采用双馈电机的抽水蓄能机组技术概述

2021-09-07姜树德梁国才

水电与抽水蓄能 2021年4期

姜树德，梁国才，王纯

（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

抽水蓄能电站在电网的调峰、填谷、调频和事故备用方面，发挥着越来越重要的作用。当前我国的抽水蓄能电站，几乎都采用固定转速的可逆机组，由于机组转速不可调节，固定转速、机组的调节功能和运行范围都受到了限制。20世纪90年代出现的采用双馈电机的抽水蓄能机组为消除这些缺点开辟了一条新路[1]。

1 固定转速抽水蓄能机组的局限性

可逆式水泵水轮机和同步发电电动机组成的二机式机组，是当前国内外抽水蓄能机组的主要机型。可逆式发电电动机是同步电机，其转速为固定的同步转速，由磁极对数和电网频率确定。采用固定转速机组的抽水蓄能电站的接线如图1所示。电机转子绕组通过接于主变压器低压侧的励磁变压器和整流器，获得直流励磁电源。这种机组的接线与常规水电机组的接线十分相似，只是增加了换相开关和变频起动装置（见图1）。

图1 采用固定转速机组的抽水蓄能电站的接线Figure 1 Scheme of pumped-storage power plant with fixed speed units

固定转速机组的抽水蓄能电站至少有两个难以克服的缺点：

（1）水轮机工况和水泵工况的效率优化不可兼顾。

可逆式水泵水轮机一身二任，既要作为水轮机运行，又要作为水泵运行。这就给水泵水轮机的设计和制造出了一道难题，因为一台高效的水轮机不可能同时又是一台高效的水泵，解决办法是只保证一种工况的效率最优。考虑到机组作为水泵运行的累加时间高于作为水轮机运行的累加时间，所以通常是保证水泵工况效率最优，舍弃水轮机工况的部分效率。图2 显示了在某一特定水头下，机组作为水轮机和水泵运行时各自的效率曲线，同步转速对应的水泵效率为最优，对应的水轮机效率则非最优。

图2 固定转速抽水蓄能机组的效率曲线Figure 2 Efficiency curve of fixed speed pumped-storage unit

（2）水泵工况下不能灵活调节有功功率。

机组作为水泵运行时，从电网吸收有功功率。增加或减少吸收的功率，可以参与调节电网的频率。机组从电网吸收的功率，取决于扬程、转速和导叶开度。水泵工况下的导叶开度实际上是不可调的，因为调节导叶开度会引起附加损耗和振动。结果是机组只能通过整机投退来调节吸收的功率，缺少精细调节的能力。图3显示了固定转速机组在抽水运行时，只能吸收固定的有功功率，只有扬程变化时才能被动地改变吸收的功率。

图3 固定转速机组抽水运行时的吸收功率Figure 3 Absorbed power of fixed speed unit in pump mode

2 双馈电机的特点

首先回顾一下我们熟悉的同步电机的特点。同步电机的定子布置有分布式三相电枢绕组，转子则布置有直流电源供电的磁场绕组。电机运行时，定子的三相绕组产生以同步转速ns旋转的磁场，转子也以同步转速ns作机械旋转，两个同步旋转磁场在气隙合成，见图4。同步转速是由电网频率和转子磁极对数决定的，不可调节，所以同步电机是一种固定转速的电机。为了简化分析，本文以一对磁极的同步电机为例。

图4 同步电机定子、转子磁场转速Figure 4 Stator and rotor field speeds of synchronous machine

双馈电机是定子绕组和转子绕组都由交流电源供电的电机。抽水蓄能电站的双馈电机的定子绕组与同步电机没有差异，不同点在于其转子绕组是三相分布绕组。从结构上看，双馈电机与绕线式异步电机十分相似，唯一的不同是绕线式异步电机的转子三相绕组是短路的，而双馈电机的转子绕组则由变流器经由电刷与滑环供给频率可调的三相交流电源。电机运行时，定子绕组和转子绕组产生转速分别为ns和ne的旋转磁场，ns和ne分别与电力系统频率和变流器输出电压的频率成正比。由于转子本体还在以机械转速n转动，所以呈现在气隙中的转子旋转磁场的转速是其机械转速与电磁旋转磁场转速的叠加，叠加后的转速等于同步转速，见图5。

图5 双馈电机的定子、转子磁场转速Figure 5 Stator and rotor field speeds of doubly-fed machine

式中：ns——定子旋转磁场的转速（r/min），即同步转速；

n——转子的转速（r/min）；

ne——转子电磁旋转磁场相对于转子的转速（r/min），ne=S×ns。

n=ns，转子机械转速等于同步转速，机组运行在同步状态。

n>ns，转子机械转速大于同步转速，机组运行在超同步状态。

转子的电磁旋转磁场可以与转子的旋转方向相同，也可以与之相反。改变转子电磁旋转磁场的方向和大小，可以保证转子的合成旋转磁场与定子旋转磁场保持同步。控制为转子绕组供电的可控变流器，改变其输出电压的相序、频率和幅值，便可调整电磁旋转磁场的方向和转速[3]。

双馈电机与电力系统之间不仅通过定子交换有功功率，转子和变流器也是有功功率的交换渠道。改变转子的转速，使机组运行在次同步或超同步状态，便可改变有功功率的方向，详见表1。经由转子交换功率的大小与转差率成正比[7]。

表1 双馈电机转子与电力系统的有功功率交换Table 1 Active power exchange between rotor of doubly-fed machine and power system

因为转子转速可以高于同步转速或低于同步转速，与其同轴的水泵水轮机也就摆脱了固定转速的束缚，选择更加合理高效的转速运行。双馈电机转子转速偏离同步转速的范围，一般不超过±8%。采用双馈电机的抽水蓄能电站的接线如图6所示。

图6 采用双馈电机的抽水蓄能电站的接线Figure 6 Scheme of pumped-storage power plant with doubly-fed units

在很多资料中，双馈电机被称为双馈感应电机（doublyfed induction machine，DFIM）。根据 GB/T 2900.25/ IEC 60050-411的定义，感应电机是“仅一套绕组连接电源的异步机”，所以感应电机不可能是双馈的。用于抽水蓄能电站的变速电机，符合GB/T 2900.25/IEC 60050-411中对于双馈电机的定义，称其为双馈电机或双馈异步电机才是正确的。

3 双馈电机的励磁电源[10]

双馈电机的励磁电源必须是频率、幅值和相位可调、相序可变的三相交流电源，属于静止变频器的范畴。但是，我们熟悉的为常规抽水蓄能机组水泵工况提供启动电源的静止变频器（SFC）却不能作为双馈电机的励磁电源，因为这类SFC的输出变流器，是负荷换相逆变器（load commutated inverter），正常运行时的各桥臂功率元件（晶闸管）的轮换导通，即换相，是依赖负荷的反电势来实现的。双馈电机的转子绕组不能提供这样的反电势，而且晶闸管只可控制导通，不可控制关断，不适于作为双馈电机转子绕组电源的电力电子元件。

为双馈电机转子绕组供电的变流器，采用电压源型变流器，由网侧变流器、直流环节、机侧变流器三个主要环节构成。变流器采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）、注入增强栅极晶体管（IEGT）或集成门极换流晶闸管（IGCT）等导通和关断均可控的电力电子元件实现整流和逆变[4]。

图7为IGBT和 IEGT的符号。当VCE为正方向时，如果在栅极（亦称门极）施加控制电压VGE，则元件导通，电流自集电极流向发射极。如果电压VGE消失，则元件关断，流经元件的电流变为零。

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

采用脉宽调制（PWM）技术，这类元件可以构成灵活控制的整流和逆变电路。对于整流电路，通过调整触发脉冲的频率及宽度，可以改变其输出直流电压的幅值。对于逆变电路，通过控制触发脉冲的频率及宽度，可以改变逆变电路输出的交流电压的频率和幅值；对于三相逆变电路，通过改变元件的导通顺序可改变输出电压的相序。输出电压为正弦波的脉宽调制称为正弦脉宽调制（SPWM）。图8显示了正弦脉宽调制电路的触发脉冲及输出电压的基波部分，触发脉冲的宽度对应正弦波形的幅值。图8仅为示意，显然增加触发脉冲的数量，有助于减少谐波、改善波形。但是受元件固有开关时间和通断损耗的限制，功率元件的允许开关频率，亦即单位时间内触发脉冲的数量，实际上是有限度的。

图8 正弦脉宽调制电路的触发脉冲及输出电压的基波Figure 8 Triggering pulse and fundamental component of output voltage of SPWM circuit

图9是一个4路并联的交－直－交变流器的接线。除了网侧变流器、直流环节和机侧变流器外，跨接器也是一项重要设备，它是由晶闸管等元件组成的过电压保护装置，当转子出现过电压时，晶闸管将被触发导通，以抑制过电压。

图9 双馈电机与变流器的接线Figure 9 Scheme of doubly-fed machine and converters

4 磁场导向控制

变流器采用数字式控制器控制，控制策略为“磁场导向控制”。控制器采集定子电压和电流、转子电流、变流器电流、直流电压，并利用这些参数进行计算，实现如下功能：

（1）调节定子电压和相角，亦即调整电机的有功功率和无功功率。

（2）调整转子绕组电流的频率，以保证转子绕组呈现在气隙的合成磁场以同步转速旋转。

（3）调整变流器电网侧的有功功率和无功功率。

依靠机组及变流器的准确数字模型和磁场导向控制提供的前馈计算，控制器可以预测定子所需的有功功率和无功功率，从而确定为获得上述功率，应该提供的转子电流的幅值和相位。

与同步电机的励磁调节器相比，磁场导向控制器的反应速度要快很多，从而能够更好地保证机组和电力系统的稳定。

5 采用双馈电机的抽水蓄能机组启动

与固定转速的抽水蓄能机组一样，采用双馈电机的抽水蓄能机组作为水泵运行时，面临启动问题。与同步电机不同的是，双馈电机不需另设专用于启动的SFC，利用为转子提供励磁电源的变流器，就可以解决这一问题。

以下介绍的是利用变流器启动双馈电机的一种方案的步骤：

（1）分断发电机出口断路器（见图9中的GCB），将定子绕组出口经短路开关（见图9中的QS）短路，在转子绕组通过变流器施加三相交流电压，电压和频率逐渐升高。

此时的电机相当于一台反装的绕线式异步电机，三相交流电源加在转子绕组上，并在气隙产生旋转磁场，在定子绕组感应出三相电流。定子的通电导体在转子旋转磁场中受到驱动力矩，但定子不可能运动，在定子的反作用力矩驱动下，转子开始加速。

（2）变流器的输出电压达到额定值后维持不变，转子加速到预定转速。

（3）闭锁变流器的输出，打开定子出口的短路开关，此时机组类似于一台两侧开路的变压器，绕组无电流、无电压，铁芯内无磁通。转子在阻力矩的作用下开始减速。

（4）重新由变流器为转子绕组供电，电源频率为fre=50-frm（Hz），frm是转子的当前机械转速对应的频率。

（5）调整变流器的输出，使定子电压的频率、幅值与相位与电网相匹配，选择适当时机合上GCB，机组进入双馈运行状态，打开球阀，调整输入功率，机组开始抽水。

6 双馈电机的短路电流[5]

双馈电机的转子结构完全不同于常规的同步电机，其转子没有阻尼绕组，所以不存在直轴超瞬态电抗x″d和直轴超瞬态短路时间常数T″d等参数，因而不能套用同步电机的短路电流计算方法（例如IEC 60909推荐的计算方法）来计算双馈电机的短路电流。在缺乏统一标准的情况下，各工程涉及双馈电机的短路电流计算方法也不完全一致。

从若干工程的计算结果来看，双馈电机机端短路电流的初始值和稳态值，都低于同步电机的相应值。

7 采用双馈电机带来的效益[2][8][9]

7.1 水泵工况下可以灵活调节吸收的有功功率

如前所述，固定转速的同步电机，运行在水泵工况时，只能通过整机投退来调节吸收的有功功率，缺少精细调节的能力。采用双馈电机后，机组转速可以偏离同步转速，在一定范围内变化，机组从电网吸收的有功功率，也将随之变化。双馈电机的这一特点，增强了蓄能电站调节电力系统频率的能力，减少了机组的启停次数。图10显示了水泵工况下，机组吸收的有功功率随转速的变化。