采用雙饋電機的抽水蓄能機組技術概述

姜樹德，梁國才，王 純

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

抽水蓄能電站在電網的調峰、填谷、調頻和事故備用方面，發揮著越來越重要的作用。當前我國的抽水蓄能電站，幾乎都采用固定轉速的可逆機組，由于機組轉速不可調節，固定轉速、機組的調節功能和運行范圍都受到了限制。20世紀90年代出現的采用雙饋電機的抽水蓄能機組為消除這些缺點開辟了一條新路[1]。

1 固定轉速抽水蓄能機組的局限性

可逆式水泵水輪機和同步發電電動機組成的二機式機組，是當前國內外抽水蓄能機組的主要機型。可逆式發電電動機是同步電機，其轉速為固定的同步轉速，由磁極對數和電網頻率確定。采用固定轉速機組的抽水蓄能電站的接線如圖1所示。電機轉子繞組通過接于主變壓器低壓側的勵磁變壓器和整流器，獲得直流勵磁電源。這種機組的接線與常規水電機組的接線十分相似，只是增加了換相開關和變頻起動裝置（見圖1）。

圖1 采用固定轉速機組的抽水蓄能電站的接線Figure 1 Scheme of pumped-storage power plant with fixed speed units

固定轉速機組的抽水蓄能電站至少有兩個難以克服的缺點：

（1）水輪機工況和水泵工況的效率優化不可兼顧。

可逆式水泵水輪機一身二任，既要作為水輪機運行，又要作為水泵運行。這就給水泵水輪機的設計和制造出了一道難題，因為一臺高效的水輪機不可能同時又是一臺高效的水泵，解決辦法是只保證一種工況的效率最優。考慮到機組作為水泵運行的累加時間高于作為水輪機運行的累加時間，所以通常是保證水泵工況效率最優，舍棄水輪機工況的部分效率。圖2 顯示了在某一特定水頭下，機組作為水輪機和水泵運行時各自的效率曲線，同步轉速對應的水泵效率為最優，對應的水輪機效率則非最優。

圖2 固定轉速抽水蓄能機組的效率曲線Figure 2 Efficiency curve of fixed speed pumped-storage unit

（2）水泵工況下不能靈活調節有功功率。

機組作為水泵運行時，從電網吸收有功功率。增加或減少吸收的功率，可以參與調節電網的頻率。機組從電網吸收的功率，取決于揚程、轉速和導葉開度。水泵工況下的導葉開度實際上是不可調的，因為調節導葉開度會引起附加損耗和振動。 結果是機組只能通過整機投退來調節吸收的功率，缺少精細調節的能力。圖3顯示了固定轉速機組在抽水運行時，只能吸收固定的有功功率，只有揚程變化時才能被動地改變吸收的功率。

圖3 固定轉速機組抽水運行時的吸收功率Figure 3 Absorbed power of fixed speed unit in pump mode

2 雙饋電機的特點

首先回顧一下我們熟悉的同步電機的特點。同步電機的定子布置有分布式三相電樞繞組，轉子則布置有直流電源供電的磁場繞組。電機運行時，定子的三相繞組產生以同步轉速ns旋轉的磁場，轉子也以同步轉速ns作機械旋轉，兩個同步旋轉磁場在氣隙合成，見圖4。同步轉速是由電網頻率和轉子磁極對數決定的，不可調節，所以同步電機是一種固定轉速的電機。為了簡化分析，本文以一對磁極的同步電機為例。

圖4 同步電機定子、轉子磁場轉速Figure 4 Stator and rotor field speeds of synchronous machine

雙饋電機是定子繞組和轉子繞組都由交流電源供電的電機。抽水蓄能電站的雙饋電機的定子繞組與同步電機沒有差異，不同點在于其轉子繞組是三相分布繞組。從結構上看，雙饋電機與繞線式異步電機十分相似，唯一的不同是繞線式異步電機的轉子三相繞組是短路的，而雙饋電機的轉子繞組則由變流器經由電刷與滑環供給頻率可調的三相交流電源。電機運行時，定子繞組和轉子繞組產生轉速分別為ns和ne的旋轉磁場，ns和ne分別與電力系統頻率和變流器輸出電壓的頻率成正比。由于轉子本體還在以機械轉速n轉動，所以呈現在氣隙中的轉子旋轉磁場的轉速是其機械轉速與電磁旋轉磁場轉速的疊加，疊加后的轉速等于同步轉速，見圖5。

圖5 雙饋電機的定子、轉子磁場轉速Figure 5 Stator and rotor field speeds of doubly-fed machine

式中：ns——定子旋轉磁場的轉速（r/min），即同步轉速；

n——轉子的轉速（r/min）；

ne——轉子電磁旋轉磁場相對于轉子的轉速（r/min），ne=S×ns。

n

n=ns，轉子機械轉速等于同步轉速，機組運行在同步狀態。

n>ns，轉子機械轉速大于同步轉速，機組運行在超同步狀態。

轉子的電磁旋轉磁場可以與轉子的旋轉方向相同，也可以與之相反。改變轉子電磁旋轉磁場的方向和大小，可以保證轉子的合成旋轉磁場與定子旋轉磁場保持同步?？刂茷檗D子繞組供電的可控變流器，改變其輸出電壓的相序、頻率和幅值，便可調整電磁旋轉磁場的方向和轉速[3]。

雙饋電機與電力系統之間不僅通過定子交換有功功率，轉子和變流器也是有功功率的交換渠道。改變轉子的轉速，使機組運行在次同步或超同步狀態，便可改變有功功率的方向，詳見表1。經由轉子交換功率的大小與轉差率成正比[7]。

表1 雙饋電機轉子與電力系統的有功功率交換Table 1 Active power exchange between rotor of doubly-fed machine and power system

因為轉子轉速可以高于同步轉速或低于同步轉速，與其同軸的水泵水輪機也就擺脫了固定轉速的束縛，選擇更加合理高效的轉速運行。雙饋電機轉子轉速偏離同步轉速的范圍，一般不超過±8%。采用雙饋電機的抽水蓄能電站的接線如圖6所示。

圖6 采用雙饋電機的抽水蓄能電站的接線Figure 6 Scheme of pumped-storage power plant with doubly-fed units

在很多資料中，雙饋電機被稱為雙饋感應電機（doublyfed induction machine，DFIM）。 根 據 GB/T 2900.25/ IEC 60050-411的定義，感應電機是“僅一套繞組連接電源的異步機”，所以感應電機不可能是雙饋的。用于抽水蓄能電站的變速電機，符合GB/T 2900.25/IEC 60050-411中對于雙饋電機的定義，稱其為雙饋電機或雙饋異步電機才是正確的。

3 雙饋電機的勵磁電源[10]

雙饋電機的勵磁電源必須是頻率、幅值和相位可調、相序可變的三相交流電源，屬于靜止變頻器的范疇。但是，我們熟悉的為常規抽水蓄能機組水泵工況提供啟動電源的靜止變頻器（SFC） 卻不能作為雙饋電機的勵磁電源，因為這類SFC的輸出變流器，是負荷換相逆變器（load commutated inverter），正常運行時的各橋臂功率元件（晶閘管）的輪換導通，即換相，是依賴負荷的反電勢來實現的。雙饋電機的轉子繞組不能提供這樣的反電勢，而且晶閘管只可控制導通，不可控制關斷，不適于作為雙饋電機轉子繞組電源的電力電子元件。

為雙饋電機轉子繞組供電的變流器，采用電壓源型變流器，由網側變流器、直流環節、機側變流器三個主要環節構成。變流器采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、注入增強柵極晶體管（IEGT）或集成門極換流晶閘管（IGCT）等導通和關斷均可控的電力電子元件實現整流和逆變[4]。

圖7為IGBT和 IEGT的符號。當VCE為正方向時，如果在柵極（亦稱門極）施加控制電壓VGE，則元件導通，電流自集電極流向發射極。如果電壓VGE消失，則元件關斷，流經元件的電流變為零。

圖7 全可控整流元件IGBT或IEGT的符號Figure 7 Symbol of IGBT or IEGT，fully controllable valve device

采用脈寬調制（PWM）技術，這類元件可以構成靈活控制的整流和逆變電路。對于整流電路，通過調整觸發脈沖的頻率及寬度，可以改變其輸出直流電壓的幅值。對于逆變電路，通過控制觸發脈沖的頻率及寬度，可以改變逆變電路輸出的交流電壓的頻率和幅值；對于三相逆變電路，通過改變元件的導通順序可改變輸出電壓的相序。輸出電壓為正弦波的脈寬調制稱為正弦脈寬調制（SPWM）。圖8顯示了正弦脈寬調制電路的觸發脈沖及輸出電壓的基波部分，觸發脈沖的寬度對應正弦波形的幅值。圖8僅為示意，顯然增加觸發脈沖的數量，有助于減少諧波、改善波形。但是受元件固有開關時間和通斷損耗的限制，功率元件的允許開關頻率，亦即單位時間內觸發脈沖的數量，實際上是有限度的。

圖8 正弦脈寬調制電路的觸發脈沖及輸出電壓的基波Figure 8 Triggering pulse and fundamental component of output voltage of SPWM circuit

圖9是一個4路并聯的交－直－交變流器的接線。除了網側變流器、直流環節和機側變流器外，跨接器也是一項重要設備，它是由晶閘管等元件組成的過電壓保護裝置，當轉子出現過電壓時，晶閘管將被觸發導通，以抑制過電壓。

圖9 雙饋電機與變流器的接線Figure 9 Scheme of doubly-fed machine and converters

4 磁場導向控制

變流器采用數字式控制器控制，控制策略為“磁場導向控制”?？刂破鞑杉ㄗ与妷汉碗娏?、轉子電流、變流器電流、直流電壓，并利用這些參數進行計算，實現如下功能：

（1）調節定子電壓和相角，亦即調整電機的有功功率和無功功率。

（2）調整轉子繞組電流的頻率，以保證轉子繞組呈現在氣隙的合成磁場以同步轉速旋轉。

（3）調整變流器電網側的有功功率和無功功率。

依靠機組及變流器的準確數字模型和磁場導向控制提供的前饋計算，控制器可以預測定子所需的有功功率和無功功率，從而確定為獲得上述功率，應該提供的轉子電流的幅值和相位。

與同步電機的勵磁調節器相比，磁場導向控制器的反應速度要快很多，從而能夠更好地保證機組和電力系統的穩定。

5 采用雙饋電機的抽水蓄能機組啟動

與固定轉速的抽水蓄能機組一樣，采用雙饋電機的抽水蓄能機組作為水泵運行時，面臨啟動問題。與同步電機不同的是，雙饋電機不需另設專用于啟動的SFC，利用為轉子提供勵磁電源的變流器，就可以解決這一問題。

以下介紹的是利用變流器啟動雙饋電機的一種方案的步驟：

（1）分斷發電機出口斷路器（見圖9中的GCB），將定子繞組出口經短路開關（見圖9中的QS）短路，在轉子繞組通過變流器施加三相交流電壓，電壓和頻率逐漸升高。

此時的電機相當于一臺反裝的繞線式異步電機，三相交流電源加在轉子繞組上，并在氣隙產生旋轉磁場，在定子繞組感應出三相電流。定子的通電導體在轉子旋轉磁場中受到驅動力矩，但定子不可能運動，在定子的反作用力矩驅動下，轉子開始加速。

（2）變流器的輸出電壓達到額定值后維持不變，轉子加速到預定轉速。

（3）閉鎖變流器的輸出，打開定子出口的短路開關，此時機組類似于一臺兩側開路的變壓器，繞組無電流、無電壓，鐵芯內無磁通。轉子在阻力矩的作用下開始減速。

（4）重新由變流器為轉子繞組供電，電源頻率為fre=50-frm（Hz），frm是轉子的當前機械轉速對應的頻率。

（5）調整變流器的輸出，使定子電壓的頻率、幅值與相位與電網相匹配，選擇適當時機合上GCB，機組進入雙饋運行狀態，打開球閥，調整輸入功率，機組開始抽水。

6 雙饋電機的短路電流[5]

雙饋電機的轉子結構完全不同于常規的同步電機，其轉子沒有阻尼繞組，所以不存在直軸超瞬態電抗x″d和直軸超瞬態短路時間常數T″d等參數，因而不能套用同步電機的短路電流計算方法（例如IEC 60909推薦的計算方法）來計算雙饋電機的短路電流。在缺乏統一標準的情況下，各工程涉及雙饋電機的短路電流計算方法也不完全一致。

從若干工程的計算結果來看，雙饋電機機端短路電流的初始值和穩態值，都低于同步電機的相應值。

7 采用雙饋電機帶來的效益[2][8][9]

7.1 水泵工況下可以靈活調節吸收的有功功率

如前所述，固定轉速的同步電機，運行在水泵工況時，只能通過整機投退來調節吸收的有功功率，缺少精細調節的能力。采用雙饋電機后，機組轉速可以偏離同步轉速，在一定范圍內變化，機組從電網吸收的有功功率，也將隨之變化。雙饋電機的這一特點，增強了蓄能電站調節電力系統頻率的能力，減少了機組的啟停次數。圖10顯示了水泵工況下，機組吸收的有功功率隨轉速的變化。

圖10 可變轉速機組水泵工況下吸收的有功功率與轉速的關系Figure 10 Active power absorbed by variable speed unit in pump mode as function of speed

7.2 發電工況下可以運行在較高的效率區

前已述及，固定轉速機組的水輪機工況和水泵工況效率優化不可兼顧。采用雙饋電機的抽水蓄能機組則不受此限制，水輪機工況和水泵工況可以分別運行在與各自的最優效率對應的轉速[6]。見圖11。

圖11 可變轉速機組水輪機工況和水泵工況的效率比較Figure 11 Comparison of pump and turbine efficiencies of variable speed unit

7.3 有效地抑制機組振蕩，維持電網穩定

固定轉速的機組，其轉子必須以同步轉速旋轉，如果偏離同步轉速，則可能發生圍繞同步轉速的振蕩。安裝在磁極外緣的阻尼繞組就是用于消除這種振蕩的。

雙饋電機的轉子不必以同步轉速運行，控制系統隨時監測其轉速的變化，并通過改變變流器輸出電壓的頻率，使轉子在氣隙產生的合成旋轉磁場的轉速始終為同步轉速。雙饋電機的轉子不可能也不必要設置阻尼繞組。雙饋電機能夠更有效地抑制電力系統的擾動，維持電網的穩定與安全。

7.4 擴大了機組的運行范圍

固定轉速機組適合運行在設計水頭（或揚程）、發出（或吸收）額定功率的工況。如果偏離了上述條件，機組效率就會下降，還有可能進入汽蝕和振動區。采用雙饋電機的抽水蓄能機組通過在一定范圍內調節轉速，適應水頭（或揚程）的變化，改善機組效率，避開汽蝕和振動區，擴大了機組安全運行的范圍。

8 結語

（1）傳統的可逆式水泵水輪機和同步發電電動機組成的二機式機組存在一些固有的缺點，這些缺點的根源是電機為恒定轉速的同步電機。

（2）采用雙饋電機的抽水蓄能機組技術，機組轉速可在一定范圍內調節，解決了上述問題。

（3）雙饋電機的交流勵磁電源采用電壓源型變流器，變流元件為全控型電力電子元件，采用脈寬調制技術為轉子提供頻率、幅值、相位和相序可調節的三相交流電壓。

（4）電壓源型變流器還可以用作機組在水泵工況平穩啟動的電源。

（5）雙饋電機的電磁構成和運行機制與同步電機有很大差異，不可套用同步電機的短路電流計算方法來計算雙饋電機的短路電流。