河北豐寧抽水蓄能電站交流勵磁變速機組工程設計與認識

費萬堂，衣傳寶，楊 梅，梁國才，陳 磊，張昊晟

（1.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2.國網新源控股有限公司，北京市 100761；3.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

為了促進節能減排，作為高比例消納風電、光伏等清潔能源的有效手段之一，交流勵磁變速抽水蓄能機組以其相比定速機組更優越的調節性能在日本、德國、斯洛文尼亞、瑞士、葡萄牙、法國、印度等國家的電網中得到了建設和應用，河北豐寧抽水蓄能電站兩臺變速機組也成為中國首次建設的大型交流勵磁變速抽水蓄能機組。國際上各主機供貨商也先后大力投入研發并推動技術進步。

然而從目前國際形勢看，交流勵磁變速蓄能機組技術還未得到廣泛的工程應用和經驗總結，各主要供貨商雖然都積累了一定的設計制造經驗，但各家技術各有優缺點，某些關鍵技術問題還未取得統一的認識。因此，交流勵磁變速蓄能機組技術在國際上還有待形成更可靠、更成熟、更系統、更完善的設計、制造、試驗、安裝、調試、運行和維護體系。

河北豐寧抽水蓄能電站建設方自兩臺交流勵磁變速機組的前期論證階段就關注了以上問題，也對中國首臺變速機組的建設提出了更嚴格的要求。目前，變速機組的合同執行和工程建設還處于中期階段，基于豐寧抽水蓄能電站交流勵磁變速機組設備的當前設計成果，需要對交流勵磁變速機組的電氣系統設計以及變速水泵水輪機及其附屬設備、變速發電電動機及其附屬設備、交流勵磁設備、控制和保護設備等的關鍵技術問題及時總結、提出重點研究方向，以期在本工程后續建設過程中能夠厘清相關關鍵技術問題、確保變速機組制造、安裝、調試過程順利，確保機組安全、穩定運行，并為未來同類機組的建設提供參考。

1 工程概況

河北豐寧抽水蓄能電站位于河北省承德市豐寧滿族自治縣境內，距北京市區的直線距離180km，距承德市的直線距離150km。豐寧抽水蓄能電站總裝機容量3600MW，共裝設12臺單機容量300MW的可逆式蓄能機組，是目前世界上裝機規模最大的抽水蓄能電站。電站分兩期開發，同期建設，一、二期工程裝機容量分別為1800MW。二期工程的11號、12號機組為交流勵磁變速機組，其他10臺機組均為定速機組。電站一期工程1號定速機組和二期工程12號變速機組分別計劃于2021年和2022年投入商業運行。

電站樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、水道系統和發電廠房及開關站組成。地下主廠房總長度為414.0m，安裝間位于中部，兩側分別為1號～6號主機間和1號主副廠房、7號～12號主機間和2號主副廠房。1號～6號主機間及7號～12號主機間開挖尺寸均為149.5m×25.0m×54.5（55.0）m （長×寬×高），安裝場開挖尺寸為75.0m×25.0m×26.0m（長×寬×高）。主機間分五層布置，分別是發電機層、母線層、水輪機層、蝸殼層和尾水管層。主變壓器洞平行布置在主廠房下游側，與主廠房距離為40m，布置主變壓器、500kV聯合單元設備、電動工況起動設備等。主變壓器洞開挖尺寸為450.5m×21.0m×22.5m（長×寬×高）。主廠房和主變壓器洞之間布置12條母線洞。

地下廠房全景圖如圖1所示，廠房橫剖面及縱剖面圖如圖2和圖3所示。

圖1 地下廠房全景圖Figure 1 Panoramic view of the underground powerhouse

圖2 地下廠房橫剖面圖Figure 2 Cross section of the underground powerhouse

圖3 主副廠房洞縱剖面圖Figure 3 Longitudinal section of the underground power house

2 豐寧抽水蓄能電站變速機組的建設背景

我國京、津及冀北電網電源以火電為主，接納大規模區外來電，系統調峰主要由火電承擔，電網調峰壓力大。此外，隨著地區產業結構的優化調整和風電大規模入網，電網調峰難度將進一步增加。豐寧抽水蓄能電站建設條件優越，裝機容量大，具備周調節性能，不僅能提高京津及冀北電網調峰能力，還可解決電網周內負荷不均衡問題[1][2]。

為同時滿足河北張家口地區大規模風電和太陽能發電的送出，“十三五”期間，國家電網有限公司建將成張北可再生能源柔性直流電網示范工程，即建設張北—康保—豐寧—北京四端柔性直流環形電網，包括張北換流站300MW、康保換流站1500MW、北京受端換流站3000MW和豐寧調節端換流站1500MW，電壓等級為±500kV。豐寧抽水蓄能電站接入至豐寧換流站，可實現新能源和抽水蓄能互補，減小間歇性能源對交流電網的擾動沖擊，其中11號、12號變速機組將以其優越的調節性能參與張北柔直電網示范工程的運行[3]。

3 豐寧抽水蓄能電站變速機組工程設計

由于豐寧抽水蓄能電站兩臺變速機組目前還處在主機合同執行和工程建設的中期階段，僅取得了階段性成果。本文分別對豐寧抽水蓄能電站11號、12號變速機組的基本設計做簡要介紹，與定速機組相同的常規設計在此省略。

3.1 豐寧變速機組電氣系統設計

豐寧兩臺變速機組各配置一套交流勵磁裝置，采用電動工況自啟動方式，不再采用SFC啟動或與其他機組的背靠背啟動方式；且變速機組不承擔電站和系統的黑啟動功能，黑啟動由電站其他10臺定速機組承擔。

3.2 變速水泵水輪機及其附屬設備

豐寧變速水泵水輪機采用單級、混流、可逆式、變轉速水泵水輪機。變速水泵水輪機在水輪機工況運行時，可采用降速尋優的運行方式，使運行區更加靠近高效區。在提高效率、減小壓力脈動的同時，還可增大運行范圍。變速機組在水泵工況運行時，可通過調節轉速及調節開度的方式，實現水泵工況輸入功率可調的功能。

變速水泵水輪機各主要部件，如頂蓋、蝸殼、座環、底環、尾水管、導軸承及主軸密封等部件結構型式、拆裝方式均與定轉速機組一致。

根據以往抽水蓄能電站設計經驗，蝸殼最大壓力、機組最大轉速、尾水管進口最低壓力多發生在水輪機工況。由于變速機組水輪機工況大部分處于降速尋優運行，一方面運行轉速較低，另一方面機組效率略有提高，水輪機工況發額定輸出功率時的流量與定轉速機組基本相同，所以變速機組過渡過程計算與定速機組基本相同（見表1）。

表1 變速水泵水輪機主要技術參數表Table 1 Main parameters of variable speed pump-turbine

3.3 變速發電電動機及其附屬設備

豐寧變速發電電動機為立軸、懸式（帶上、下導軸承）、三相、50Hz、空冷、可逆式、雙饋感應電機。變速發電電動機主要技術參數見表2。

表2 變速發電電動機主要技術參數表Table 2 Main parameters of variable speed generator-motor

豐寧變速發電電動機轉子由主軸、轉子支架、轉子鐵心、轉子線棒及端部支撐結構組成。轉子線棒的上下端部均采用內外支撐環結構，固定環采用應力等級符合設計要求的特殊設計的非磁性合金材料。護環部位線棒的通風冷卻采用線棒端部斜邊之間安放中空的鋁合金支撐件方式。轉子鐵心材料采用低電磁損耗、靜態強度和疲勞強度滿足FKM評定標準的冷軋無取向硅鋼片。

綜合機組自啟動容量需求、交流勵磁裝置電壓和電流等級選擇、集電環和碳刷的選型、變頻器施加于轉子繞組的短時峰值電壓等條件，轉子線棒絕緣系統的電壓等級選擇為10kV，并參照定子線棒的目前最高要求的相關標準全部通過試驗。

綜合電磁設計、轉子線圈端部護環結構和材料以及發電電動機尺寸等的選擇，豐寧變速發電電動定子繞組采用4支路設計。

優選了碳刷和集電環的材料，并設置了通風、空氣—水冷卻裝置及碳刷粉塵吸收的封閉循環系統。

3.4 交流勵磁系統

交流勵磁系統變頻裝置采用交—直—交電壓源型中點鉗位三電平變頻器，功率器件采用IEGT全控型功率器件，冷卻方式采用強迫水冷系統。

交流勵磁電源采用4組單元并聯方式運行。每組單元由勵磁變壓器和變頻裝置等組成，詳見圖4。機組在水泵工況啟動時，通過交流勵磁系統實現機組的自啟動。

3.5 控制和保護系統

3.5.1 計算機監控系統

電站按“無人值班”（少人值守）方式設計，采用計算機為基礎的全廠集中監控方式。網絡系統采用分層分布、開放式系統，設有電廠級和現地控制單元級。兩臺變速機組各自設有現地控制單元實現變速機組的控制、調節和信息采集。通過對變速機組調速器和交流勵磁的控制協調，實現機組發電和抽水工況的有功和無功快速的調節和最優工況運行。

3.5.2 繼電保護系統

變速機組發電機定子繞組的繼電保護配置與定速機組相同。變速機組轉子為三相勵磁繞組，其繼電保護配置與同步機組的繼電保護配置不同。變速機組轉子保護配有轉子繞組接地、過電流、過電壓和頻率保護。

3.6 交流勵磁系統設備布置

中國常規定速機組抽水蓄能電站典型設計在地下主廠房和主變壓器洞之間設置40m長母線洞，用于布置發電機電壓回路設備。豐寧變速機組單元設計了母線洞雙層結構，即在發電機電壓回路設備層以上擴挖一層。豐寧二期變速機組交流勵磁系統設備布置見圖5。變速機組的交流勵磁系統設備布置于雙層母線洞的上層，包括變頻器、冷卻裝置、過電壓保護柜、交流勵磁母線等，首末端分別連接至發電電動機和交流勵磁變壓器（見圖5）。目前兩臺變速機組雙層母線洞土建工程已完工。

由于豐寧抽水蓄能電站兩臺變速機組目前還處在主機合同執行和工程建設的中期階段，本文僅對現階段的部分成果進行小結，對后續類似項目的工程設計提出認識性建議和研究方向。

圖4 交流勵磁系統單線圖Figure 4 Single line diagram of AC excitation system

圖5 變速機組交流勵磁系統設備布置圖Figure 5 Equipment arrangement of AC excitation system

4.1 含變速抽水蓄能機組的電氣接線設計

由于變速機組的交流勵磁系統設備選型設計與電網需求、水泵水輪機、發電電動機的設計相關性大，且每臺機組配備的交流勵磁系統設備占地面積約400～500m2，對地下廠房的布置設計影響大。變速機組采用SFC起動、背靠背起動或自起動方式的電氣接線設計和布置設計差異性較大，因此工程前期設計時在論證變速機組臺數時應重點結合電氣主接線和廠房布置設計。同時，根據經驗機組轉速變化范圍達到±5%以上時可以考慮采用自啟動方式。因此合理選擇變速機組調速范圍和電動工況的啟動方式是電站設計的關鍵技術，最終根據上述綜合研究結果確定采用變速機組的啟動方式，完成電氣接線設計。含變速抽水蓄能機組的電氣接線其他方面設計與定速機組類似。

4.2 黑啟動

電站接入電力系統設計時，電力系統按需求可能對抽水蓄能電站提出作為黑啟動電源的要求。變速機組如要實現黑啟動功能，除提供必要的機組自用電設備交流電源外，還需提供較大容量的交流電源并經整流器供電至交流勵磁系統。因此工程前期設計時，對于兼有變速機組和定速機組的電站，宜由定速機組承擔黑啟動任務，即應理解為“黑啟動電源”指電站而非指定到某一變速機組；對于全部機組是變速機組的電站，可與電力系統協商選取電網內其他電站作為黑啟動電源；如果確需電站的變速機組實施黑啟動，則采用只能采用引接應急交流電源并經整流器供電的方式，此方式設計復雜，在有需求的電站應結合工程設計和產品設計進行深入研究。

4.3 變速水泵水輪機及其附屬設備

4.3.1 變速范圍選擇

變速機組轉速變化范圍的選擇與電網的需求、空化性能、駝峰區穩定性、交流勵磁容量及機組額定容量等因素有關。據統計，國外大部分已建及在建變速機組轉速調節范圍處于±4%～±7%，個別電站達到±10%。變速機組轉速調節范圍的確定，需對機組效率、穩定性、比轉速水平、交流勵磁系統容量及投資等方面進行了綜合性的技術經濟比選后，確定合理可行的轉速變化范圍[5]。

4.3.2 水力模型研發

變轉速水泵水輪機特點及優勢即在于水泵工況可根據電網需要，通過調節轉速及開度，做到水泵工況輸入功率可調。在此調節過程中，水力模型的空化性能、駝峰區穩定性能往往會成為水泵輸入功率調節范圍的限制性條件，影響機組輸入功率調節能力。

往往定轉速機組將S區余量及駝峰區余量的大小，作為評價定速蓄能機組穩定性能的重要指標。而變速機組具備調節轉速運行的特性，機組在運行至S區附近或駝峰區附近時，可通過調節轉速來使機組回到穩定區內運行，從而提高了S區及駝峰區的穩定性。此時變速機組在做水力研發時，就可按照一個相對恒定的安全余量去作為設計邊界條件，來盡量擴大運行范圍，提高調節能力[6]。

4.3.3 調速器

對于變速機組調速器，其機械液壓部分基本與定轉速機組調速器相同。電氣調節部分相對要簡單一些，不同設備制造商功能也不完全一樣。有的設備制造商水輪機工況的電氣調節功能由機組的最優控制器實現，調速器不設電氣柜；有的設備制造商保留轉速及開度調節功能，水泵工況采用開度調節。不同設備制造商針對不同控制策略研發的調速器均為成熟技術，只是不同設備制造商會根據自己的設計制造經驗，選擇不同的操作控制策略，設置不同功能的調速器。

4.3.4 輔助系統

變速機組輔助系統設計原則與定速機組設計原則基本一致，僅技術供水系統相較定速機組稍有不同。由于變速發電電動機結構不同，冷卻水量有所增大。同時技術供水系統還需要向變速機組增設的交流勵磁變頻裝置提供冷卻水。

4.3.5 主廠房橋式起重機

主廠房橋式起重機在設計時需關注起吊重量及起吊高度。

由于變速機組發電電動機轉子結構與定速機組轉子結構不同，其起吊重量要比定速機組轉子略重。廠內橋機起吊重量需適當增加。

另外各主機廠轉子端部支撐形式不同，若轉子端部支撐形式采用護環形式，還應考慮轉子端部上護環及下護環安裝時對起吊高度的要求，往往需要適當增加起吊高度，為轉子上/下端部護環套裝留有足夠空間。

4.4 變速發電電動機及其附屬設備

4.4.1 電磁設計

變速發電電動機的電磁設計應對電抗、溫升、損耗、振動、波形、勵磁參數、時間常數、過渡過程等參數進行綜合比選，選擇相對較低的電磁負荷，并留有一定的設計裕度。交流勵磁系統保證機組的安全穩定運行不僅僅是正常運行工況，也包括啟動、制動機組及電網故障情況，以上要求均會影響到交流勵磁系統額定容量、額定電壓、額定電流等的選擇和設備布置，因此都需要進行復雜的仿真模擬。定子繞組型式的選擇通常與定速機組相同，但對于變速機組，不同轉子鐵心材料和繞組端部固定結構的選擇，使轉子在相應直徑下離心力最小成為關注點，可能很大程度影響并聯支路數的選擇，從而影響整個電磁設計。轉子繞組型式應綜合水泵水輪機的轉速范圍和軸功率、變頻器的電壓等級以及集電環和電刷的接觸電流、定子繞組的型式等選取。變速發電電動機的損耗和效率計算、通風計算均需單獨分析不同荷載點，并應通過有限元計算驗證磁通密度以及空載和額定負載時的轉子電流[7][8]。

4.4.2 轉子端部支撐固定結構

轉子端部支撐固定結構是交流勵磁變速機組的關鍵部件，各國際主機制造商都至少經歷了10～15年的研發、試驗和優化歷程。支撐固定結構的幾何特性和材料應進行全面的應力計算和選擇，支撐固定結構還應允許軸向熱膨脹，并確保通風損耗最低。線棒應承受最小的應力并便于檢查維護，原則上應能在不拆卸整個固定結構的情況下更換單根線棒，應進行支撐固定結構的靜力強度和疲勞強度模型試驗。對變速發電電動機還處于研發階段的廠家，在選擇轉子端部支撐固定結構的體系時應兼顧不同容量和尺寸的機組，使投入研發的結構型式盡可能適應性好；建議在首臺供貨機組上裝設轉子繞組端部熱膨脹量監測裝置以驗證設計的合理性和運行安全性。

4.4.3 轉子鐵心材料

轉子鐵心需要承受很大的應力并應減少運行損耗，因此轉子鐵心材料應同時具備高的機械性能和低的電磁損耗。目前國際上交流勵磁變速機組的轉子鐵心材料有高強度鋼板（厚度約1.6～2mm）和高強度硅鋼片（厚度約0.5～0.65mm）兩種選擇。轉子鐵心材料的選擇很大程度上影響著機組尺寸、電磁設計以至于機組性能，因此無論是制造廠還是建設方都應重點關注鐵心材料的選型，如采取硅鋼片還應同時關注其切割和涂漆工藝、片間的短路試驗等。應嚴格進行靜力強度計算和疲勞強度計算，并進行必要的疲勞試驗，需要對轉子鐵心材料在低頻運行工況下的損耗值進行理論計算和實測。

4.4.4 轉子繞組的電氣性能

轉子繞組絕緣系統的電壓選擇需與交流勵磁系統的選擇計算密切配合，并在分析計算長期運行電壓、變頻器允許最大電壓、轉子繞組短時耐受過電壓峰值（dU/dt）和有效值后綜合選定轉子繞組絕緣系統電壓等級。目前國際上各廠商對轉子繞組電壓等級的選擇原則還存在差異，后續項目設計時應予以重點關注。同時，由于國際上尚未形成轉子繞組絕緣系統的耐電壓試驗標準，應結合轉子線棒的結構設計、絕緣設計包括防暈設計等，研討轉子線棒的工廠和現場試驗電壓標準，特別是轉子線棒絕緣的工頻擊穿電壓。

4.4.5 高電壓、大電流集電環的選型和配套系統設計

集電環的電壓和電流選擇與轉子系統的電壓、交流勵磁系統電壓選擇密切相關。高電壓、大電流的集電環設計需考慮環間增加接觸面、電氣距離、表面散熱，解決環間的絕緣設置。應進行合理的通風冷卻設計和試驗，研究采用濕度控制系統的必要性，分析其可靠性和維護的便利性。當采取特殊的吸塵系統時，應進行電流分布（電刷數量多）和機械可靠性（尺寸大）的特殊設計。整個系統應進行機械、電、熱和流體力學的計算以及模型試驗驗證，包括機械試驗和電氣試驗，還應研究詳細的裝配和最終的加工方案。建議在首臺供貨機組上裝設集電環及碳刷溫度監測裝置以驗證設計的合理性和運行安全性。

4.5 交流勵磁系統

變速機組在電網發生故障時，機組應具有故障穿越的能力，目前還沒有具體技術指標要求，需結合國家電網運行要求研究變速機組對故障穿越能力的技術指標。

由于定速機組采用快速勵磁調節系統，會降低電力系統的阻尼作用，導致定速機機組產生低頻振蕩，目前在勵磁調節器上附加一個電力系統穩定器（PSS）補償環節來解決低頻振蕩問題。變速機組本身具有快速響應和抑制振蕩能力，如何通過在現場試驗來驗證變速機組抑制低頻振蕩等性能指標還需進一步研究[9]。

4.6 控制和保護系統

4.6.1 控制

相較于定速機組，變速機組控制量多，需對調速器和交流勵磁系統的協調控制研究，提出變速機組的最優控制策略。

4.6.2 繼電保護

（1）轉子繞組回路電壓和電流傳感器由于受轉子低頻率運行限制，無法通過常規的電流和電壓互感器準確采集轉子繞組回路的電流和電壓電氣量給機組繼電保護裝置來實現轉子過電流、過電壓和頻率保護。目前是通過交流勵磁系統實現上述繼電保護，需研究如何通過機組的繼電保護裝置實現轉子繞組繼電保護。

（2）由于轉子是轉動部件，對轉子繞組的電氣量采集很困難，如何實現轉子繞組匝間故障的判定，目前還沒有應用實例，需研究轉子繞組匝間故障保護的判定方法和繼電保護策略。

4.7 變流勵磁系統設備布置

豐寧二期2臺變速機組的交流勵磁系統設備布置并未改變中國大型抽水蓄能電站典型設計地下廠房整體結構，并與變速機組一一對應形成單元化設計。相比國際上類似的已投運交流勵磁變速機組工程，該布置設計有效控制了地下洞室群開挖尺寸，降低了支護難度和工程投資，布置清晰合理，便于運行維護，可為后續類似項目作為參考。

5 結束語

河北豐寧抽水蓄能電站兩臺變速機組為中國首次建設的大型交流勵磁變速抽水蓄能機組，目前處于主機合同執行和工程建設的中期階段。本文對豐寧抽水蓄能電站交流勵磁變速機組設備的當前設計成果進行了說明，對交流勵磁變速機組的電氣系統設計以及水泵水輪機及其附屬設備、發電電動機及其附屬設備、交流勵磁設備、控制和保護設備等的部分關鍵技術問題進行了認識性梳理，提出了階段性的建議和研究方向，旨在為中國和國際后續變速機組的建設提供些許參考，共同推動世界交流勵磁變速蓄能技術的發展。

（1）變速機組電氣系統設計應綜合電力系統需求（包括黑啟動的要求）、調速范圍、變速機組和定速機組（如有）的臺數選擇、起動方式、土建設計、廠房布置、運行維護、工程投資等合理確定。

（2）變速水泵水輪機應重點關注水力性能的穩定性、經濟性與變速范圍、功率調節能力的綜合協調設計。

（3）變速發電電動機應重點關注電磁設計的綜合合理性、轉子鐵心材料的選擇、轉子線圈端部支撐結構的型式和材料的選擇以及維護便利性、轉子繞組絕緣系統的電壓等級選擇和相關電氣試驗標準的建立、高電壓大電流集電環和碳刷的運行要求和壽命等。

（4）交流勵磁系統應重點關注故障穿越能力和PSS等技術指標要求和現場試驗方法。

（5）控制和保護系統應重點關注變速機組的最優控制策略和轉子繞組繼電保護實現方案。