抽水蓄能機組飛輪力矩的測試與分析

茍智德，富立新，李廣德，魏長健

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

前言

發電機組的飛輪力矩是轉動部分的重量G與其慣性直徑D平方的乘積，用GD2表示。

抽水蓄能機組由于需要快速起動、工況頻繁轉換，對機組飛輪力矩的要求較高。飛輪力矩過小，則甩負荷時機組轉速上升率大，機械部件易發生損壞；飛輪力矩過大，機械慣性大，則機組的起動時間和調節時間長。

水電機組通常都進行 25%、50%、75%、100%額定負荷的甩負荷試驗，以調試和考核機組性能。為了保證機組安全，防止過轉速、過電壓，這些常規的甩負荷試驗都要求調速器，而退出勵磁系統。這與測定飛輪力矩的甩負荷試驗要求退出調速器運行并保持勵磁系統運行，存在著很大差別。

能否利用常規的甩負荷試驗確定飛輪力矩，這是本文重點分析的問題。

1 飛輪力矩的試驗方法

飛輪力矩的試驗方法按GB/T1029《三相同步電機試驗方法》的規定，采用發電機甩負荷加速試驗的方法進行。這種方法主要適用于飛輪力矩較大以及采用其他方法進行測定有困難的電機。

試驗時，被試電機在發電機工況下運行，從電網突然被解列后，測定機組轉速隨時間變化的曲線。按照該方法，測試從電網斷開前瞬間由發電機供給的功率，以及相差△ω轉速間的自減速時間△t，然后按照公式（1）確定飛輪力矩。

式中：P1為從電網斷開前瞬間由發電機供給的功率，kW。ωN為額定角速度，rad/s；△ω/△t為在一定時間內的角速度變化值。

2 甩負荷試驗數據

本文對一臺額定功率為250MW、額定轉速為250 r/min的發電電動機，在常規的25%、38%、50%、75%、100%額定負荷的甩負荷試驗中進行了測試。

在甩負荷瞬間的輸出功率分別為：67.175MW（試驗 1）、96.965 MW（試驗 2）、120.373 MW(試驗 3）、184.207MW（試驗4）、245.916MW(試驗5）。甩負荷后記錄轉速和時間，測試數據見表1。

根據測試數據，繪制甩負荷時機組轉速與時間的變化曲線，見圖1。

3 初步分析計算

起始點“0”的轉速不穩定，與額定轉速250r/min相比較，起始點“0”的轉速或高或低。甩負荷前，機組按照原先的控制策略進行調控；甩負荷后，機組按照新的控制策略進行調控，在工況轉換時，存在突變。同時在“0”時刻，水力調控、電力電控并不同步，并不是同一時刻進行動作。因此，“0”時刻轉速的隨機性大，不能作為確定飛輪力矩的數據。觀察測試的轉速曲線：2s后的轉速曲線有拐點，線性化不好，轉速出現了波動。因此2s后的數據也不參與計算分析。

為了準確計算，采用0.2284s～1.8283s，Δt=1.6s的時間段內的測試數據進行線性化處理，如圖2。

表1 甩負荷試驗時的測試數據

通過圖2，計算轉速差和時間差，進而進行飛輪力矩的初步計算，見表2。

表2 飛輪力矩的初步計算

圖1 甩負荷時機組轉速與時間的變化曲線

圖2 Δt=1.6s內的測試數據線性化

5種試驗條件下，初步計算求取的GD2，數值相差很大。而機組轉動部分的GD2是其本身固有的機械特性，是固定不變的。因此，這 5種試驗條件下確定的飛輪力矩不夠真實準確。

4 測試分析

4.1 調速器的影響

水輪機調速器通過控制水輪機導葉開度，調節過水流量的大小來調整水輪機的轉速。表3是甩負荷試驗時開度和流量的測試數據。

從表3中的測試數據，計算t=2.0569s開度和流量變化，見表4。

表3 甩負荷試驗時測試數據

表4 開度和流量變化

從表4可看出，在甩負荷試驗時，調速器動作，水輪機開度有一定變化，而水流量變化很小。在短時間內，水流量變化小，調速器對機組的轉速影響較小，對飛輪轉矩的確定影響也小。

4.2 機組轉速的影響

不同試驗工況下的甩負荷試驗，其轉速的變化是不相同的，見表5。

表5 不同試驗工況下的甩負荷試驗轉速的變化

從表5可以看出，機組轉速在這5種試驗條件下變化很大，試驗5的甩負荷試驗中，t=2.0569s時刻的轉速，超過了額定值的 20.6%。不同轉速下，水力特性變化較大，高轉速對機械性能影響很大。而且轉動部分的飛輪力矩，也是對應某一固定轉速下的飛輪力矩。

因此只能在低負荷（25%）的甩負荷下試驗工況下，確定飛輪力矩。其他工況，由于轉速過高，不能作為確定飛輪力矩的依據。

4.3 鐵心損耗的影響

試驗方法確定飛輪力矩時，應保持發電機勵磁不變。而常規甩負荷試驗，切除了勵磁系統。由于發電機勵磁，在定子中產生鐵心損耗。公式（1）中，電網斷開前瞬間由發電機供給的功率，應當加上鐵心損耗，作為工況轉換前后的功率變化。進而用兩者的功率之和確定飛輪力矩。

5 測試結果

甩 25%額定負載工況，從電網斷開前瞬間由發電機供給的功率為 67175kW，該發電機的鐵心損耗為510kW，二者之和為67685kW。按照公式（1），求取的 GD2為 14919.505 t·m2。

發電電動機GD2的設計值為14000 t-m2，水泵水輪機GD2的設計值為750 t-m2，二者之和為14750 t-m2。

GD2的測試值與設計值的偏差計算，見表6。

表6 GD2的測試值與設計值的偏差計算

測試與設計值偏差在1%左右，表明測試結果比較準確。

6 結論

在低負荷試驗工況下，常規甩負荷試驗可進行飛輪力矩的測定；高負荷甩負荷試驗，由于升速高，不應作為飛輪力矩運算數據。甩負荷試驗的“0”時刻轉速的隨機性大，不能作為確定飛輪力矩的數據；2s以后的轉速波動大，也不能作為確定飛輪力矩的數據。在常規甩負荷試驗時調速器投入運行，短時間內，對水流量和機械性能影響不大，進而對飛輪力矩值確定影響不大。由于常規甩負荷試驗切除了勵磁系統，因此計算飛輪力矩時，應考慮到鐵心損耗的影響。

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