交流励磁可变速蓄能机组技术及应用

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1、2011 年 第 5 卷 第 4 期 南 方 电 网 技 术 研究与分析 2011，Vol. 5，No. 4 SOUTHERN POWER SYSTEM TECHNOLOGY Study adjustable-speed; pumped storage unit; technology; application 抽水蓄能机组采用可变转速电机是扩大水泵水轮机运行时水头与杨程之比的范围并获得最佳性能指标的有效途径。连续变速驱动是最理想的变速调节方式。1935 年德国工程师 Tuxen 首次提出了采用交流励磁的思路。1962 年土耳其的 Hamdi-Sepen在国际大电网会议上发表了提高交流输电系统

2、的暂态功率极限的方法 一文， 揭开了近代交流励磁研究的序幕。其后，欧美俄等国在常规水电机组及抽水蓄能机组上进行了不断的开发尝试，积累了不少经验。 日本从 20 世纪 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(22 MW)， 并在 1993 年投运了 400 MW 的可变速抽水蓄能电站。 东芝与东京电力公司合作， 于 1990 年投运了 80 MW 的变速发电机组， 并研制成功了 300 MW 的变速机组。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

3、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。 1 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。 可变速机组的原理如图1所示。 交流变频器将励磁频率变换成正负几赫

4、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50 Hz不变， 当转子磁场相对于转子 的转速为N2（N2 = 60 f2/p）时，电机的实际转速Nm = 98 南方电网技术 第 5 卷 N1 - N2，改变转子频率可达到变速的目的2。 图 1 可变速蓄能机组原理图 Fig. 1 Schematic of the Adjustable-Speed Pumped Storage Unit 2 交流励磁可变速蓄能机组技术优势 2.1 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入功率，因此在抽水时不能参与电网频率自动控制。若抽水蓄能机组能变速，由于水泵输入功率与

5、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，抽水蓄能机组就具有自动跟踪电网频率变化调整水泵水轮机输入功率的功能，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 250410 MW， 金谷抽水蓄能电站为 168289 MW，盐原抽水蓄能电站为 240330 MV，矢木泽抽水蓄能电站为 5085 MW。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 11 000 MW的电力系统中投人 800 MW 的变速机组后，系统频率控制在（600.1） Hz

6、 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是很有效的。 2.2 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 080 MW 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范围从 50%100%，扩大到40%100%出力，发电功率为额定功率的 50%时，效率可提高约 3%。 2.3 实现有功功率的高速调节

7、 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（几十毫秒级）调节。大河内抽水蓄能电站400 MW变速机组0.2 s内可改变输出功率 32 MW 或输人功率 80 MW。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的波动。 2.4 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，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，提高机组运行的稳定胜。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

8、。在合适的转速下运行，变速机组的磨损量可减少 50%。潘家口抽水蓄能电站变速机组使空蚀失重减少约 50%。 2.5 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。变频启动需一台专用变频器，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是逐渐

9、变化的， 故能实现平滑启动。 3 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的国家，已投运的可变速机组容量为 2 746.5 MVA占目前全世界可变速机组总容量的 76.26%； 其次是德国，660 MVA，占 18.33%。未来 10 年可变速机组安装容量容量、 占比为： 日本 1 985 MVA， 占 54%；德国 1 680 MVA，占 46%。 第 4 期 郭海峰：交流励磁可变速蓄能机组技术及应用 99 3.1 变频调速机组在日本的应用情况 1990 年 12 月，世界首台交流励磁连续调速抽水蓄能机组在日本矢木泽抽水蓄能电站投人运行。从 20 世纪 90

10、年代以后，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，连续调速抽水蓄能机组具有在水泵工况下进行频率自动控制的功能，能提高供电频率的合格率，提高电力系统的供电质量。 整个 90 年代， 日本建造了 7 台可变速机组， 装机容量达 1 711.5 MVA， 至 2010 年底，日本已在 7 座电站安装了 10 台总容量共 2 746.5 MVA 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 395 MVA 的机组。小丸川抽水蓄能电站安装了 2 台360 MVA，转速 576624 r/min 的变速机组，是已投运转速最高的该类机组。 拟

11、于 2017 年投运的葛野川抽水蓄能电站 3 号和 4 号机组采用 475 MVA，转速 480520 r/min 的变速机组，将是世界上容量最大的变速机组。 3.2 变频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 331 MVA 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195 MVA的可变速机组。 3.3 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

12、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越来越趋于选用连续可变速交流励磁机组。 4 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。 4.1 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。19921997 年，4台机组实际运行时间如图 2 所示。 由图 2 可

13、看出，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 700 h， 变速机组投人正常运行后， 年抽水运行时间都在 1 500 h 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 3 可见， 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1。 图 2 大河内蓄能电站运行时间统计图 Fig. 2 Statistics Chart of the Operation Time in Ohkawachi Pumped Sto

14、rage Power Plant 图 3 大河内蓄能电站电量统计图 Fig. 3 Energy Statistics Chart of Ohkawachi Pumped Storage Power Plant 4.2 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 300 MW 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 13 年半的运行期内， 两种型式机组各种工况下相关数值的占比如图 4 所示。 从该图可见， 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，

15、可变速机组运行占比要高出定速机组约 50 个百分点。 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100 南方电网技术 第 5 卷 左右，相应水泵水轮机入力在 240400 MW 变化。 图 4 奥清津第二电站可变速机组与定速机组运行情况 Fig. 4 Operation Status of Adjustable-Speed Units and Fixed Speed Units in Okukiyotsu 2 5 技

16、术经济比较分析 5.1 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： 1） 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； 2） 提高抽水蓄能电站综合效率，减少抽水电量，增加发电量； 3） 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； 4） 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。 5） 但采用连续调速机组也会导致机组及控制设备投资增加，布置设备所需厂房面积可能增加，并可能使电站电气故障概率增加或设备可用率下降。 5.2 经济合理性分析 据现有资料， 连续调速电机的造价约为同容量恒速电机的 1.251.70 倍，例如：大河内电站装有4 台机组，其中 2 台为 350 MW 的恒速机组，2 台为 395 MW 的连续调速机组， 连续调速电