抽水蓄能电站无级调速机组的特殊功能

周敏， 简优宗

(国电南瑞科技股份有限公司,江苏 南京　211106)



抽水蓄能电站无级调速机组的特殊功能

周敏， 简优宗

(国电南瑞科技股份有限公司,江苏 南京211106)

抽水蓄能电站具有调峰、填谷、事故备用等功能，作为电力系统的重要环节。由于无级调速机组的种种优点而在国外被广泛的应用，在新建抽水蓄能电站中，无级调速机组应用的比例越来越大。其主要形式是交流励磁机组，而国内抽水蓄能电站目前还全部是直流励磁机组。根据交流励磁和抽水蓄能的特点并结合国外实际应用情况对在抽水蓄能电站中采用交流励磁机组应当具备的功能进行整理归纳，为国内抽水蓄能电站中交流励磁机组的推广提供一些参考。

抽水蓄能；交流励磁；双馈；变速机组；无级调速

0　引　言

抽水蓄能电站具有调峰、填谷、事故备用等功能，作为电力系统中的一个重要环节[1]，很多国家和地区都建立一定比例的抽水蓄能电站作为常规电站的补充。

由于无级调速机组可以根据不同的水头选择不同的运行转速，能够显着地改善水泵水轮机的水力性能，减少振动、空蚀和泥沙磨损，提高机组运行的稳定性[2-4]，并可以参与电网的自动频率调节。日本、德国等国家已经在抽水蓄能电站大量地采用无级调速机组[5-7]。而国内的抽水蓄能电站目前还全部是定速机组或者通过改变极对数方式的有极调速机组。

通过对抽水蓄能电站无级调速机组的原理和特殊功能介绍，对国内抽水蓄能电站无级调速机组的推进提供参考。

1　抽水蓄能电站无级调速机组的二种形式

目前国外抽水蓄能电站无级调速机组有二种形式，一种是直流励磁机组，如图1所示。在定子侧通过变流装置连接到电网，变流装置设置旁路开关，在额定转速下运行时旁路开关闭合，变流器被旁路。在非额定转速运行时通过变流器实现定子侧和电网侧的隔离。

图1　直流励磁机组实现无级调速

另一种形式是绕线式异步电机实现的交流励磁机组，如图2所示。定子与电网相连，转子侧三相滑环通过变流器与电网相连。

图2　交流励磁机组接线示意图

第一种形式变流器接在电机定子侧，变流器是整个机组的容量。第二种形式变流器接在电机的转子侧，变流器只是机组容量的一小部分。受制于变流器整体容量水平要求，目前国外大部分都采用交流励磁机组，本文侧重介绍交流励磁机组的原理和功能。

2　抽水蓄能电站交流励磁机组工作原理及特殊功能

2.1交流励磁机组的工作原理

交流励磁机组满足下列关系[8-9]：

n0=n+nr

(1)

式中n0为定子磁场速度，对应于电网频率f0；n为转子机械转速，对应转子机械频率f；nr为转子励磁磁场相对于转子的旋转速度，对应于交流励磁装置提供的转子电流频率fr。即交流励磁机组的定子输出频率f0为转子机械频率f与转子电流频率fr之和。

2.2无级调速机组的特殊功能

抽水蓄能电站的运行工况有发电、抽水、发电调相、抽水调相、背靠背拖动、黑启动、线路充电和旋转备用等。

抽水蓄能无级调速机组应该具有的特殊功能有：在发电或水泵工况下的变转速运行，水泵工况下的AFC(Auto Frequency Control，自动频率控制)功能，水泵模式下规定时间内的平滑自启动，水泵模式下按指令进行功率调节，电制动等。

2.2.1发电模式的变转速运行

变转速运行是为了确保机组在不同的水头下都能保持最高效率。机组制造完成后，不同的水头对应着一个最佳转速。对于同步机组，由于定子输出电压频率与机械转速成正比，所以在水头变化时也只能牺牲效率来保证输出电压频率与电网额定频率一致。

交流励磁机组的定子输出频率f0为转子机械频率f与转子电流频率fr之和。可以通过控制转子电流频率fr的变化来弥补机械频率f的变化，使转子机械转速维持在对应水头的最佳转速下。

另一方面由于交流励磁装置中的电流频率变换回路是由电力电子器件构成的静止装置，时间常数很小，频率变换速度很快。因此可以快速灵活的调节转子输出电流频率以跟踪转子机械频率的变化。

2.2.2水泵模式的变转速运行

水泵状态下，如果转速不变，可以调节导叶开度来控制出水量，虽然抽水量能够有较大幅度的变化，但是由于水泵的功率与转速的三次方成正比，水泵转速不变，水泵消耗的电功率也基本不变。抽水蓄能电站的作用是协调电网中的电功率平衡，并不直接关注抽水量的多少，所以不改变电机转速仅通过控制导叶开度来调节抽水量的方法相当于“按着油门踩刹车”，是不可取的。行之有效的方法是通过调节水泵机械转速来调节水泵功耗，维持电网功率平衡。

从调节效果来看，水泵功耗与转速的三次方成正比，如转速下降为额定转速的90%，则功耗变为额定的(90%)3=72.9%。即转速下降10个百分点，则有功调节了27.1个百分点。因此通过调节电机机械速度调节水泵的功耗是一种简便、快捷、高效的方式。

另外，从抽水蓄能电站的角度考虑，交流励磁机组在抽水工况调节有功功率方面相比直流励磁机组的最大优点是可以做到无级调节。电网频率一定时，直流励磁机组的转速是固定的，因此在抽水过程中水泵的功耗是一定的。直流励磁机组的抽水状态指令只能是“启动”或“停止”。在“启动”过程中水泵功耗为额定功耗，在“停止”状态下水泵功耗为0。从调度角度考虑，直流励磁机组做水泵运行的功耗也只能为额定功耗或者0，不能界于额定功耗和0之间。而交流励磁机组在水泵工况下运行时的功耗则可以通过转速来调节。交流励磁机组机械转速通过转子电流频率的变化可以在最大转差范围内无级调节，因此交流励磁机组水泵工况下的功耗也同样能够根据调度的需要在最大功率调节范围内进行无级调节。

2.2.3AFC功能

AFC功能是在电网频率波动时通过调节机组吸收或者发出的功率来自动调整电网频率。对抽水蓄能可变速机组来说其主要体现在水泵工况下，通过水泵转速的控制快速的调节水泵消耗的功率进而维持电网频率稳定。

根据发电机的基本理论，当发电机发出的有功功率大于实际电网中消耗的有功功率时，电机加速，电网频率增大；当发电机发出的有功功率小于电网中实际消耗的有功功率时，电机减速，电网频率降低。因此通过电网频率的实时观测，向频率变化的相反方向调节有功功率，就可以维持电网频率的恒定。即观测到电网频率增大时减少发电机组发出的有功功率或者增大水泵吸收的有功功率，观测到电网频率减小时增大发电机组发出的有功功率或减小水泵吸收的有功功率。

常规水电机组或者是抽水蓄能直流励磁机组在发电状态时通过导叶来控制发电量，属于机械调节，时间常数大，调节速度慢。而交流励磁机组在水泵工况下只需要转速的小量调节即可快速的改变水泵吸收的有功功率，反应速度快。

另外旋转备用的机组从空载状态达到满载运行只需要几十秒的时间，因此在电网频率大幅降低时也可以通过旋转备用的抽水蓄能机组快速的加载为电网提供有功功率，维持电网频率的稳定。

2.2.4调相功能

调相功能是调节电机工作在进相或出相状态，以改变电机吸收或者发出的无功，进而调节机端的电压。直流励磁电机是通过调节励磁电流的大小实现的，交流励磁电机则是通过矢量控制运算中励磁电流分量的给定实现的。在抽水和发电工况都可以进行调相运行。

2.2.5平滑自启动

大型电机如果由静止状态直接接入工频电网，则会引起磁饱和，冲击电流达到额定电流的数倍乃至数十倍，严重则会烧毁电机[10]。因此一般大型电机必须通过软启动器或者其他类似启动措施。在抽水蓄能电站中水泵工况下的启动一般采用背靠背启动、SFC(Static Frequency Converter，静止变频器)启动等方式。交流励磁机组可以不依赖其他启动装置，通过自身交流励磁系统使机组平滑启动。

其基本原理是将定子短接，通过交流励磁系统给转子施加幅值和频率逐渐增大的电压，使转子在磁场作用下旋转并加速，转速升高到接近同步转速的规定值时封锁脉冲，断开短接开关，调整交流励磁输出电压进行同期控制，待机端电压与电网电压等幅值、同相序、同相位时合定子开关。与常规直流励磁机组相比，交流励磁机组可以省去一套SFC装置。

2.2.6电制动运行

抽水蓄能电站是用来削峰填谷，快速效应电网负载的波动，因此要求机组能够快速的启动和停止，在实际运行中一天内启停多达十数次。直流励磁机组之前多用机械制动，现在多使用先电制动后机械制动的混合制动方式。基本原理是短接定子开关，电枢反应交轴分量体现为制动力矩，以耗能形式阻碍转子旋转[11]。在同步电机制动中热耗和机械磨损是制约停机速度的关键因素。

交流励磁机组由于转子侧是交流励磁，可以通过交流励磁装置实现更高效更快速的停机。其基本方法是在系统解列后，关闭导水机构，机组在转轮水阻力矩、转轮风阻力矩及轴承摩擦力矩的共同作用下，转速迅速下降，当转速下降到一定数值时(主要取决于该转速下短路时的定子电流不超过定子允许值)，合上发电机定子绕组出线端的制动短路开关，然后控制交流励磁系统的电流方向为由发电机转子流向电网，将转子旋转的能量转换为电能回馈到电网中。与同步机组制动方式不同，交流励磁机组制动时机侧变流器工作在整流装置，网侧变流器工作在逆变状态，通过吸收转子能量的方式一方面加快了机组的停机过程，一方面实现了能量回馈，提高了效率。并且与耗能制动的方式相比，回馈制动的方式停机速度更快。

3　结束语

由于无级调速机组的种种优点，国外已经在抽水蓄能电站中大力推广，其主要形式是交流励磁机组。文章根据交流励磁机组和抽水蓄能电站的特点并根据国外应用中的情况提出了在抽水蓄能电站中交流励磁机组应用具备的各种功能及其实现原理，为国内抽水蓄能机组交流励磁机组的推广应用提供参考。

[ 1 ] 郭春平,余振.关于中国抽水蓄能电站经济运行的一些思考[J].水电自动化与大坝检测, 2011,35(3):1-3.

[ 2 ] E KITA, A BANDO, T KUWABARA.400 MW Adjustable speed pumped storage hydraulic power plant[J]. Hitachi Eview,1995,158(44):55-62.

[ 3 ] 陈天城.日本抽水蓄能电站建设中的新技术应用[J].安徽电力,2012,15(5):33-34.

[ 4 ] K AGURO.日本可调速抽水蓄能系统丰富的运行经验和新技术[J].国外大电机,2009,12(2):1-5.

[ 5 ] 郭海峰.交流励磁可变速蓄能机组技术及应用[J].南方电网技术,2011,5(4):97-100.

[ 6 ] 程光华.抽水蓄能电站采用可变速机组的优越性[J].安徽电力,2012,12(2):33-34.

[ 7 ] 倪安华.交流励磁电机的应用和展望[J].上海大中型电机,2012,23(3):2-8.

[ 8 ] 林瑞光,赵荣祥.水轮发电机交流励磁变速运行的控制策略[J].电工技术学报,1995,16(8):1-5.

[ 9 ] 郎永强,徐殿国,HADIANMERI S R,等.交流励磁双馈电机分段并网控制策略[J].中国电机工程学报,2006,12(10):133-138.

[10] 李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].2版.北京:中国电力出版社,2011.

[11] 周新有.电气制动在乌溪江电厂水轮发电机组的应用实践[J].浙江电力,2007,15(2):70-76.

Special Functions of Stepless Variable-speed Units at Pumped-storage Power Stations

ZHOU Min, JIAN You-zong

(State Grid NARI Technology Development Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211106, China)

Pumped-storage power stations with such functions as peak shaving, valley filling and emergency standby, serve as an important link in the electric power system and are extensively applied overseas because of many advantages of stepless variable-speed units, which makes up an increasing proportion among the newly built pumped-storage power stations. They are mostly AC excitation units, while all of domestic pumped storage power stations are using DC excitation units. Based on the characteristics of AC excitation and pumped storage and considering actual application situation in other countries, this paper summarizes the functions which the AC excitation units used at AC power stations should have, thus providing some

for the promotion of AC excitation units at pumped-storage power stations.

pumped-storage; AC excitation; double feed; variable-speed unit; stepless speed regulation

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.01.002

TM612

A

1000-3886(2016)01-0003-03

周敏(1974-)，男，江苏人，工程师，硕士，主要从事电力电子、电力系统方面的技术研发管理工作。闫春乐(1987-)，女，甘肃人，助理工程师，主要从事电气自动化方面的研究工作。简优宗(1986-)，男，河南人，工程师，硕士，主要从事抽水蓄能方面的技术研发工作。

定稿日期: 2015-03-07