交流勵磁可變速抽水蓄能機組技術及其應用分析

郭海峰

（南方電網調峰調頻發電公司，廣東 廣州 510630）

交流勵磁可變速抽水蓄能機組技術及其應用分析

郭海峰

（南方電網調峰調頻發電公司，廣東 廣州 510630）

交流勵磁可變速蓄能機組是一種先進的調峰調頻電源新技術，介紹了其發展概況、基本原理及結構，闡明了其技術優勢，分析了其運行應用情況及發展趨勢，并就其技術經濟進行了比較，給出了合適的裝機容量比例。

交流勵磁；可變速；蓄能機組；技術；應用

1 可變速蓄能機組發展概述

抽水蓄能機組采用可變速電機是擴大水泵水輪機運行時水頭與楊程范圍并獲得最佳性能指標的有效途徑。可變速機組最初以分檔換極（一般分兩擋）進行變速嘗試，但因變速提高效率所獲得的經濟效益有限，又不能在水泵工況進行自動頻率控制，而在電機結構設計、制造上增加了不小難度，因此其應用受到較大限制，難以推廣。

采用交流勵磁實現的連續變速驅動是最理想的變速調節方式。近代交流勵磁研究始于1935年德國工程師Tuxen提出的雙軸勵磁思路，其后，國外電力工作者在以交流勵磁為基礎的同步電機異步化變速運行的理論上不斷完善和提升，并在常規水電機組及蓄能機組上進行了卓有成效的開發實踐，積累了不少工程經驗。隨著大功率器件與現代控制技術的發展,轉子采用三相交流勵磁的大容量蓄能機組連續可變速運行技術得到飛速發展，并逐步投入了商業應用。日本從80年代開始研究三相交流勵磁發電技術,并在飛輪蓄能與抽水蓄能電站的應用方面取得了成功。日立與關西電力公司合作,于1987年投運了世界上第一臺交流勵磁變速發電電動機（22MW）,并在1993年投運了400MW的可變速抽水蓄能電站（轉子采用4滑環三相交流勵磁），東芝與東京電力公司合作,于1990年投運了80MW的變速發電機組,并研制成功了300MW的變速機組（轉子采用6滑環三相交流勵磁），高見電站、沖繩發電站與東京電力蛇尾川電站都相繼采用了三相交流勵磁發電技術。運行表明：變速運行可以提高水輪機的運行效率,增加水泵運行工況下的自動調頻能力,并通過有功、無功的快速調節可以提高系統的穩定性。由于交流勵磁變速電機的變頻設備容量只為主電機容量的1/5左右,且具有一系列優勢,因此越來越引起重視，逐漸被業界推崇。

2 交流勵磁可變速蓄能機組技術

可變速機組的定子和常規定速機組一樣，沒有區別。兩種機組的主要差別在于轉子的結構及勵磁系統的構成。可變速機組的轉子由硅鋼片疊片形成隱極式圓筒形，轉子設有線槽，于槽中布置三相交流勵磁繞組。勵磁系統由交流變頻裝置代替了常規定速機組的普通可控硅直流整流裝置。交流變頻器將勵磁頻率變換成正負幾赫茲而形成一個可變頻率和方向的交流磁場。由于定子外界磁場頻率保持為50Hz不變，當轉子磁場相對于轉子的轉速為N2（N2=60f2/p），此時電機的實際轉速Nm=N1-N2,改變轉子頻率f2可達到變速的目的.可變速機組的原理及與定速機組結構比較示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 可變速蓄能機組理論原理示意圖

圖2 可變速與定速蓄能機組結構比較示意圖

3 交流勵磁可變速蓄能機組技術優勢

3.1 提供頻率自動控制容量

恒速抽水蓄能機組在水泵工況下不能調節輸人功率，因此在抽水時不能參與電網頻率自動控制。由于水泵輸入功率與轉速3次方成正比，轉速有少量變化，輸人功率就會大幅度改變，使抽水蓄能機組具有自動跟蹤電網頻率變化調整水泵水輪機輸人功率的功能，為電力系統提供相應的頻率自動控制容量。變速機組水泵工況輸人功率變化范圍大河內抽水蓄能電站為250MW～410MW，金谷抽水蓄能電站為168MW～289MW，鹽原抽水蓄能電站為240MW～330MW，矢木澤抽水蓄能電站為50MW～85MW。上述電站機組轉速變化范圍約±（7%～8%），其水泵工況輸人功率調整范圍可達最大輸入功率的30%～40%。日本分析統計得出，在總裝機容量11000MW的電力系統中投人800MW的變速機組后，系統頻率控制在（60±0.1）Hz范圍內的概率可從96.8%提高到99.7%，可見，變速機組對提高電網的供電質量很有效。

3.2 適應更寬水頭提高運行效率

變速機組通過改變轉速能更好地分別適應發電和抽水兩種運行工況，使水輪機和水泵的運行效率都有所提高，也可適應更寬的水頭（揚程）變幅和功率范圍。在發電工況時，與恒速蓄能機組相比，大河內抽水蓄能電站變速機組提高效率34%；矢木澤抽水蓄能電站變速機組在0MW～80MW發電運行范圍內，可提高水輪機效率3%～10%。鹽原抽水蓄能電站變速機組運行出力范圍從50%～100%，擴大到40%～100%，發電功率為額定功率的50%時，效率可提高約3%。

3.3 實現有功功率的高速調節

變速機組通過調整轉子交流勵磁電流的相位及頻率，可實現有功功率的高速（幾十ms級）調節。大河內抽水蓄能電站400MW變速機組0.2s內可改變輸出功率32MW或輸人功率80MW。當電力系統發生擾動時，它會很快吸收有功功率的變化，有利于抑制電力系統有功功率波動。

3.4 提高機組運行穩定性

變速機組通過改變轉速能較好地適應不同的運行水頭，明顯改善水泵水輪機的水力性能，減少振動、空蝕和泥沙磨損，擴大運行范圍，提高機組運行穩定性。鹽原抽水蓄能電站變速機組振動的振幅比恒速機組減少一半；矢木澤抽水蓄能電站變速機組比恒速機組運行時間多20%～30%，但水泵水輪機的空蝕和易損件的磨損量相同或更少。在合適的轉速下運行，變速機組的磨損量可減少50%。

3.5 在水泵工況下可實現自啟動

常規抽水蓄能機組常采用定子外接變頻器或背靠背啟動方式，通常將變頻啟動作為主啟動方式，背靠背作為備用方式。變頻啟動需一套專用變頻器，而背靠背啟動方式也需依靠其他機組，且不能啟動最后一臺機組，而交流勵磁變速抽水蓄能機組則能實現自啟動。在水泵工況啟動前，先通過隔離開關將定子回路短路，為了提高啟動轉矩，定子回路中串聯一個電阻。啟動原理類似于感應電動機，只是在這種情況下定子回路是短路的，轉子回路相當于感應電動機的定子。由于機組起動時，交流勵磁系統的輸出頻率逐漸變化，故能實現平滑啟動。

4 交流勵磁可變速蓄能機組應用情況

日本是應用連續可變速交流勵磁蓄能機組最早且最多的國家，占目前全世界可變速機組總容量的76.26%，其次是德國，占18.33%。

4.1 可變速機組在日本的應用情況

自20世紀90年代起，日本抽水蓄能電站的主要作用已從調峰填谷轉為電網調度管理的工具，為進一步保障電力系統安全穩定運行及提升電能質量，日本全力發展具有優越性能的交流可變速機組。整個90年代，日本建造了7臺可變速機組，裝機容量達1711.5MVA，至2010年底，日本已在7座電站安裝了10臺總容量共2746.5MVA的連續可調速交流勵磁抽水蓄能機組，其中單機容量最大的是大河內抽水蓄能電站安裝的2臺395MVA的機組。小丸川抽水蓄能電站安裝了2臺360MVA，轉速576～624r/min的變速機組，是已投運轉速最高的該類機組。擬于2017年投運的葛野川抽水蓄能電站3號和4號機組采用475MVA，轉速480～520r/min的變速機組，將是世界上容量最大的變速機組。

4.2 可變速機組在其他國家的應用情況

日本之外，可變速機組的應用集中于歐洲，且主要在德國。2004年德國金谷抽水蓄能電站投運的2臺331MVA可變速機組，利用變速機組在水泵工況下可調節負荷的性能，使褐煤電廠能在最優工況下運行，使電網總體經濟效益最佳。2009年，斯洛文尼亞的AVCE抽水蓄能電站安裝了一臺195MVA的可變速機組。

4.3 可變速機組的應用發展趨勢

由于可調速抽水蓄能系統可減少電力系統頻率波動，能夠使整個電力系統更經濟地運行，在世界發達國家中，抽水蓄能機組已成為電網調度管理的先進工具，因此新建的抽水蓄能機組基本選用連續可變速交流勵磁機組。原計劃安裝1臺可變速機組和2臺定速機組的日本京極電站，也因此已決定改為全部安裝可變速機組。據統計，未來10年全世界將有14臺可變速機組投入運行，安裝容量達3665MVA，其中日本有6臺，容量1985MVA，占比54.16%，歐洲有8臺，容量1680MVA，占比45.84%。世界可變速機組已投運容量及未來10年建設容量占比分別見圖3、圖4所示。

圖3 世界已投運可變速機組容量情況

圖4 未來10年可變速機組安裝容量

5 日本可變速機組運行情況分析

由于世界上可變速機組主要集中在日本，可變速機組的運行情況分析選擇了日本的大河內蓄能電站和奧清津第二蓄能電站。

5.1 大河內蓄能電站可變速機組運行情況

大河內抽水蓄能電站裝有4臺抽水蓄能機組，其中1號和2號機組為恒速機組，3號和4號機組為變速機組。4號機組于1993年12月投人運行，3號機于1995年6月投人運行。1992-1997年，4臺機組實際運行時間如圖5所示，變速機組與恒速機組發電運行時間相近，甚至略少些，但變速機組抽水運行時間卻遠遠高于恒速機組，在變速機組投人運行前恒速機組年抽水運行時間都低于700h，變速機組投人正常運行后，年抽水運行時間都在1500h左右，增長1倍以上，相應恒速機組幾乎不再作抽水運行。由圖6也可看出，2臺變速機組占電站裝機容量的一半，發電量僅占電站總發電量的30%左右，但抽水耗電量卻占到整個電站耗電量的80%左右。

圖5 大河內蓄能電站運行時間統計圖

圖6 大河內蓄能電站電量統計圖

5.2 奧清津第二蓄能電站可變速機組運行情況

奧清津二期抽水蓄能電站2臺300MW機組于1996年投人運行，其中l號機組為恒速機組，2號機組為變速機組。從1996年6月至2009年底，大約14年的運行期內，兩種型式機組各種工況下相關數值的占比如圖7所示。由該圖可見，發電工況時，定速機組的運行占比高出可變速機約30個百分點，而抽水工況時，可變速機組運行占比要高出定速機組約50個百分點。

圖7 奧清津第二電站可變速機組與定速機組運行情況統計圖

上述2座電站運行實例反映出一個共同的特點：電網調度充分發揮變速機組在水泵工況可進行自動頻率控制的優勢，盡量增加其在水泵工況運行的時間。據大河內抽水蓄能電站運行實踐，變速機組典型的晚間抽水運行模式為轉速每小時變動5次左右，相應水泵水輪機入力變化在240MW～400MW之間。

6 技術經濟比較分析

6.1 技術應用得與失

抽水蓄能電站采用連續調速機組，可主要由以下幾方面獲得效益：一是由于機組具有自動調整輸入功率的功能，可為電力系統谷荷時提供相應的頻率自動控制容量，進而可利用這部分容量優化電力系統谷荷時的調頻電源配置，提高電力系統供電質量；二是提高抽水蓄能電站綜臺效率，減少抽水電量，增加發電量；三是機組運行穩定性相對提高，穩定運行范圍擴大，使機組運行更加可靠、靈活；四是由于水泵水輪機空蝕、磨損量降低以及機組振動情況得到改善，機組機械故障率可降低，因而可延長大修周期，檢修工作量也相應減少。但采用連續調速機組也同樣增加投入：一是機組（包括調速設備）及控制設備投資增加；二是布置設備所需的廠房面積可能增加，從而加大土建投資；三是由于增加了1套電機連續調速設備且其控制技術較復雜，可能使電站電氣故障概率增加或設備可用率下降。

6.2 經濟合理性分析

鑒于影響電站投資的因素比較復雜，對連續調速機組的造價說法不一。據現有資料，連續調速電機的造價約為同容量恒速電機的1.25～1.70倍，例如：大河內電站裝有4臺機組，其中2臺為350MW的恒速機組，2臺為395MW的連續調速機組，連續調速電機價格為恒速電機的1.65倍。該電站工程總投資約8億美元（約537美元/kW）。與全部采用恒速機組相比，工程總投資提高約5%，連續調速機組的投資回收期約為20年。然而從另一方面看，日本關西電力公司的電力系統在夜晚（谷荷時）頻率波動程度一般要增大，因為此時頻率自動控制容量較小。大河內電站連續調速機組投入后，電力系統在谷荷時獲得了320MW的頻率自動控制容量，提高了電網供電質量，同時改善了相應容量的火電調頻機組運行狀態、減少了運行費用。而這部分頻率自動控制容量單位千瓦投資低廉（約125美元/kW），又幾乎不增加抽水蓄能電站的運行成本。因而對大河內電站所在的電力系統整體而言，獲得的經濟效益是顯著的。

6.3 裝機比例分析

由于變速機組比恒速機組貴得多，其裝機比例應當適宜。據日本分析，變速機組容量占電力系統總裝機容量的1%-1.5%比較適宜。以奧清津二期電站變速機組投入運行的1996年計算，當年日本變速機組容量為1420MW，占總裝機容量233737MW的0.61%。若單以東京電網來統計，變速機組容量為600MW，占總裝機容量65230MW的0.92%，已接近1%。截至2010年底，日本可變速蓄能機組容量2746.5MW，占總裝機容量259975MW的1.06%，占蓄能機組裝機總容量25756MW的10.66%。

7 結論

可變速機組是一種高效的先進調峰調頻電源，可為電網安全穩定運行提供更有力的保障,是電網發展到一定階段后電力系統管理的必要工具。基于對電網安全穩定運行、電能質量以及節能減排等新的更高的要求，可以預見，交流勵磁可變速機組將具有較好的應用前景，我國應盡早選擇適當的項目進行應用實踐，積累必要的工程經驗，為規模化應用打下基礎。

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[3]趙琨,史毓珍.淺談連續調速抽水蓄能機組的應用[J].水力發電，2000，（4）.

TV743

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1672-5387（2011）02-0001-04

2011-02-11

郭海峰（1969-），男，碩士，高級工程師，從事調峰調頻發電技術管理工作。