力发电的设计原理，整机为竖轴悬垂式立式结构，采用全密闭循环空气冷却器通风系统。发电机转子采用三相绕线式设计，由转轴、磁轭、磁极及风扇等组成。转子上、下端装有斗式风扇供排除定、转子所散发出来的热量。转子绝缘等级为F级，转子绕组通过电机引接线和固定在轴端的集电环相连，再通过刷架里的电刷和外部交流励磁系统(双馈式变流器)相连接。

发电机定子由机座、定子铁芯及定子线圈等组成。定子为整园结构、星形连接方式。定子铁芯采用低损耗、无时效、优质的冷轧薄硅钢片叠压而成。铁芯叠压完毕后嵌入经过模压成型的圈式定子绕组，与机座成为一个整体。

发电机定子内埋设测温元件，用于测量定子线圈和铁芯温度。测温元件为电阻型，其直流电阻为0 ℃时100 Ω(Pt100)。

发电机机座由钢板焊接而成。机座上、下共有4个机座环板，环板之间用筋板连接以加强结构刚度和作为定子铁芯的支靠。机座外壁有4个矩形孔，用来安装4个空气冷却器。

发电机设有上导轴承、下导轴承和推力轴承。上导轴承和推力轴承位于上机的架油盘内，下导轴承位于下机架的油盘内。推力轴承能够承受水轮发电机组所有转动部分的重量以及水轮机轴向水推力。推力轴瓦为金属塑料瓦，具有极好的抗压和耐磨性。

发电机的上、下机架均由中心体和结构支臂焊接而成，有足够的强度和刚度。上机架为发电机的载重机架，安装在定子机座上法兰上。上机架主要包含推力瓦、推力轴承、密封盖、上导轴承、油冷却器以及冷却水进水管等部件。下机架主要包括密封盖、下导轴承、下油盘、油冷却器等部件。

发电机外形图见图4。

1.上机架 2.散热器 3.下机架 4.下风罩图4 发电机外形图Fig.4 Generator outside drawing

2.3 变流器设计

采用交流励磁系统的水电机组在国内尚无应用先例，本机组励磁系统选择应用在风电领域的双馈式变流器。变流器的容量参考发电机的励磁功率和滑差功率进行选择，以满足发电机的励磁需求，并防止因发电机滑差过大导致变流器端电压过大而损坏变流器[3]。由于变流器的应用场合不同，需要对变流器的控制程序和控制功能做适当的修改，以适应水轮发电机组的整体运行需求。

变流器根据机组的运行工况对励磁电流的幅值、频率、相位和相序加以控制，从而控制发电机转速和发电机励磁磁场的大小及其相对于转子的位置。通过对励磁电流的控制，使可变速发电机具备良好的稳定性和变速恒频发电能力，以及较强的进相运行能力。

在变流器内部要对励磁电流经行解耦，分离有功电流与无功电流，以实现有功功率和无功功率的独立平稳调节[4-5]。通过变流器来控制并网开关实现机组的柔性并网，确保机组并网冲击电流不大于额定电流的5%。变流器的低电压穿越功能可确保机组在遇到电网电压跌落时能满负荷进行低电压穿越，从而减少机组甩负荷的频次。

2.4 调速器的设计选型

调速器选择适用于大中型混流式、轴流式和贯流式水轮发电机组，具有转速调节和功率调节的自复中型微机调速器。这种调速器是具有比例、积分、微分 (PID)调节规律的新型数字式转速及功率调节器，采用伺服电机直线位移转换器接受微机调节器发出的电信号并将其转换成机械位移来调整导叶开度、改变进入水轮机的水流量，从而控制水轮机发电机组的转速和出力。

发电机轴端的齿盘测速器探头为调速器提供机组转速信号，由综合自动化系统向调速器下达有功功率指令，调速器控制导叶的开度，变流器控制励磁电流的大小，实现机组变速运行。

3 机组运行测试

机组加工制造完成并经过检验合格后，运到现场进行装配。因交流励磁水轮发电机机组在国内尚无相关标准，机组安装可以参考现有关于立式水轮发电机组安装的相关标准执行。机组安装后，要确保发电机定子中心和水机室中心偏差、定子机座水平度、发电机气隙均匀度都在合理的公差范围内[6]。

机组总装配见图5。

1.水轮发电机；2.散热器；3.接力器；4.水轮机转轮；5.水轮机图5 机组总装配图Fig.5 Unit assembly drawing

机组满足试运行条件后，进行机组运行测试。通过综合自动化系统的人机界面向调速器下达有功功率指令、调速器控制导叶开度、变流器控制励磁电流频率和幅值的大小，用多通道示波器对机组各相关参数进行录波。

3.1 机组功率控制测试

机组的转差大小由调速器控制在±5%以内。示波器波形图中的各通道定义如下：CH1为变流器的直流母线电压、CH2为发电机定子电压互感器(PT)的相电压或 6 300 V交流母线电压互感器(PT)的相电压，CH3为发电机转子电流，CH4为机组并网电流。机组负荷从0开始逐渐增加，直至增加到机组满功率运行，机组运行在额定功率25%、50%、75%、100%的波形图见图6～图9。

图6 机组运行在额定功率25%时的波形Fig.6 Waveform generator at rated power of 25%

图7 机组运行在额定功率50%时的波形Fig.7 Waveform generator at rated power of 50%

图9 机组运行在额定功率100%时的波形Fig.9 Waveform generator at rated power of 100%

3.2 机组分别在亚同步和超同步满功率运行测试

通过调节导叶开度(或者水头)来测试机组亚同步和超同步运行状态(图10、图11)。示波器波形图中的各通道定义同前3.1。

图10 机组亚同步满功率运行图(转差为2%)Fig.10 Unit sub synchronous full power operation diagram (slip for 2%)

图11 机组超同步满功率运行图(转差为-2%)Fig.11 Unit super synchronous full power operation diagram (slip for -2%)

机组亚同步运行时，发电机转子消耗励磁功率，发电机定子侧所发出的有功功率减去这部分功率即为机组实际所发出的功率。适当控制机组的导叶开度，可使机组在亚同步运行状态下实际所发出的有功功率达到或超过额定功率。

当水头变大时，机组超同步运行，发电机转子不再消耗励磁功率，而是和定子同时向电网输送电能，机组实际发出的有功功率为这两部分功率之和，它大于机组额定功率，实现机组高水头超额发电的目标。

3.3 变流器软解列过程测试

变流器在启动自我保护程序以及接受综合自动化系统下达正常停机或者紧急停机指令时会通过内部控制程序来控制机组的并网开关和转子侧接触器，实现变流器的软解列功能(图12、图13)。示波器波形图中的各通道定义同前3.1。

图12 定子绕组脱网控制Fig. 12 Stator winding off the power grid control

由图12可见从并网断路器切出开始，定子电压互感器(PT)相电压、并网电流、转子励磁电流逐渐减小的过程。

图13 转子绕组脱开变流器控制Fig.13 Rotor winding from the converter control

由图13可见转子侧的接触器切出、变流器网侧停机，定子电压互感器(PT)相电压和转子电流逐渐减小到0的过程。

4 结 论

本文所设计的6.5 MW可变速水轮发电机组为国内首台交流励磁水轮发电机组，目前已在新疆伊犁人民电站投入运行。机组将传统恒速水轮发电机组采用的直流励磁设计改为三相交流励磁设计，采用具有精密控制技术的双馈式变流器为其提供三相交流励磁电流。根据电站水头变化大小，机组转动频率在50±2.5 Hz内变化，机组次同步额定状态运行时，较相同容量的常规机组用水少，有效提高了水轮机的运行效率；机组超同步运行(水头升高)时，发电机定子、转子同时向电网送电，实现了高水头多发电的目标。机组采用交流励磁技术实现了水轮发电机组的可变速运行，更好地适应电站水头的变化，有效地提高了机组的运行效率、减轻了机组振动，减少了叶轮的气蚀和磨损，延长了水轮机的寿命。随着该项技术的深入研究，交流励磁水轮发电机组将广泛应用在水头变化较大的水电站，特别是抽水蓄能水电站。

[1]李 辉. 双馈水轮发电机系统建模与仿真及其智能控制策略的研究[D]. 重庆:重庆大学, 2004.

[2]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)：34-37.

[3]NB/T 31041—2012,海上双馈风力发电机变流器[S].[4]任永峰.双馈式风力发电机组柔性并网运行与控制[M].北京：机械工业出版社，2011.

[5]徐德鸿. 现代整流器技术——有源功率因数校正技术[M]. 北京:机械工业出版社, 2013.

[6]电力行业职业技能鉴定指导中心. 水轮发电机安装：第二版[M]. 北京:中国电力出版社, 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

黑龙江省科技厅攻关项目(GB05A304);新疆水利厅科技项目(TG0611)

王福家(1977-)，男，黑龙江哈尔滨人，工程师，研究方向：自动化控制技术、电力电子、风力发电技术、水力发电技术，E-mail:wangfujia2005@sina.com。

TM312

A

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