變速抽水蓄能發電電動機設計研究

駱 林

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000）

0 引言

隨著風能、太陽能等波動性、間歇性清潔能源的大規模發展，以及核電機組的應用，要求電網具有更加靈活、快速的響應能力，以保持自身的穩定性和可靠性。常規定轉速抽水蓄能電站是目前最可靠的大規模儲能方式和電網負荷調節手段，但是其功率調節范圍和響應速度受到恒定轉速運行的局限；變速抽水蓄能機組具備特有的寬范圍功率調節能力，以及毫秒級的響應速度，對波動性、間歇性清潔能源的消納更具優勢，是建設堅強電網、智能電網的重要組成部分[1-2]。

要實現變速運行，所有發電電動機不管是定速，還是變速，其工作的基本原理是定子旋轉磁場必須與轉子旋轉磁場保持在同一轉速、相對靜止，磁場間存在一定的夾角，才能產生恒定的電磁轉矩進行工作。如果要進行變速，一種方式是定子側與電網頻率解耦，另一種方式是轉子側與轉子轉速解耦。第一種方式需要在電網與定子繞組間設置全功率變頻器；第二種方式，需要轉子上有旋轉磁場，這就要求有變頻器在轉子三相繞組中通入交流電，這種方式歐美稱為雙饋，日本稱為交流勵磁。兩種方式的拓撲原理圖如圖1、圖2所示：

圖1 全功率變頻方式變速系統拓撲原理圖Figure 1 Principle topology for variable speed machine with Full-Power converter

圖2 交流勵磁方式變速系統拓撲原理圖Figure 2 Principle topology for variable speed machine with AC-excitation

1 發電電動機變速方式選取

兩種變速方式各有優缺點，究竟采用哪種方式，要根據電站的具體情況，綜合考慮。

采用第一種方式，從定子側與電網解耦，電機為常規的凸極同步電機，與定速機組相同。與定子相連接的變頻器功率與電機相同，可以完全將機組與電網解耦，頻率、轉速、電壓、電流、相位的變化，都通過全功率變頻器實現。這種方式的優點是：采用常規同步凸極電機，技術成熟，電機與電網完全解耦；轉速調節變化范圍大，運行區域僅僅與水輪機限制有關；采用全功率變頻器啟動，啟動轉矩大，無需壓水，無并網同期過程，機組啟動和工況轉化都非常迅速。這種方式的缺點是：定子側全功率變頻器成本高；全功率變頻器自身損耗大，造成整個機組的效率下降；全功率變頻器尺寸較大，需要布置的空間大。

采用第二種方式定子磁場轉速為n1，轉子磁場轉速為n2，轉子機械轉速為n，f1、f2分別為定子電流、轉子電流的頻率，根據式（3）的關系，只要控制轉子電流的頻率f2，改變轉子磁場轉速n2，就可改變轉子機械轉速n。轉子機械轉速n實現了與電網頻率f1和定子磁場同步轉速n1的解耦。這種方式最大的好處是，在一定變速范圍內，可大大降低變頻器所需的功率，降低變速系統成本，但是由于電機形式不再是常規的凸極同步電機，而是繞線式異步電機，結構形式更為復雜，會造成機組成本的增加。

根據目前電力電子技術的發展水平[3]，如圖3所示，一般認為含變頻器及電機的成本，在機組功率低于100MW時，采用全功率變頻器變速機組系統成本低，在機組功率大于100MW時，采用交流勵磁變速機組系統成本低。

圖3 不同變速方式成本－功率比較Figure 3 Cost-Power comparison for different variable speed method

在效率方面[3]，針對某100MW，428.6r/min機組，進行了電磁計算，采用兩種變速方式，如表1所示，機組的機械損耗、電氣損耗水平基本相當。全功率變頻器自身損耗包括電力電子元器件的損耗和水循環冷卻系統泵及管路損耗，按98.5%效率計算損耗已達1500kW，占整個變速機組系統損耗的一半以上，導致整體效率低于交流勵磁變速機組，當然隨著電力電子技術發展，變頻器效率仍存在提高空間。

表1 某100MW機組不同變速方式下的效率比較Table 1 Efficiency comparison of different variable speed methods of 100 MW unit

續表

2 變頻器容量選取與估算

對于采用全功率變頻器變速方式的系統，變頻器容量與機組容量相等，對于采用交流勵磁變速方式的系統，交流勵磁變頻器的容量主要取決于機組的變速范圍，變速范圍越大，所需變頻器的容量越大，另外也要考慮到機組水泵工況啟動要求。

根據交流勵磁變速發電電動機功率平衡關系[4-6]，可得交流勵磁變頻器的有功功率P2，無功功率Q2分別如式（4）、式（5）所示：

式中：s——轉差率；

P1，Q1——定子繞組端的有功功率、無功功率；

PCu1、PCu2——定子繞組銅耗、轉子繞組銅耗；

Q1δ、Q2δ、Qm——定轉子漏抗、勵磁電抗消耗的無功功率。

交流勵磁變頻器的容量S2為：

由式（4）～式（6）可見，交流勵磁變頻器的容量大小與機組變速范圍及定轉子的損耗水平有關，對于大容量的交流勵磁發電電動機，效率水平比較高，變頻器容量主要取決于變速范圍，初步的變頻器容量Sf估算可按式（7）計算。

式中：S1——機組容量；

s——轉差率，變速范圍±5%，s取0.05；

cosφ2——交流勵磁變頻器機側工作功率因數，取0.5～0.6。

表2為部分交流勵磁變速抽水蓄能電站數據。

表2 部分交流勵磁變速抽水蓄能電站參數Table 2 Parameters of pumped-storage power station with AC-excited variable speed unit

3 發電電動機中的諧波

采用交流勵磁的發電電動機，電機內部存在非常復雜的諧波構成[7]，諧波主要分為兩類：一類是由于電機內部磁勢和磁阻在空間上分布不均勻而產生的空間諧波；另一類是轉子繞組依靠變頻器供電，由于變頻器輸出電壓的非正弦性，而在電機內部產生的時間諧波，其受變頻器拓撲結構、開關頻率、調制方式、調幅比、調頻比等參數影響，主要包括基波的整數倍次諧波、開關元件引起的高次諧波（包括開關頻率倍數次諧波及其邊帶諧波）、直流偏置諧波等。這些諧波的相互作用，可能引起電機磁場的局部飽和、發熱，出現振動、噪聲和性能下降等問題，因此在電機設計過程中必須進行準確的分析計算，加以避免。

在大型電機中，交流勵磁發電電動機的結構較為特殊，其一，與水輪發電機不同，電機為隱極式結構，定轉子雙邊均有開口槽；其二，與汽輪發電機不同，轉子為硅鋼片疊片制成而非實心體；其三，與大型異步電機不同，轉子側為開口槽結構，而不是閉口槽或半閉口槽。這些特點都導致交流勵磁發電電動機氣隙中的空間諧波分量更為豐富，圖4～圖7分別為凸極同步發電電動機及交流勵磁發電電動機的空載磁場和波形。

圖4 凸極同步發電電動機空載磁場云圖Figure 4 Magnetic field cloud of salient pole synchronous motor-generator in No-Load mode

圖5 交流勵磁發電電動機空載磁場云圖Figure 5 Magnetic field cloud of motor-generator with AC-excitation in No-Load mode

圖6 凸極同步發電電動機氣隙磁場波形Figure 6 Air gap magnetic field of salient pole synchronous motor-generator

圖7 交流勵磁發電電動機氣隙磁場波形Figure 7 Air gap magnetic field of motor-generator with AC-Excitation

交流勵磁發電電動機氣隙中存在基波磁勢和一系列時間諧波磁勢，因而除了基波轉矩外，還將產生一系列諧波轉矩。這些諧波轉矩可以分為兩大類，一類為大小和方向都不變的穩定諧波轉矩，另一類是脈動的諧波轉矩。當給轉子供電的逆變電源中有k個電壓諧波時（包括基波），就形成k2個轉矩，其中包括一個基波轉矩，k-1個穩定諧波轉矩和k2-k個脈動諧波轉矩。工程上應用中主要考慮基波磁通與5、7、11、13次轉子電流產生的諧波磁通相互作用產生的脈動轉矩。

交流勵磁發電電動機中的時間諧波主要來自與轉子繞組連接的變頻器[8-10]，2000年前多采用交交變頻器變速系統，其拓撲結構如圖8所示，2000年后開始采用三電平VSI變頻器變速系統，其拓撲結構如圖9所示，大容量變頻器采用三電平拓撲結構，可有效減小諧波含量，降低單個開關管耐壓需求與容量要求并減少損耗。

交交變頻器變速系統技術成熟，但系統結構復雜，由圖8可見，系統中使用了3個三繞組變壓器，而圖9中只使用1個雙繞組變壓器，圖8中的開關元件也遠多于圖9系統。另一個問題是交交變頻器系統只能輸出0～1/3電網頻率的電流、電壓，不能直接用以水泵工況拖動電機至額定同步轉速，需采用特殊的方式或單獨的SFC系統，而三電平VSI變頻器變速系統可輸出0～電網頻率的電流、電壓，不存在這個問題。

圖8 12脈沖交交變頻器變速系統Figure 8 Varspeed system with 12-pules cyclo-converter

圖9 三電平VSI變頻器變速系統Figure 9 Varspeed system with 3-Level VSI converter

圖10～圖13分別為交交變頻、三電平VSI變頻器變速系統中，電機中的電壓、電流及網側變壓器的電流仿真計算[8]，可見三電平VSI變頻器相比12脈沖交交變頻器系統中的THD（總諧波畸變率）更低。

圖10 交交變頻器變速系統電機相電壓和相電流Figure 10 Phase voltage and current in electric machine with cyclo-converter

圖11 三電平VSI變頻器變速系統電機相電壓和相電流Figure 11 Phase voltage and current in electric machine with 3-Level VSI converter

圖12 交交變頻器網側變壓器電流Figure 12 Transformer current ate network side of cyclo-converter

圖13 三電平VSI變頻器變速系統網側變壓器電流Figure 13 Transformer current ate network side of 3-Level VSI converter

THD（交交變頻器變速系統電機相電流）：0.582%；

THD（三電平VSI變頻器變速系統電機相電流）：0.449%；

THD（交交變頻器網側變壓器電流）：0.937%；

THD（三電平VSI變頻器變速系統網側變壓器電流）：0.622%。

在相同的轉子電壓幅值時，采用 SVPWM 與 SPWM 兩種調制方式的調幅比是不同的。根據大容量變頻器的運行經驗，采用 SVPWM 調制方式更加合理。此外，在電機運行過程中，調幅比的變化（對應轉子電壓幅值的變化）將會對轉子電壓諧波含量產生很大的影響。調幅比主要由轉子轉速決定，同時受電機運行工況影響。

4 發電電動機轉子繞組端部固定

交流勵磁發電電動機轉子繞組為三相繞組，繞組結構形式與定子繞組相同，但轉子繞組端部部分，從槽內伸出（見圖15），在運行過程中會承受很大的離心力，因此對于交流勵磁變速發電電動機，轉子線圈的端部支撐非常重要。

圖14 凸極同步電機轉子結構Figure 14 Rotor structure of salient pole synchronous motor-generator

圖15 交流勵磁電機轉子結構Figure 15 Rotor structure of motor-generator with AC-Excitation

對于繞組端部的固定，目前國外機組已經應用的方式主要有四種[11]：

4.1 繞組端部徑向螺栓固定

轉子鐵芯兩端，在軛部位置沿軸向分別疊有延伸部分，用來固定轉子繞組端部。延伸部分由僅有軛部的沖片交錯疊壓而成，疊裝高度與繞組端部長度相同。延伸部分疊壓完成后和轉子軛部作為整體壓緊。延伸部分同樣設有通風溝，旋轉的徑向風溝提供冷風氣流冷卻定轉子繞組端部。繞組端部需在徑向離心力作用下安全可靠。采取的措施是沿圓周方向布置玻璃纖維板，并用徑向螺栓固定在轉子鐵芯延伸段的T尾或鴿尾槽內。此類固定結構如圖16所示[12]。

圖16 徑向螺栓固定結構Figure 16 Fixation structure by radial bolts

4.2 繞組端部U形螺栓固定

U形螺栓從繞組端部間隙穿入，并與繞組端部內側的定位環接觸。不同高度的定位環通過軸向墊塊焊接成整體。通過擰緊螺母施加預緊力，直到其值等效飛逸工況下離心力。U形螺栓端頭內側固定螺母附有液壓調整，防止運行過程中的松動。此類固定結構如圖17所示。

圖17 U形螺栓固定結構Figure 17 Fixation structure by U type bolts

4.3 繞組端部金屬護環固定

金屬護環采用熱套方式，對繞組端部施加一定的預緊力。其設計與汽輪發電機非磁性金屬護環相似，常見的汽輪發電機非磁性護環材料見表3。這種結構設計的特點是在繞組端部內側還設置一個內環，內環的膨脹取決于轉子磁軛部分的離心力。圖18為金谷（Goldisthal）電站的轉子裝配圖。護環結構技術成熟可靠，但考慮到發電電動機轉子結構尺寸較大，使得其制造難度增加，相應地成本顯著升高。另一方面，護環結構由于其整體部件的特點，可以大幅縮短工地轉子裝配的安裝周期。

表3 汽輪發電機非磁性護環材料參數Table 3 Materials parameters of nonmagnetic retaining ring of turbine generator

圖18 金屬護環固定結構Figure 18 Fixation structure by metal end cap

4.4 繞組端部用高強度纖維帶綁扎固定

與雙饋風力發電機轉子繞組端部固定方式相同，采用高強度綁扎帶在預緊力條件下繞制成型后固化，圖19為繞組端部采用高強度纖維綁扎帶固定方式。由于密度低，自身重量產生的離心力較小，使得此種方式在考慮固定結構的強度方面存在巨大的優勢。隨著材料制造技術的發展，目前已有多種纖維帶的強度等級能夠在變速發電電動機應用，其中聚酰胺纖維帶的抗拉強度可達到1400MPa。另一方面，綁扎帶的彈性模量小，整個結構的形變較其他方式要大，同時由于綁扎了整個轉子繞組的端部，對線棒端部的通風散熱會產生不良影響。表4中為幾種可用以端部綁扎固定的材料。

圖19 高強度纖維帶綁扎固定結構Figure 19 Fixation structure by high strength fiber binding

表4 轉子繞組端部綁扎帶材料參數Table 4 Material parameters of binding tape at the end of the rotor winding

5 發電電動機交流集電系統設計

由于轉子采用交流勵磁，集電環系統應至少含3層滑環，并帶碳刷和刷握。同時如果轉子繞組中性點需引出，可增加設置一層中性環將轉子繞組的中性點引出。各滑環的導電碳刷軸向交錯布置，防止在更換、調整碳刷時造成環間爬電引起短路。由于交流勵磁電流幅值較大，每相集電環配置的電刷個數較多，就需優化電刷的布置空間，并充分考慮通風冷卻的需求。表5為典型的定速發電電動機與交流勵磁發電電動機集電系統主要參數比較[3]。

表5 定速發電電動機與交流勵磁發電電動機 集電系統主要參數Table 5 Main parameters of the collecting system of constant speed motor-generator and AC excitation motor-generator

集電環應能承受帶轉差頻率的最大的轉子電流，在啟停過程中，集電環應能承受50～60Hz的電流。由于VSI輸出的高頻電流，每相電流均應由一對相同集電環分開傳輸。勵磁引線的截面積比正常要求的截面至少大30%，以滿足最大轉子電流的要求。勵磁引線當經過特殊設計以便保證通風不好的軸內鏜孔處溫度在極限值之內。

對于大型交流勵磁發電電動機，由于集電系統碳刷的電氣和機械損耗可達幾十千瓦，可采用外加冷卻器或是自循環冷卻方式。對于自循環冷卻方式，在集電環支架設置有徑向筋板，轉動的筋板形成徑向風扇產生冷風冷卻集電環和電刷，強迫空氣將電刷與集電環之間的電氣損耗和摩擦損耗帶出，同時減少碳刷磨損堆積在集電環表面的碳粉。由于筋板葉片的風扇作用，可以保證集電裝置能夠承載高電壓大電流的要求。同時應采用碳粉收集裝置，防止碳粉出現在集電環室。

6 結語

變速抽水蓄能發電電動機的設計，與常規定速抽水蓄能發電電動機設計相比，存在一定的差異，由于大功率變頻器的使用，電機中的諧波情況非常復雜。采用全功率變頻器的發電電動機設計與定速發電電動機基本相同。采用交流勵磁的發電電動機，轉子結構形式和集電系統是設計過程中應考慮的重點問題，除此之外，其余定速發電電動機的設計技術都可直接用于交流勵磁變速發電電動機的設計。隨著我國能源結構調整，有著更強調節能力、更快調節速度的變速抽水蓄能機組，必將成為新一代抽水蓄能電站的重要組成部分。