淺談變頻交流勵磁抽水蓄能機組的意義

喻 冉

（河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧滿族自治縣 068350）

淺談變頻交流勵磁抽水蓄能機組的意義

喻 冉

（河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省豐寧滿族自治縣 068350）

面對水頭的變化，傳統機組運用復雜的機械系統調節流量穩定轉速，變頻機組通過改變勵磁頻率來適應各種水頭的變化。變頻機組能夠長時間連續高效運行，對電網的調節作用更為突出。

變頻機組；高效運行；調節

0 引言

隨著經濟和電網結構的發展，電網對抽水蓄能電站靈活性的要求更高，變頻機組不僅具有更高的靈活性，而且能夠提高水能利用效率。從國外已投運的變速機組運行情況可以看出，變頻機組對電力系統的運行的經濟性和穩定性起了非常重要的作用。并且同一電站或區域已投運的變頻機組的調用率遠高于傳統機組，變頻機組在多方面的優越性能、為電網提供的優質電能和為運營方創造的效益方面也都遠超過傳統機組。

1 現有傳統機組

水輪機發電的原理是當水流通過水輪機后，水流的動能和勢能轉化為機組旋轉的機械能，發電機轉子旋轉后產生旋轉的磁場，發電機定子處于旋轉的磁場中，切割磁感線發出電能。

發電機轉子轉速為：

式中：n——水輪發電機組轉速，r/min；

f——發電機頻率，Hz；

p——發電機磁極對數。

由于發電機出廠后磁極對數p已固定，傳統機組是由恒定直流勵磁，發出50Hz交流電并網。故由式（1）可知，發電頻率f確定后，轉速n恒定，所以機組必須以額定轉速運行。

水輪發電機組轉動部分可描述為繞固定軸旋轉的剛體運動，其運動方程為：

式中：J——機組轉動部分轉動慣量；

ω——機組角速度，1/s；

Mt——水輪機的主動力矩，kN·m；

Mg——發電機阻力矩，kN·m。

為了維持發電機組發電頻率保持不變，必須維持機組的轉速及角速度為常數，即由式（2）得出：

式（3）說明水輪機主動力矩等于發電機阻力矩是維持水輪發電機組轉速或頻率恒定的必要條件，故水輪機主動力矩必須跟隨發電機阻力矩變化而變化。水輪機主動力矩由水流作用于轉輪葉片而產生，水輪機主動力矩可由式（4）表示。

式中：P——機組出力，kW；

γ——水的容重，kN/m3；

Q——水輪機的流量，m3/s；

H——水輪機工作水頭，m；

η——水輪機的效率。

由式（4）可知，調節水輪機的流量可以改變水輪機的主動力矩，同時，當水頭改變而主動力矩不變時也可由調節水輪機流量達到。而水輪機流量可通過改變導葉開度來實現，這就是傳統機組應對水頭或者負載等變化的方法。

2 變頻交流勵磁機組

變頻交流勵磁機組的轉子由交流變頻裝置進行勵磁，通過給轉子通可變的低頻三相交流電對發電電動機進行勵磁。變頻發電電動機屬于雙饋異步電機，轉子側、定子側都要與電網進行功率交換和能量傳遞。

由于給轉子進行三相交流勵磁，故勵磁電流產生了相對于轉子的旋轉磁場，此時，定子處于因交流勵磁電流和轉子轉動產生的疊加磁場中。

設某一時刻轉子轉速為n1，轉子轉動產生的磁場為B1，轉子通以頻率為f2三相交流電進行勵磁，產生的旋轉磁場B2相對轉子的速度為n2，則定子處于B1、B2的疊加磁場中，則疊加磁場相對于定子的速度為n1+n2。

由于運行工況的變化，轉子轉速n1改變，這時通過改變n2來保持作用于定子的磁場轉速恒定。n2是由頻率為f2的三相交流電產生的勵磁，故可以通過控制交流勵磁變頻裝置改變頻率f2來保證定子并網頻率恒定。也就是說，當轉子轉速在一定范圍內變化時，仍然可以運行。

假如機組在設計水頭Hp和設計流量Qp下轉速為額定轉速np。隨著水頭H的變化，改變轉子轉速并實現：

則：這說明當水頭變化時，可通過控制轉速使機組的單位轉速n11保持恒定。

隨著流量Q的變化，同樣可以改變轉速并實現：

則：這說明當流量變化時，可通過控制轉速使機組的單位流量Q11保持恒定。

由于轉輪綜合特性曲線橫軸為單位流量Q11，縱軸為單位轉速n11，故當運行工況（水頭、流量）變化時，可以通過改變機組轉速使其運行工況與設計工況保持非常相近，維持高效運行。

3 變頻交流勵磁機組的意義

3.1 并網時間大幅縮短

傳統機組當轉速達到額定轉速的90%時才通勵磁，當轉速達到額定轉速附近啟動準合同期裝置并網，整個過程需3min左右。在水泵工況下，啟動時為避免對電網系統的沖擊，傳統機組采用通過靜止啟動變頻器來拖動，當轉速達到額定轉速附近時由電網拖動整個過程需要8min左右。

而變頻交流勵磁機組由于可以發出B2來補償機組的轉速，故變頻機組可以在轉速距離額定轉速更遠的時刻接入電網，而且變頻器可通過調整相位、電壓從而實現更快速并網。在水泵工況下，可利用勵磁裝置自我啟動，不需要傳統的靜止啟動變頻器來拖動，轉子端加變頻器的勵磁電流，當剛剛啟動時，使電壓和頻率從零開始逐漸上升，來加速發電電動機。

因而，可以更快地跟蹤負荷，提高機組的快速響應能力。在非常短的時間內對有功功率和無功功率進行調整，進行電壓和頻率控制，起到穩定系統、提高電能質量的作用。

3.2 水泵水輪機在電網中更好的調節負荷

水流功率公式：

流量計算公式：

式中：v——流速；

F——流面面積。

水輪機基本方程式：

由以上三式得出功率與轉速的三次方成正比，轉速的較小變化就會引起輸入功率很大的變化，這樣通過改變轉速來調整輸入或輸出功率，可以對電網進行連續地削峰填谷和調頻調節，抽水蓄能機組的調節范圍大大加強。

同時，變頻機組可以適應更寬的水頭和揚程變化，擴大了運行范圍，水泵水輪機需要的最小淹沒深度減小，從而增加水庫的調節庫容，提高水能的利用率，增加蓄能電站的連續利用小時數和利用率。

3.3 使水泵水輪機具有更高的效率

由于傳統機組只能在額定轉速附近運行，而工況在時刻變化，這就需要調整導葉開度改變流量大小，達到穩定轉速的效果，這個過程中水頭損失很大。而變頻交流勵磁機組高水頭高轉速，低水頭低轉速，可以通過調節轉速使運行工況與額定工況非常接近，在各水頭下均能維持高效運行。

在水頭改變時，傳統機組通過復雜系統作用于一系列機械裝置達到穩定轉速的目標，變頻機組通過變頻器改變勵磁頻率的大小來維持機組在高效區運行，這樣調節的可靠性、速動性、靈敏性大大提高。

3.4 優化機組的運行工況

由于機組通過變速運行，可以始終處于最優工況下運行，其穩定性好，有效改善壓力脈動和空化性能，氣蝕、振動、噪聲大大減輕，延長了機組使用壽命，減少維護費用。

4 變頻機組的技術難點

從20世紀60年代開始，國外水電行業就開始了變頻機組研究及試驗工作，其中日本是應用連續變頻交流勵磁蓄能機組最早、最多的國家，從發達國家的產品研發和電源建設來看，變頻蓄能機組各項技術已發展成熟。我國通過技術引進和研制，也開展過變頻機組的生產應用，目前國內僅有4座電站應用了小容量變頻機組，由于容量偏小，設備技術老化，基本按傳統機組運行，其在電網中起到的作用也比較有限。

為提高電能質量而建設的大容量、可連續變速的機組及其配套的變頻設備在國內電網中還沒有引進技術建設的工程實例，大型主機制造廠目前仍處于關鍵技術（如隱極發電電動機轉子等）的研發階段。目前欠缺的還有交流勵磁系統技術、針對變頻蓄能機組的控制技術等，同時與變速發電電動機配套使用的水泵水輪機技術及其性能的優化也還有待于結合具體工程進行更深入地對比和研究。此外，關于變速蓄能機組的規劃選點方法和規范、工程技術經濟分析方法等也缺少相應的經驗和技術標準。

變頻機組的調速器功能與傳統機組區別不大，控制導葉開度來調節轉速，變頻機組勵磁系統通過控制勵磁電壓的大小、頻率和相位來調節機組運行轉速，二者都能實現調速功能。這就需要設置調速調節的協調控制器，控制器則根據工況決定最優運行轉速。

傳統機組的繼保系統已經成熟，但變速運行時，由于運行系統性能的變化以及變頻器保護配合的要求，使得發電機的一些正常保護，如失磁保護、低頻率保護等不能投入使用，這樣造成機組的保護不完善，因此需要研發與變頻機組配套的繼保系統。傳統的自動控制設備和測試儀表皆用于恒定頻率發電設備。由于變頻機組新的運行特點，這就要增加新的設備，來配合變速運行，也使系統更為復雜。現需新增對變頻器的閉環控制系統，這無疑增加了費用成本。

[1] 鄭源，陳德新.水輪機.北京：中國水利水電出版社，2011.

[2] 程遠楚，張江濱.水輪機自動調節.北京：中國水利水電出版社，2010.

[3] 閻治安，崔新藝，蘇少平.電機學（第二版）.西安：西安交通大學出版社，2006.

喻 冉（1988—）男，主要從事項目前期管理、水電站機電設備選型安裝。

Talking about the Significance of Variable Frequency AC Excitation Pumped Storage Units

YU Ran
（Hebei Fengning Pumped Storage Power Co.Ltd.，Fengning 068350，China）

In the face of changes in the head，the traditional use of complex mechanical systems unit to regulate the flow steady speed，frequency unit by changing the excitation frequency to adapt to changes in the various head. Frequency long continuous and efficient operation of the unit can adjust to the more prominent role in the grid.

frequency unit running efficiently adjust