河北丰宁抽水蓄能电站交流励磁变速机组工程设计与认识

费万堂，衣传宝，杨 梅，梁国才，陈 磊，张昊晟

（1.河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761；3.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

为了促进节能减排，作为高比例消纳风电、光伏等清洁能源的有效手段之一，交流励磁变速抽水蓄能机组以其相比定速机组更优越的调节性能在日本、德国、斯洛文尼亚、瑞士、葡萄牙、法国、印度等国家的电网中得到了建设和应用，河北丰宁抽水蓄能电站两台变速机组也成为中国首次建设的大型交流励磁变速抽水蓄能机组。国际上各主机供货商也先后大力投入研发并推动技术进步。

然而从目前国际形势看，交流励磁变速蓄能机组技术还未得到广泛的工程应用和经验总结，各主要供货商虽然都积累了一定的设计制造经验，但各家技术各有优缺点，某些关键技术问题还未取得统一的认识。因此，交流励磁变速蓄能机组技术在国际上还有待形成更可靠、更成熟、更系统、更完善的设计、制造、试验、安装、调试、运行和维护体系。

河北丰宁抽水蓄能电站建设方自两台交流励磁变速机组的前期论证阶段就关注了以上问题，也对中国首台变速机组的建设提出了更严格的要求。目前，变速机组的合同执行和工程建设还处于中期阶段，基于丰宁抽水蓄能电站交流励磁变速机组设备的当前设计成果，需要对交流励磁变速机组的电气系统设计以及变速水泵水轮机及其附属设备、变速发电电动机及其附属设备、交流励磁设备、控制和保护设备等的关键技术问题及时总结、提出重点研究方向，以期在本工程后续建设过程中能够厘清相关关键技术问题、确保变速机组制造、安装、调试过程顺利，确保机组安全、稳定运行，并为未来同类机组的建设提供参考。

1 工程概况

河北丰宁抽水蓄能电站位于河北省承德市丰宁满族自治县境内，距北京市区的直线距离180km，距承德市的直线距离150km。丰宁抽水蓄能电站总装机容量3600MW，共装设12台单机容量300MW的可逆式蓄能机组，是目前世界上装机规模最大的抽水蓄能电站。电站分两期开发，同期建设，一、二期工程装机容量分别为1800MW。二期工程的11号、12号机组为交流励磁变速机组，其他10台机组均为定速机组。电站一期工程1号定速机组和二期工程12号变速机组分别计划于2021年和2022年投入商业运行。

电站枢纽建筑物主要由上水库、下水库、水道系统和发电厂房及开关站组成。地下主厂房总长度为414.0m，安装间位于中部，两侧分别为1号～6号主机间和1号主副厂房、7号～12号主机间和2号主副厂房。1号～6号主机间及7号～12号主机间开挖尺寸均为149.5m×25.0m×54.5（55.0）m （长×宽×高），安装场开挖尺寸为75.0m×25.0m×26.0m（长×宽×高）。主机间分五层布置，分别是发电机层、母线层、水轮机层、蜗壳层和尾水管层。主变压器洞平行布置在主厂房下游侧，与主厂房距离为40m，布置主变压器、500kV联合单元设备、电动工况起动设备等。主变压器洞开挖尺寸为450.5m×21.0m×22.5m（长×宽×高）。主厂房和主变压器洞之间布置12条母线洞。

地下厂房全景图如图1所示，厂房横剖面及纵剖面图如图2和图3所示。

图1 地下厂房全景图Figure 1 Panoramic view of the underground powerhouse

图2 地下厂房横剖面图Figure 2 Cross section of the underground powerhouse

图3 主副厂房洞纵剖面图Figure 3 Longitudinal section of the underground power house

2 丰宁抽水蓄能电站变速机组的建设背景

我国京、津及冀北电网电源以火电为主，接纳大规模区外来电，系统调峰主要由火电承担，电网调峰压力大。此外，随着地区产业结构的优化调整和风电大规模入网，电网调峰难度将进一步增加。丰宁抽水蓄能电站建设条件优越，装机容量大，具备周调节性能，不仅能提高京津及冀北电网调峰能力，还可解决电网周内负荷不均衡问题[1][2]。

为同时满足河北张家口地区大规模风电和太阳能发电的送出，“十三五”期间，国家电网有限公司建将成张北可再生能源柔性直流电网示范工程，即建设张北—康保—丰宁—北京四端柔性直流环形电网，包括张北换流站300MW、康保换流站1500MW、北京受端换流站3000MW和丰宁调节端换流站1500MW，电压等级为±500kV。丰宁抽水蓄能电站接入至丰宁换流站，可实现新能源和抽水蓄能互补，减小间歇性能源对交流电网的扰动冲击，其中11号、12号变速机组将以其优越的调节性能参与张北柔直电网示范工程的运行[3]。

3 丰宁抽水蓄能电站变速机组工程设计

由于丰宁抽水蓄能电站两台变速机组目前还处在主机合同执行和工程建设的中期阶段，仅取得了阶段性成果。本文分别对丰宁抽水蓄能电站11号、12号变速机组的基本设计做简要介绍，与定速机组相同的常规设计在此省略。

3.1 丰宁变速机组电气系统设计

丰宁两台变速机组各配置一套交流励磁装置，采用电动工况自启动方式，不再采用SFC启动或与其他机组的背靠背启动方式；且变速机组不承担电站和系统的黑启动功能，黑启动由电站其他10台定速机组承担。

3.2 变速水泵水轮机及其附属设备

丰宁变速水泵水轮机采用单级、混流、可逆式、变转速水泵水轮机。变速水泵水轮机在水轮机工况运行时，可采用降速寻优的运行方式，使运行区更加靠近高效区。在提高效率、减小压力脉动的同时，还可增大运行范围。变速机组在水泵工况运行时，可通过调节转速及调节开度的方式，实现水泵工况输入功率可调的功能。

变速水泵水轮机各主要部件，如顶盖、蜗壳、座环、底环、尾水管、导轴承及主轴密封等部件结构型式、拆装方式均与定转速机组一致。

根据以往抽水蓄能电站设计经验，蜗壳最大压力、机组最大转速、尾水管进口最低压力多发生在水轮机工况。由于变速机组水轮机工况大部分处于降速寻优运行，一方面运行转速较低，另一方面机组效率略有提高，水轮机工况发额定输出功率时的流量与定转速机组基本相同，所以变速机组过渡过程计算与定速机组基本相同（见表1）。

表1 变速水泵水轮机主要技术参数表Table 1 Main parameters of variable speed pump-turbine

3.3 变速发电电动机及其附属设备

丰宁变速发电电动机为立轴、悬式（带上、下导轴承）、三相、50Hz、空冷、可逆式、双馈感应电机。变速发电电动机主要技术参数见表2。

表2 变速发电电动机主要技术参数表Table 2 Main parameters of variable speed generator-motor

丰宁变速发电电动机转子由主轴、转子支架、转子铁心、转子线棒及端部支撑结构组成。转子线棒的上下端部均采用内外支撑环结构，固定环采用应力等级符合设计要求的特殊设计的非磁性合金材料。护环部位线棒的通风冷却采用线棒端部斜边之间安放中空的铝合金支撑件方式。转子铁心材料采用低电磁损耗、静态强度和疲劳强度满足FKM评定标准的冷轧无取向硅钢片。

综合机组自启动容量需求、交流励磁装置电压和电流等级选择、集电环和碳刷的选型、变频器施加于转子绕组的短时峰值电压等条件，转子线棒绝缘系统的电压等级选择为10kV，并参照定子线棒的目前最高要求的相关标准全部通过试验。

综合电磁设计、转子线圈端部护环结构和材料以及发电电动机尺寸等的选择，丰宁变速发电电动定子绕组采用4支路设计。

优选了碳刷和集电环的材料，并设置了通风、空气—水冷却装置及碳刷粉尘吸收的封闭循环系统。

3.4 交流励磁系统

交流励磁系统变频装置采用交—直—交电压源型中点钳位三电平变频器，功率器件采用IEGT全控型功率器件，冷却方式采用强迫水冷系统。

交流励磁电源采用4组单元并联方式运行。每组单元由励磁变压器和变频装置等组成，详见图4。机组在水泵工况启动时，通过交流励磁系统实现机组的自启动。

3.5 控制和保护系统

3.5.1 计算机监控系统

电站按“无人值班”（少人值守）方式设计，采用计算机为基础的全厂集中监控方式。网络系统采用分层分布、开放式系统，设有电厂级和现地控制单元级。两台变速机组各自设有现地控制单元实现变速机组的控制、调节和信息采集。通过对变速机组调速器和交流励磁的控制协调，实现机组发电和抽水工况的有功和无功快速的调节和最优工况运行。

3.5.2 继电保护系统

变速机组发电机定子绕组的继电保护配置与定速机组相同。变速机组转子为三相励磁绕组，其继电保护配置与同步机组的继电保护配置不同。变速机组转子保护配有转子绕组接地、过电流、过电压和频率保护。

3.6 交流励磁系统设备布置

中国常规定速机组抽水蓄能电站典型设计在地下主厂房和主变压器洞之间设置40m长母线洞，用于布置发电机电压回路设备。丰宁变速机组单元设计了母线洞双层结构，即在发电机电压回路设备层以上扩挖一层。丰宁二期变速机组交流励磁系统设备布置见图5。变速机组的交流励磁系统设备布置于双层母线洞的上层，包括变频器、冷却装置、过电压保护柜、交流励磁母线等，首末端分别连接至发电电动机和交流励磁变压器（见图5）。目前两台变速机组双层母线洞土建工程已完工。

由于丰宁抽水蓄能电站两台变速机组目前还处在主机合同执行和工程建设的中期阶段，本文仅对现阶段的部分成果进行小结，对后续类似项目的工程设计提出认识性建议和研究方向。

图4 交流励磁系统单线图Figure 4 Single line diagram of AC excitation system

图5 变速机组交流励磁系统设备布置图Figure 5 Equipment arrangement of AC excitation system

4.1 含变速抽水蓄能机组的电气接线设计

由于变速机组的交流励磁系统设备选型设计与电网需求、水泵水轮机、发电电动机的设计相关性大，且每台机组配备的交流励磁系统设备占地面积约400～500m2，对地下厂房的布置设计影响大。变速机组采用SFC起动、背靠背起动或自起动方式的电气接线设计和布置设计差异性较大，因此工程前期设计时在论证变速机组台数时应重点结合电气主接线和厂房布置设计。同时，根据经验机组转速变化范围达到±5%以上时可以考虑采用自启动方式。因此合理选择变速机组调速范围和电动工况的启动方式是电站设计的关键技术，最终根据上述综合研究结果确定采用变速机组的启动方式，完成电气接线设计。含变速抽水蓄能机组的电气接线其他方面设计与定速机组类似。

4.2 黑启动

电站接入电力系统设计时，电力系统按需求可能对抽水蓄能电站提出作为黑启动电源的要求。变速机组如要实现黑启动功能，除提供必要的机组自用电设备交流电源外，还需提供较大容量的交流电源并经整流器供电至交流励磁系统。因此工程前期设计时，对于兼有变速机组和定速机组的电站，宜由定速机组承担黑启动任务，即应理解为“黑启动电源”指电站而非指定到某一变速机组；对于全部机组是变速机组的电站，可与电力系统协商选取电网内其他电站作为黑启动电源；如果确需电站的变速机组实施黑启动，则采用只能采用引接应急交流电源并经整流器供电的方式，此方式设计复杂，在有需求的电站应结合工程设计和产品设计进行深入研究。

4.3 变速水泵水轮机及其附属设备

4.3.1 变速范围选择

变速机组转速变化范围的选择与电网的需求、空化性能、驼峰区稳定性、交流励磁容量及机组额定容量等因素有关。据统计，国外大部分已建及在建变速机组转速调节范围处于±4%～±7%，个别电站达到±10%。变速机组转速调节范围的确定，需对机组效率、稳定性、比转速水平、交流励磁系统容量及投资等方面进行了综合性的技术经济比选后，确定合理可行的转速变化范围[5]。

4.3.2 水力模型研发

变转速水泵水轮机特点及优势即在于水泵工况可根据电网需要，通过调节转速及开度，做到水泵工况输入功率可调。在此调节过程中，水力模型的空化性能、驼峰区稳定性能往往会成为水泵输入功率调节范围的限制性条件，影响机组输入功率调节能力。

往往定转速机组将S区余量及驼峰区余量的大小，作为评价定速蓄能机组稳定性能的重要指标。而变速机组具备调节转速运行的特性，机组在运行至S区附近或驼峰区附近时，可通过调节转速来使机组回到稳定区内运行，从而提高了S区及驼峰区的稳定性。此时变速机组在做水力研发时，就可按照一个相对恒定的安全余量去作为设计边界条件，来尽量扩大运行范围，提高调节能力[6]。

4.3.3 调速器

对于变速机组调速器，其机械液压部分基本与定转速机组调速器相同。电气调节部分相对要简单一些，不同设备制造商功能也不完全一样。有的设备制造商水轮机工况的电气调节功能由机组的最优控制器实现，调速器不设电气柜；有的设备制造商保留转速及开度调节功能，水泵工况采用开度调节。不同设备制造商针对不同控制策略研发的调速器均为成熟技术，只是不同设备制造商会根据自己的设计制造经验，选择不同的操作控制策略，设置不同功能的调速器。

4.3.4 辅助系统

变速机组辅助系统设计原则与定速机组设计原则基本一致，仅技术供水系统相较定速机组稍有不同。由于变速发电电动机结构不同，冷却水量有所增大。同时技术供水系统还需要向变速机组增设的交流励磁变频装置提供冷却水。

4.3.5 主厂房桥式起重机

主厂房桥式起重机在设计时需关注起吊重量及起吊高度。

由于变速机组发电电动机转子结构与定速机组转子结构不同，其起吊重量要比定速机组转子略重。厂内桥机起吊重量需适当增加。

另外各主机厂转子端部支撑形式不同，若转子端部支撑形式采用护环形式，还应考虑转子端部上护环及下护环安装时对起吊高度的要求，往往需要适当增加起吊高度，为转子上/下端部护环套装留有足够空间。

4.4 变速发电电动机及其附属设备

4.4.1 电磁设计

变速发电电动机的电磁设计应对电抗、温升、损耗、振动、波形、励磁参数、时间常数、过渡过程等参数进行综合比选，选择相对较低的电磁负荷，并留有一定的设计裕度。交流励磁系统保证机组的安全稳定运行不仅仅是正常运行工况，也包括启动、制动机组及电网故障情况，以上要求均会影响到交流励磁系统额定容量、额定电压、额定电流等的选择和设备布置，因此都需要进行复杂的仿真模拟。定子绕组型式的选择通常与定速机组相同，但对于变速机组，不同转子铁心材料和绕组端部固定结构的选择，使转子在相应直径下离心力最小成为关注点，可能很大程度影响并联支路数的选择，从而影响整个电磁设计。转子绕组型式应综合水泵水轮机的转速范围和轴功率、变频器的电压等级以及集电环和电刷的接触电流、定子绕组的型式等选取。变速发电电动机的损耗和效率计算、通风计算均需单独分析不同荷载点，并应通过有限元计算验证磁通密度以及空载和额定负载时的转子电流[7][8]。

4.4.2 转子端部支撑固定结构

转子端部支撑固定结构是交流励磁变速机组的关键部件，各国际主机制造商都至少经历了10～15年的研发、试验和优化历程。支撑固定结构的几何特性和材料应进行全面的应力计算和选择，支撑固定结构还应允许轴向热膨胀，并确保通风损耗最低。线棒应承受最小的应力并便于检查维护，原则上应能在不拆卸整个固定结构的情况下更换单根线棒，应进行支撑固定结构的静力强度和疲劳强度模型试验。对变速发电电动机还处于研发阶段的厂家，在选择转子端部支撑固定结构的体系时应兼顾不同容量和尺寸的机组，使投入研发的结构型式尽可能适应性好；建议在首台供货机组上装设转子绕组端部热膨胀量监测装置以验证设计的合理性和运行安全性。

4.4.3 转子铁心材料

转子铁心需要承受很大的应力并应减少运行损耗，因此转子铁心材料应同时具备高的机械性能和低的电磁损耗。目前国际上交流励磁变速机组的转子铁心材料有高强度钢板（厚度约1.6～2mm）和高强度硅钢片（厚度约0.5～0.65mm）两种选择。转子铁心材料的选择很大程度上影响着机组尺寸、电磁设计以至于机组性能，因此无论是制造厂还是建设方都应重点关注铁心材料的选型，如采取硅钢片还应同时关注其切割和涂漆工艺、片间的短路试验等。应严格进行静力强度计算和疲劳强度计算，并进行必要的疲劳试验，需要对转子铁心材料在低频运行工况下的损耗值进行理论计算和实测。

4.4.4 转子绕组的电气性能

转子绕组绝缘系统的电压选择需与交流励磁系统的选择计算密切配合，并在分析计算长期运行电压、变频器允许最大电压、转子绕组短时耐受过电压峰值（dU/dt）和有效值后综合选定转子绕组绝缘系统电压等级。目前国际上各厂商对转子绕组电压等级的选择原则还存在差异，后续项目设计时应予以重点关注。同时，由于国际上尚未形成转子绕组绝缘系统的耐电压试验标准，应结合转子线棒的结构设计、绝缘设计包括防晕设计等，研讨转子线棒的工厂和现场试验电压标准，特别是转子线棒绝缘的工频击穿电压。

4.4.5 高电压、大电流集电环的选型和配套系统设计

集电环的电压和电流选择与转子系统的电压、交流励磁系统电压选择密切相关。高电压、大电流的集电环设计需考虑环间增加接触面、电气距离、表面散热，解决环间的绝缘设置。应进行合理的通风冷却设计和试验，研究采用湿度控制系统的必要性，分析其可靠性和维护的便利性。当采取特殊的吸尘系统时，应进行电流分布（电刷数量多）和机械可靠性（尺寸大）的特殊设计。整个系统应进行机械、电、热和流体力学的计算以及模型试验验证，包括机械试验和电气试验，还应研究详细的装配和最终的加工方案。建议在首台供货机组上装设集电环及碳刷温度监测装置以验证设计的合理性和运行安全性。

4.5 交流励磁系统

变速机组在电网发生故障时，机组应具有故障穿越的能力，目前还没有具体技术指标要求，需结合国家电网运行要求研究变速机组对故障穿越能力的技术指标。

由于定速机组采用快速励磁调节系统，会降低电力系统的阻尼作用，导致定速机机组产生低频振荡，目前在励磁调节器上附加一个电力系统稳定器（PSS）补偿环节来解决低频振荡问题。变速机组本身具有快速响应和抑制振荡能力，如何通过在现场试验来验证变速机组抑制低频振荡等性能指标还需进一步研究[9]。

4.6 控制和保护系统

4.6.1 控制

相较于定速机组，变速机组控制量多，需对调速器和交流励磁系统的协调控制研究，提出变速机组的最优控制策略。

4.6.2 继电保护

（1）转子绕组回路电压和电流传感器由于受转子低频率运行限制，无法通过常规的电流和电压互感器准确采集转子绕组回路的电流和电压电气量给机组继电保护装置来实现转子过电流、过电压和频率保护。目前是通过交流励磁系统实现上述继电保护，需研究如何通过机组的继电保护装置实现转子绕组继电保护。

（2）由于转子是转动部件，对转子绕组的电气量采集很困难，如何实现转子绕组匝间故障的判定，目前还没有应用实例，需研究转子绕组匝间故障保护的判定方法和继电保护策略。

4.7 变流励磁系统设备布置

丰宁二期2台变速机组的交流励磁系统设备布置并未改变中国大型抽水蓄能电站典型设计地下厂房整体结构，并与变速机组一一对应形成单元化设计。相比国际上类似的已投运交流励磁变速机组工程，该布置设计有效控制了地下洞室群开挖尺寸，降低了支护难度和工程投资，布置清晰合理，便于运行维护，可为后续类似项目作为参考。

5 结束语

河北丰宁抽水蓄能电站两台变速机组为中国首次建设的大型交流励磁变速抽水蓄能机组，目前处于主机合同执行和工程建设的中期阶段。本文对丰宁抽水蓄能电站交流励磁变速机组设备的当前设计成果进行了说明，对交流励磁变速机组的电气系统设计以及水泵水轮机及其附属设备、发电电动机及其附属设备、交流励磁设备、控制和保护设备等的部分关键技术问题进行了认识性梳理，提出了阶段性的建议和研究方向，旨在为中国和国际后续变速机组的建设提供些许参考，共同推动世界交流励磁变速蓄能技术的发展。

（1）变速机组电气系统设计应综合电力系统需求（包括黑启动的要求）、调速范围、变速机组和定速机组（如有）的台数选择、起动方式、土建设计、厂房布置、运行维护、工程投资等合理确定。

（2）变速水泵水轮机应重点关注水力性能的稳定性、经济性与变速范围、功率调节能力的综合协调设计。

（3）变速发电电动机应重点关注电磁设计的综合合理性、转子铁心材料的选择、转子线圈端部支撑结构的型式和材料的选择以及维护便利性、转子绕组绝缘系统的电压等级选择和相关电气试验标准的建立、高电压大电流集电环和碳刷的运行要求和寿命等。

（4）交流励磁系统应重点关注故障穿越能力和PSS等技术指标要求和现场试验方法。

（5）控制和保护系统应重点关注变速机组的最优控制策略和转子绕组继电保护实现方案。