浅谈变频交流励磁抽水蓄能机组的意义

喻 冉

（河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北省丰宁满族自治县 068350）

浅谈变频交流励磁抽水蓄能机组的意义

喻 冉

（河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北省丰宁满族自治县 068350）

面对水头的变化，传统机组运用复杂的机械系统调节流量稳定转速，变频机组通过改变励磁频率来适应各种水头的变化。变频机组能够长时间连续高效运行，对电网的调节作用更为突出。

变频机组；高效运行；调节

0 引言

随着经济和电网结构的发展，电网对抽水蓄能电站灵活性的要求更高，变频机组不仅具有更高的灵活性，而且能够提高水能利用效率。从国外已投运的变速机组运行情况可以看出，变频机组对电力系统的运行的经济性和稳定性起了非常重要的作用。并且同一电站或区域已投运的变频机组的调用率远高于传统机组，变频机组在多方面的优越性能、为电网提供的优质电能和为运营方创造的效益方面也都远超过传统机组。

1 现有传统机组

水轮机发电的原理是当水流通过水轮机后，水流的动能和势能转化为机组旋转的机械能，发电机转子旋转后产生旋转的磁场，发电机定子处于旋转的磁场中，切割磁感线发出电能。

发电机转子转速为：

式中：n——水轮发电机组转速，r/min；

f——发电机频率，Hz；

p——发电机磁极对数。

由于发电机出厂后磁极对数p已固定，传统机组是由恒定直流励磁，发出50Hz交流电并网。故由式（1）可知，发电频率f确定后，转速n恒定，所以机组必须以额定转速运行。

水轮发电机组转动部分可描述为绕固定轴旋转的刚体运动，其运动方程为：

式中：J——机组转动部分转动惯量；

ω——机组角速度，1/s；

Mt——水轮机的主动力矩，kN·m；

Mg——发电机阻力矩，kN·m。

为了维持发电机组发电频率保持不变，必须维持机组的转速及角速度为常数，即由式（2）得出：

式（3）说明水轮机主动力矩等于发电机阻力矩是维持水轮发电机组转速或频率恒定的必要条件，故水轮机主动力矩必须跟随发电机阻力矩变化而变化。水轮机主动力矩由水流作用于转轮叶片而产生，水轮机主动力矩可由式（4）表示。

式中：P——机组出力，kW；

γ——水的容重，kN/m3；

Q——水轮机的流量，m3/s；

H——水轮机工作水头，m；

η——水轮机的效率。

由式（4）可知，调节水轮机的流量可以改变水轮机的主动力矩，同时，当水头改变而主动力矩不变时也可由调节水轮机流量达到。而水轮机流量可通过改变导叶开度来实现，这就是传统机组应对水头或者负载等变化的方法。

2 变频交流励磁机组

变频交流励磁机组的转子由交流变频装置进行励磁，通过给转子通可变的低频三相交流电对发电电动机进行励磁。变频发电电动机属于双馈异步电机，转子侧、定子侧都要与电网进行功率交换和能量传递。

由于给转子进行三相交流励磁，故励磁电流产生了相对于转子的旋转磁场，此时，定子处于因交流励磁电流和转子转动产生的叠加磁场中。

设某一时刻转子转速为n1，转子转动产生的磁场为B1，转子通以频率为f2三相交流电进行励磁，产生的旋转磁场B2相对转子的速度为n2，则定子处于B1、B2的叠加磁场中，则叠加磁场相对于定子的速度为n1+n2。

由于运行工况的变化，转子转速n1改变，这时通过改变n2来保持作用于定子的磁场转速恒定。n2是由频率为f2的三相交流电产生的励磁，故可以通过控制交流励磁变频装置改变频率f2来保证定子并网频率恒定。也就是说，当转子转速在一定范围内变化时，仍然可以运行。

假如机组在设计水头Hp和设计流量Qp下转速为额定转速np。随着水头H的变化，改变转子转速并实现：

则：这说明当水头变化时，可通过控制转速使机组的单位转速n11保持恒定。

随着流量Q的变化，同样可以改变转速并实现：

则：这说明当流量变化时，可通过控制转速使机组的单位流量Q11保持恒定。

由于转轮综合特性曲线横轴为单位流量Q11，纵轴为单位转速n11，故当运行工况（水头、流量）变化时，可以通过改变机组转速使其运行工况与设计工况保持非常相近，维持高效运行。

3 变频交流励磁机组的意义

3.1 并网时间大幅缩短

传统机组当转速达到额定转速的90%时才通励磁，当转速达到额定转速附近启动准合同期装置并网，整个过程需3min左右。在水泵工况下，启动时为避免对电网系统的冲击，传统机组采用通过静止启动变频器来拖动，当转速达到额定转速附近时由电网拖动整个过程需要8min左右。

而变频交流励磁机组由于可以发出B2来补偿机组的转速，故变频机组可以在转速距离额定转速更远的时刻接入电网，而且变频器可通过调整相位、电压从而实现更快速并网。在水泵工况下，可利用励磁装置自我启动，不需要传统的静止启动变频器来拖动，转子端加变频器的励磁电流，当刚刚启动时，使电压和频率从零开始逐渐上升，来加速发电电动机。

因而，可以更快地跟踪负荷，提高机组的快速响应能力。在非常短的时间内对有功功率和无功功率进行调整，进行电压和频率控制，起到稳定系统、提高电能质量的作用。

3.2 水泵水轮机在电网中更好的调节负荷

水流功率公式：

流量计算公式：

式中：v——流速；

F——流面面积。

水轮机基本方程式：

由以上三式得出功率与转速的三次方成正比，转速的较小变化就会引起输入功率很大的变化，这样通过改变转速来调整输入或输出功率，可以对电网进行连续地削峰填谷和调频调节，抽水蓄能机组的调节范围大大加强。

同时，变频机组可以适应更宽的水头和扬程变化，扩大了运行范围，水泵水轮机需要的最小淹没深度减小，从而增加水库的调节库容，提高水能的利用率，增加蓄能电站的连续利用小时数和利用率。

3.3 使水泵水轮机具有更高的效率

由于传统机组只能在额定转速附近运行，而工况在时刻变化，这就需要调整导叶开度改变流量大小，达到稳定转速的效果，这个过程中水头损失很大。而变频交流励磁机组高水头高转速，低水头低转速，可以通过调节转速使运行工况与额定工况非常接近，在各水头下均能维持高效运行。

在水头改变时，传统机组通过复杂系统作用于一系列机械装置达到稳定转速的目标，变频机组通过变频器改变励磁频率的大小来维持机组在高效区运行，这样调节的可靠性、速动性、灵敏性大大提高。

3.4 优化机组的运行工况

由于机组通过变速运行，可以始终处于最优工况下运行，其稳定性好，有效改善压力脉动和空化性能，气蚀、振动、噪声大大减轻，延长了机组使用寿命，减少维护费用。

4 变频机组的技术难点

从20世纪60年代开始，国外水电行业就开始了变频机组研究及试验工作，其中日本是应用连续变频交流励磁蓄能机组最早、最多的国家，从发达国家的产品研发和电源建设来看，变频蓄能机组各项技术已发展成熟。我国通过技术引进和研制，也开展过变频机组的生产应用，目前国内仅有4座电站应用了小容量变频机组，由于容量偏小，设备技术老化，基本按传统机组运行，其在电网中起到的作用也比较有限。

为提高电能质量而建设的大容量、可连续变速的机组及其配套的变频设备在国内电网中还没有引进技术建设的工程实例，大型主机制造厂目前仍处于关键技术（如隐极发电电动机转子等）的研发阶段。目前欠缺的还有交流励磁系统技术、针对变频蓄能机组的控制技术等，同时与变速发电电动机配套使用的水泵水轮机技术及其性能的优化也还有待于结合具体工程进行更深入地对比和研究。此外，关于变速蓄能机组的规划选点方法和规范、工程技术经济分析方法等也缺少相应的经验和技术标准。

变频机组的调速器功能与传统机组区别不大，控制导叶开度来调节转速，变频机组励磁系统通过控制励磁电压的大小、频率和相位来调节机组运行转速，二者都能实现调速功能。这就需要设置调速调节的协调控制器，控制器则根据工况决定最优运行转速。

传统机组的继保系统已经成熟，但变速运行时，由于运行系统性能的变化以及变频器保护配合的要求，使得发电机的一些正常保护，如失磁保护、低频率保护等不能投入使用，这样造成机组的保护不完善，因此需要研发与变频机组配套的继保系统。传统的自动控制设备和测试仪表皆用于恒定频率发电设备。由于变频机组新的运行特点，这就要增加新的设备，来配合变速运行，也使系统更为复杂。现需新增对变频器的闭环控制系统，这无疑增加了费用成本。

[1] 郑源，陈德新.水轮机.北京：中国水利水电出版社，2011.

[2] 程远楚，张江滨.水轮机自动调节.北京：中国水利水电出版社，2010.

[3] 阎治安，崔新艺，苏少平.电机学（第二版）.西安：西安交通大学出版社，2006.

喻 冉（1988—）男，主要从事项目前期管理、水电站机电设备选型安装。

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