变速恒频发电机系统在长距离压力管道水电站上的应用

张龙龙，张开学，唐祥龙，周润生，刘长垠

(1.焦作市引沁灌区管理局，河南 济源 459000；2.湖南山立水电设备制造有限公司，湖南 邵阳 422700；3.河南水利与环境职业学院，河南 郑州 450008)

1 孟州市田丈水电站基本概况

1.1 水电站建设的背景

孟州市田丈水电站位于孟州市西环水系西岸。孟州市地处河南省西北部，北与济源市、沁阳市毗邻，南以黄河为界，同洛阳市、孟津县、郑州、巩义市隔黄河相望，东与温县相邻，西跟洛阳市吉利区接壤。

孟州市产业优势明显，形成了交通运输装备制造、毛皮加工、生物化工三大主导产业。多年连续跻身“全国最具投资潜力中小城市百强”，连续荣获“中国中小城市区域带动能力百强”。

随着孟州市经济和社会发展，城区人口增多和城区框架不断拉大，孟州市提出了“提升水环境，打造水经济”的规划，对市区内防洪河道、排涝河道和供水河道进行了统一规划，建设孟州市生态水系工程，打造“水清、树绿、天蓝”的生态环境，形成“五源汇一环、九湖四湿地”的城乡循环生态水系。

孟州市生态水系从引沁灌区总干渠末端槐树口引水，铺设7.20 km管道，管径DN1200，自然落差126.83 m，设计引水流量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问题凸显出来，管道末端安装的消能设备故障率较高，影响正常供水。因此，建设水电站消能发电的设想提到议事日程。

1.2 田丈水电站水能基本情况

1.2.1 引水流量

引沁灌区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3 500万m3，设计供水能力为6 m3/s，正常供水流量为1～4 m3/s，年供水时间120 d。

1.2.2 自然落差

引水管道起点为引沁总干渠槐树口，止于孟州市田丈村西，环城水系西段，长7.20 km。起点水面高程为252.01 m，调节池水面高程251.83 m，西环水系设计水面高程125.00 m。因此，引水管道水面自然落差为126.83 m。

1.2.3 水能估算

引水管道7.20 km，其中：钢筋混凝土涵管200 m，球墨铸铁管道7 000 m。局部损失按沿程损失的15%估算。

净水头=自然落差-不同流量总水头损失

N=9.81×Q×H净×ηT×ηG

(1)

式(1)中：自然落差—126.83 m；N—水电站水能；ηT—水轮机效率；ηG—电站发电机效率)。

计算结果：引水流量为3 m3/s时，最大装机容量N=1 775 kW，初拟装机容量为2 000 kW。

1.2.4 主要机电设备选择

由于该水电站流量和水头变幅较大，机组选择应选与此适应水头范围大的机型，由于是长距离管道水击影响大，水机选择转速不宜太高，初选750 r/s，初步拟定1台2 000 kW机组，设计流量3 m3/s，水头78.91 m，经方案比较采用HLA956a-WJ-80水轮机。配套SFW2000-8/1730发电机。经计算得到不同引水流量运行状态。

从计算结果看出，该机组只有在2.50～3.00 m3/s时在高效区，3.50 m3/s时弃水0.90 m3/s，4.00 m3/s时弃水约2.40 m3/s。而引水工程正常引水在1.00～4.00 m3/s范围较多，又经与其他多种机型比选大多都在此范围内。在此背景下，经多方考察咨询，发现湖南山立水电设备制造有限公司研发的变速恒频发电机系统是解决这一问题的最好途径，是国内首创产品。

2 变速恒频发电机系统基本情况

2.1 变速恒频水轮发电机组的运行原理

变速恒频水轮发电机组是一种新型的水力发电设备，采用变速恒频技术，通过功率变换器，实现和水轮机调节系统的协调控制，使机组在不同的水头、不同的导叶开度和不同出力下始终运行于最优转速，从而实现水轮机始终运行于高效率区。

对于水头变化较大的电站，当电站水头升高或降低时，水轮机的转速会随之发生变化；对于水头变化不大的电站，在枯水期或半枯水期，发电机出力不在额定值，水轮机的单元流量会偏离最优单元流量，水轮机的转速也会相应发生改变。传统的直流励磁发电机的转速是刚性的，水轮机始终运行在额定转速，这样水轮机就会偏离最优工况区，效率下降。而变速恒频发电机组可以在恒频、恒压下实现无级调速，从而使发电机和水轮机的联接成为柔性，保证发电机始终随着水轮机的转速改变而改变，整个机组始终运行在最佳工况下，大幅度提高机组的运行效率。

经理论计算及实践证明，在各种不同的水力条件下，水轮发电机组整体效率可提高10%～40%，在同样的水源情况下平均年发电量混流式机组可以提高10%～20%，轴流式机组可以提高20%～40%。

该机组属国内首创，填补国内空白。

2.2 变速恒频水轮发电机组的核心技术

中小型变速恒频水轮发电机系统，采用核心的能量转换系统，针对不同能量和电压等级灵活选取两电平交直交、三电平交直交和模块化多电平变流方式，采用空间矢量调制、载波移相正弦脉宽调制和最近电平逼近调制等多种调制方式，实现了变转速、宽电压、宽功率范围的恒频发电，这种特性非常适合于与水轮机匹配。

利用发电机全局效率最优化设计方式，突破了发电机参数与宽转速、变功率工况优化匹配的关键技术，建立基于直流母线电压、变流器开关频率、矢量控制策略的变速恒频水力发电系统一体化设计模型，提出了发电机在不同转速、不同电压时平均效率优化设计方案，突破了发电机基于额定点设计方法的局限，解决了转速、功率大范围变化下全局效率优化设计难题，与传统方法相比，发电机效率提高3%～5%。

2.3 变速恒频水轮发电机组的经济及社会效益

①采用变速恒频发电系统，大大提高机组的效率，广泛的节约水资源。②采用变速恒频发电系统，能够实现变速运行，水轮机始终运行在最优工况区，有效降低水轮机的气蚀、磨损和振动，延长水轮机的使用寿命。③采用变速恒频发电系统，由于取消了常规水轮发电机组的集电环和电刷，降低了水轮机组的日常维护费用，消除了碳粉尘对电机绝缘的影响，提高了电机的使用寿命。④采用变速恒频发电系统，利用高电能质量并网技术，显著提高了并网功率控制精度和发电调度响应速度，有效提升了网-机互联无功动态协调和并网电压高稳定支撑水平，有力保障了并网变流器的经济高效与安全稳定运行。⑤采用变速恒频发电系统，可以在很大范围内调节发电机的无功输入或输出，改善电网的功率因数，提高电网电的质量，降低线路损耗，减少无功补偿装置的投资，它吸收和发出无功功率的能力远远大于传统直流励磁发电机。

3 变速恒频发电机系统在孟州田丈水电站的应用

3.1 机组选型情况

2019年4月和2019年11月孟州市九腾水利发电有限公司与湖南山立水电设备制造有限公司签订产品订货合同：水轮机型号为HLA956B-WJ-80，发电机型号为SFWB2000-8/1180变速恒频机组，目前正在生产阶段。变速恒频机组是由湖南山立水电设备制造有限公司开发生产的新产品，属国内首创。

3.2 发电机性能比较

SFWB2000-8/1180变速恒频发电机组与SFW2000-8/1730常规机组具体参数比较如下表(见表1、表2)。

表1 SFW2000-8/1730型传统发电机表

表2 SFWB2000-8/1180型新型发电机表

从表1、表2中可以看出，SFW2000-8/1730型号常规发电机组在1.00 m3/s和4.00 m3/s供水流量时超出模型综合特性曲线运行范围，只有在2.00～3.00 m3/s运行时才能正常发电，SFWB2000-8/1180变速恒频发电机组在1.00～4.00 m3/s供水流量运行时均可发电，年多发108.40万kW·h，超出电量33.20%。同时发电机座尺寸小，不需风冷系统，厂房尺寸较小，施工方便，土建投资小，经济效益明显。类似水头变化大的水库电站更有借鉴作用。

4 结语

随着国家提出的2060年前实现碳中和的长期目标，国务院近期发布的《新时代的中国能源发展》白皮书也提出，推动能源供给革命，建立多元供应体系。坚持绿色发展导向，优先发展非化石能源，加快提升非化石能源在能源供应中的比重，而水电资源作为绿色清洁能源，势必会在这场新的能源革命中发挥更大作用，而变速恒频发电机系统的试运行成功，能够在原有引水量不变的基础上，改善水轮机运行条件，进一步提升水电站运行效率，为长距离管道类型水电站在发电机组选型中提供新的解决方案。