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1、无刷双馈电机及控制技术应用于小水电的 可行性分析 王华君， ( 河北工业大学电工厂) 小水电以其良好的生态效益、综合的社会效益及明显的经济效益不同于其他电源形 式，小水电的发展已成为中国一道亮丽的风景线。全世界小水电装机容量的5 0 在中 国，联合国工发组织下的国际小水电中心设在中国。小水电其电站装机容量较小，一般在 1 00 0 0 k W 以下。小水电及小水电站容量的特殊性决定了其机组特定的技术和经济要求。 由于小水电具有规模小、工期短、施工期对环境影响小i 开发技术成熟、投资风险小、维护 方便、运行费用低等优点，使小水电成为可大规模持续发展的农村能源。 1中国小水电的发展现状及机电设备存
2、在的差距 1 1 装机状况及容量分布 中国小水电资源十分丰富，其技术可开发容量最新统计为1 2 8 亿k W ，居世界第一 位。目前开发达到31 0 0 万k W 。根据中国2 0 世纪9 0 年代的统计，小小型以下水电机组 占总装机组台数将近9 0 。1 9 9 4 年后，随着中国电气化县的建设，小水电装机又有很大 发展。 根据规划，到2 0 2 0 年全国水电装机将达到2 7 亿k W ，而小水电装机应达到0 8 亿 0 9 亿k W 。按照这个发展规划，平均每年要投产约3 5 0 万k W ，每年投入资金约3 0 0 亿 一 兀o 1 2 机电设备存在的主要问题 中国小水电从数量上和综合
3、效益上，都居世界前列。但是从机电设备性能指标、质 量、机组效率、自动化程度上，与国外先进水平还有距离。特别是在低水头、大流量小水电 设备的制造、微小水电的稳定、长期运行技术以及机组自动控制技术等方面与国外的先进 水平相比还有相当大的差距。 1 3 在贯流机组方面的差距 目前，国际上开发低水头( 小于l O m ) 水电站很普遍。发达国家研发、制造并已成功进 人商业供应的低水头机组品种很多。贯流式主要用于超低水头( 小于5 m ) 、大流量，采用 转桨式S 形为多。水轮机导水叶和转轮叶片双重调节，可适应水头变化较大的电站，随时 调节，保持高效率运行。对轴伸贯流式机组，国外普遍采用增速器，以适应低
4、水头、低转速 水轮机与高转速发电机匹配的问题，降低发电机价格。目前我国增速器制造技术还比较 薄弱。 2 8 2 2 小水电机组对调速器的基本要求 。目前，我国绝大多数的小水电站为了提高经济效益和供电质量，都以并网方式运行。 在这种情况下，小型水电站所占系统容量的比例很小，主要用于季节性发电，即“以水定 电”。这种电站运行在基荷，此时自动调速器仅作为手动开停机和手动调负荷用：由于电 站容量小，不具有备用作用，系统对这些小水电机组也无迅速投入的要求，无须自动调速 器发挥作用。由于自动调速器结构复杂，运行维护技术条件较高，难度较大，不少农村水 电站缺乏这方面的专业技术人员。据湖南省涟源市小水电统计，
5、机电设备约占小水电站 投资的4 6 ，而调速器却占了机电设备总投资的2 2 ：该市东风电站的6 台调速器自安 装以来一直未投入自动运行，而5 年中调速器的贷款利息就达1 2 万多元。另据河北省7 个电站1 8 台机组调查，水轮机配备的自动调速器并未发挥自动调速器的作用，仅在开停 机和调节负荷时起了液动和手动操作的作用0 ? |、+， -| 一 3 小水电恒速机组难以实现机组最佳效率运行 表l 是某厂典型小水电机组参数表，从表中可以看出，不同水头压力下，其机组最佳 ” ? 转速是不同的。传统的定转速机组根本不能实现变速恒频运行。 + 表1 A w 二Z 6 3 1 1 6 型水轮机性能与配套表
6、，水轮机 “ 发电机 工作水头流量效率出力最优转速 型号 一 容量转速 参考效率 ( m ) ( m 3 S ) ( )( k W ) ( r m i n )( k W )( r m i n )：( ) 6 50 6 8 98 5 13 7 4 15 1 2 蹬W 3 2 0 一1 2 9 9 03 2 05 0 09 0 5 7 00 7 1 58 4 84 1 6 6，5 3 1S F w 4 0 0 1 2 9 9 04 0 05 0 09 1 O 7 50 7 0 48 4 24 5 8 75 5 0S 郦4 0 0 一1 2 9 9 04 0 0 、5 0 0 。9 1 O 。；8
7、0 0 7 6 5 8 4 6 5 0 7 7；5 6 8 S 聊眄0 0 一l O 9 9 0 5 0 0 6 0 09 1 5 8 5L0 7 8 88 5 05 5 8 75 8 5 “S 研巧0 0 1 0 9 9 05 0 06 0 09 1 5 。9 00 8 1 18 5 26 1 0 2。6 0 2 ，S F w 5 0 0 一1 0 9 9 05 0 06 0 09 1 5 9 50 8 3 38 5 O 6 6 0 16 1 9 “ s 】V 6 3 0 1 0 1 1 8 06 3 06 0 09 3 7 1 0 00 8 5 58 4 77 1 0 46 3 5 。S
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10、 2 8 3 4 无刷双馈电机特点及控制技术 无刷双馈电机自2 0 世纪9 0 年代，作为一种新型易于调速运行的电机，从理论研究到 实际应用受到各国电气传动界的重视。除电力拖动外，在风力、水力发电领域，实现机组 变速恒频运行有明显的优势。 4 1 无刷双馈电机的基本结构及运行原理 。 无刷双馈电机其定子设有两套不同极数的绕组或者套特殊出线的不同极数绕组， 其中二个作为( 对于发电机) 发电绕组，一个作为励磁绕组。其转子结构为特殊笼型绕组 或与定子同极的两套绕组。该电机在转子的耦合之下，使定子两绕组产生相互电磁作用。 无刷双馈电机理论同步转速如下， 。 t o 。， 肚错 式中：P P 为发电绕
11、组极对数；P c 为励磁绕组极对数；矗为发电绕组输出频率( 5 0 H z ) ；尼 为励磁绕组频率( 可调节) ；“”中正号表示定子两绕组磁场旋转方向相同，负号表示定子 两绕组磁场旋转方向相反。 由此可以看出，在两绕组磁场匹配适当的情况下，只要通过改变励磁绕组的频率，就 可以按上述规律改变发电机转速，实现发电机的变速恒频运行。 i ”在某种特殊情况下，无刷双馈电机可看成两个不同极数普通电机的特殊组合，因此可 参照传统的电磁理论和设计方法进行设计。由于转子具有耦合两个定子绕组的作用，可 将定子电磁量折算到转子上，便于分析。 一 从转子侧看电机的电势平衡关系：r 。s c E ：c 二S p E
12、 ：P S ；，E , ew y y P m m K m P _ s c E l c 丽W c ：2 忑K c 石2 = 0 ( E 为奂量) 4 2 。无刷双馈发电机控制技术及系统原理 该发电机由于其结构上的特殊性，其励磁电源实际上是一个特殊的变频电源，改变励 磁电源的频率，可以改变发电机的工作转速，改变励磁电源的电压可以调节发电机的功率 因数。考虑到发电机起励、变速恒频运行、停机及事故停机等技术要求，无刷双馈电机作 为发电机运行，必须满足上述要求，配备自动调节机端电压、自动调节功率因数、自动开停 机：逆变灭磁及电阻灭磁等基本环节。 图I 为无刷双馈发电机系统单元示意图。 5 无刷双馈发电机
13、应用于小水电的可行性 ，综上所述，针对目前小水电急需提高改进的现状，应用无刷双馈发电机及其控制技术 是可行的j 7 一 ( 1 ) 中国小水电在7 万多台机组中( 未计近几年数据) ，6 万多台为10 0 0 k W 以下机 组，无论是高水头冲击式机组( 5 0 0 10 0 0 r m i n ) ，还是低水头贯流机组( 1 5 0 3 0 0 r m i n ) ，为了提高机组运行效率都需要变速运行。无刷双馈发电机变速恒频运行方式可 以轻而易举地解决此技术问题。 2 8 4 图1 ( 2 ) 对于国外订货和中国越来越多的低速大流量贯流机组，为了减少增速器的投入成 本和运行当中的效率损失，应
14、用无刷双馈发电机可做到在基本不过多增加发电机体积和 成本的前提下，实现需要的工作转速。如：对于1 5 0 3 0 0 r m i n 的机组，可采用6 极发电 机绕组、2 极励磁绕组的组合方式，两个绕组磁场旋转方向相反接线。根据： 、， 6 0 ( 昴丘) 州一1 百 、 一 N ：鱼Q ! 垂Q 二型 3 十1 当尼范围为3 0 - - 4 0 H z 时，发电机转速范围为1 5 0 - - 3 0 0 r m i n 。1 。 ( 3 ) 根据小水电的运行特点，对于10 0 0 k W 及以下的小小型机组，应用无刷双馈发电 机可完全不用自动调速器，应用调压阀、弹簧蓄能电手动操作器等低成本装
15、置实现自动开 停机。这样可以进一步降低机组投资成本、提高设备运行的可靠性、减少机组运行维护工 作量，便于实行电站电气自动化。 | ( 4 ) 无刷双馈发电机是在定子侧实现励磁控制的；是一种无刷励磁方式，维护工作量 少。 ， 7 ( 5 ) 在小水电中应用无刷双馈发电机及其控制技术，其综合成本会低予现在的常规设 备，而且机组控制设备简化、简洁，为实现“无人值班，少人值守”的自动控制要求打下良好 的基础。 无刷双馈发电机及其控制技术目前正处在样机实验阶段，随着该项技术产业化的进 展，必将极大推进小水电机电设备的技术发展。 参考文献 【1 章玮，潘再年，贺益康无刷双馈电机的原理及其应用前景电器与电气设备，2 0 0 0 ( 7 ) 2 王晓远，陈益广，沈勇环无刷双馈电机控制端电压对功率因数的影响微电机，2 0 0 2 ，3 5 ( 2 ) 3 俞剑锋中小容量贯流式机组机型选择简明判断方法水电站机电技术，2 0 0 3 ( 4 ) 4 朱志德，金鑫，杨志剐小水电及其机电新技术水电站机电技术，2 0 0 3 ( 4 ) 5 栾加林，朱效章中国小水电设备技术的国际差异小水电，2 0 0 4 ( 2 ) 2 8 6
