變速恒頻發電機系統在長距離壓力管道水電站上的應用

張龍龍，張開學，唐祥龍，周潤生，劉長垠

(1.焦作市引沁灌區管理局，河南 濟源 459000；2.湖南山立水電設備制造有限公司，湖南 邵陽 422700；3.河南水利與環境職業學院，河南 鄭州 450008)

1 孟州市田丈水電站基本概況

1.1 水電站建設的背景

孟州市田丈水電站位于孟州市西環水系西岸。孟州市地處河南省西北部，北與濟源市、沁陽市毗鄰，南以黃河為界，同洛陽市、孟津縣、鄭州、鞏義市隔黃河相望，東與溫縣相鄰，西跟洛陽市吉利區接壤。

孟州市產業優勢明顯，形成了交通運輸裝備制造、毛皮加工、生物化工三大主導產業。多年連續躋身“全國最具投資潛力中小城市百強”，連續榮獲“中國中小城市區域帶動能力百強”。

隨著孟州市經濟和社會發展，城區人口增多和城區框架不斷拉大，孟州市提出了“提升水環境，打造水經濟”的規劃，對市區內防洪河道、排澇河道和供水河道進行了統一規劃，建設孟州市生態水系工程，打造“水清、樹綠、天藍”的生態環境，形成“五源匯一環、九湖四濕地”的城鄉循環生態水系。

孟州市生態水系從引沁灌區總干渠末端槐樹口引水，鋪設7.20 km管道，管徑DN1200，自然落差126.83 m，設計引水流量6 m3/s。引水工程2019年8月份建成通水，正常引水流量1～4 m3/s，引水管道建成后出口消能問題凸顯出來，管道末端安裝的消能設備故障率較高，影響正常供水。因此，建設水電站消能發電的設想提到議事日程。

1.2 田丈水電站水能基本情況

1.2.1 引水流量

引沁灌區向孟州水系供水工程主要是利用汛期和非灌溉期供水。年供水3 500萬m3，設計供水能力為6 m3/s，正常供水流量為1～4 m3/s，年供水時間120 d。

1.2.2 自然落差

引水管道起點為引沁總干渠槐樹口，止于孟州市田丈村西，環城水系西段，長7.20 km。起點水面高程為252.01 m，調節池水面高程251.83 m，西環水系設計水面高程125.00 m。因此，引水管道水面自然落差為126.83 m。

1.2.3 水能估算

引水管道7.20 km，其中：鋼筋混凝土涵管200 m，球墨鑄鐵管道7 000 m。局部損失按沿程損失的15%估算。

凈水頭=自然落差-不同流量總水頭損失

N=9.81×Q×H凈×ηT×ηG

(1)

式(1)中：自然落差—126.83 m；N—水電站水能；ηT—水輪機效率；ηG—電站發電機效率)。

計算結果：引水流量為3 m3/s時，最大裝機容量N=1 775 kW，初擬裝機容量為2 000 kW。

1.2.4 主要機電設備選擇

由于該水電站流量和水頭變幅較大，機組選擇應選與此適應水頭范圍大的機型，由于是長距離管道水擊影響大，水機選擇轉速不宜太高，初選750 r/s，初步擬定1臺2 000 kW機組，設計流量3 m3/s，水頭78.91 m，經方案比較采用HLA956a-WJ-80水輪機。配套SFW2000-8/1730發電機。經計算得到不同引水流量運行狀態。

從計算結果看出，該機組只有在2.50～3.00 m3/s時在高效區，3.50 m3/s時棄水0.90 m3/s，4.00 m3/s時棄水約2.40 m3/s。而引水工程正常引水在1.00～4.00 m3/s范圍較多，又經與其他多種機型比選大多都在此范圍內。在此背景下，經多方考察咨詢，發現湖南山立水電設備制造有限公司研發的變速恒頻發電機系統是解決這一問題的最好途徑，是國內首創產品。

2 變速恒頻發電機系統基本情況

2.1 變速恒頻水輪發電機組的運行原理

變速恒頻水輪發電機組是一種新型的水力發電設備，采用變速恒頻技術，通過功率變換器，實現和水輪機調節系統的協調控制，使機組在不同的水頭、不同的導葉開度和不同出力下始終運行于最優轉速，從而實現水輪機始終運行于高效率區。

對于水頭變化較大的電站，當電站水頭升高或降低時，水輪機的轉速會隨之發生變化；對于水頭變化不大的電站，在枯水期或半枯水期，發電機出力不在額定值，水輪機的單元流量會偏離最優單元流量，水輪機的轉速也會相應發生改變。傳統的直流勵磁發電機的轉速是剛性的，水輪機始終運行在額定轉速，這樣水輪機就會偏離最優工況區，效率下降。而變速恒頻發電機組可以在恒頻、恒壓下實現無級調速，從而使發電機和水輪機的聯接成為柔性，保證發電機始終隨著水輪機的轉速改變而改變，整個機組始終運行在最佳工況下，大幅度提高機組的運行效率。

經理論計算及實踐證明，在各種不同的水力條件下，水輪發電機組整體效率可提高10%～40%，在同樣的水源情況下平均年發電量混流式機組可以提高10%～20%，軸流式機組可以提高20%～40%。

該機組屬國內首創，填補國內空白。

2.2 變速恒頻水輪發電機組的核心技術

中小型變速恒頻水輪發電機系統，采用核心的能量轉換系統，針對不同能量和電壓等級靈活選取兩電平交直交、三電平交直交和模塊化多電平變流方式，采用空間矢量調制、載波移相正弦脈寬調制和最近電平逼近調制等多種調制方式，實現了變轉速、寬電壓、寬功率范圍的恒頻發電，這種特性非常適合于與水輪機匹配。

利用發電機全局效率最優化設計方式，突破了發電機參數與寬轉速、變功率工況優化匹配的關鍵技術，建立基于直流母線電壓、變流器開關頻率、矢量控制策略的變速恒頻水力發電系統一體化設計模型，提出了發電機在不同轉速、不同電壓時平均效率優化設計方案，突破了發電機基于額定點設計方法的局限，解決了轉速、功率大范圍變化下全局效率優化設計難題，與傳統方法相比，發電機效率提高3%～5%。

2.3 變速恒頻水輪發電機組的經濟及社會效益

①采用變速恒頻發電系統，大大提高機組的效率，廣泛的節約水資源。②采用變速恒頻發電系統，能夠實現變速運行，水輪機始終運行在最優工況區，有效降低水輪機的氣蝕、磨損和振動，延長水輪機的使用壽命。③采用變速恒頻發電系統，由于取消了常規水輪發電機組的集電環和電刷，降低了水輪機組的日常維護費用，消除了碳粉塵對電機絕緣的影響，提高了電機的使用壽命。④采用變速恒頻發電系統，利用高電能質量并網技術，顯著提高了并網功率控制精度和發電調度響應速度，有效提升了網-機互聯無功動態協調和并網電壓高穩定支撐水平，有力保障了并網變流器的經濟高效與安全穩定運行。⑤采用變速恒頻發電系統，可以在很大范圍內調節發電機的無功輸入或輸出，改善電網的功率因數，提高電網電的質量，降低線路損耗，減少無功補償裝置的投資，它吸收和發出無功功率的能力遠遠大于傳統直流勵磁發電機。

3 變速恒頻發電機系統在孟州田丈水電站的應用

3.1 機組選型情況

2019年4月和2019年11月孟州市九騰水利發電有限公司與湖南山立水電設備制造有限公司簽訂產品訂貨合同：水輪機型號為HLA956B-WJ-80，發電機型號為SFWB2000-8/1180變速恒頻機組，目前正在生產階段。變速恒頻機組是由湖南山立水電設備制造有限公司開發生產的新產品，屬國內首創。

3.2 發電機性能比較

SFWB2000-8/1180變速恒頻發電機組與SFW2000-8/1730常規機組具體參數比較如下表(見表1、表2)。

表1 SFW2000-8/1730型傳統發電機表

表2 SFWB2000-8/1180型新型發電機表

從表1、表2中可以看出，SFW2000-8/1730型號常規發電機組在1.00 m3/s和4.00 m3/s供水流量時超出模型綜合特性曲線運行范圍，只有在2.00～3.00 m3/s運行時才能正常發電，SFWB2000-8/1180變速恒頻發電機組在1.00～4.00 m3/s供水流量運行時均可發電，年多發108.40萬kW·h，超出電量33.20%。同時發電機座尺寸小，不需風冷系統，廠房尺寸較小，施工方便，土建投資小，經濟效益明顯。類似水頭變化大的水庫電站更有借鑒作用。

4 結語

隨著國家提出的2060年前實現碳中和的長期目標，國務院近期發布的《新時代的中國能源發展》白皮書也提出，推動能源供給革命，建立多元供應體系。堅持綠色發展導向，優先發展非化石能源，加快提升非化石能源在能源供應中的比重，而水電資源作為綠色清潔能源，勢必會在這場新的能源革命中發揮更大作用，而變速恒頻發電機系統的試運行成功，能夠在原有引水量不變的基礎上，改善水輪機運行條件，進一步提升水電站運行效率，為長距離管道類型水電站在發電機組選型中提供新的解決方案。