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变转速抽水发电系统

2020-04-09 21:00

应用于抽水蓄能机组的可自动调节机组转速的操作系统。

特点

由于水泵水轮机在各种运行工况下的最优转速不同,采用可变速系统是抽水蓄能电站扩大机组运行水头范围,并获得最佳性能指标的有效途径之一。抽水蓄能机组的变速方式主要有2种,即分档变速和无级变速。前者包括变极方式和双转子双定子方式,1950年以后开始应用于中等容量的机组,如中国的潘家口抽水蓄能电站(变极)和美国的圣路易斯抽水蓄能电站(双转子双定子)等,作用是满足电站水头变幅较大时机组稳定性的要求。后者为变频交流励磁方式,20世纪90年代以后得到应用,已成为变转速技术发展的方向。

变转速抽水发电系统的应用,使得在抽水工况负荷调整时的自动频率控制(Automatic Frequency Control,AFC)成为可能;同时,在发电工况,机组运行区域扩大,承担部分负荷时效率提高以及压力脉动减少、稳定性增强。由于转速可变,在开停机及过渡过程中,可以利用惯性使系统的运转性能得到提高,如可靠性与稳定性等。对于核电和火电比重增大的电网,缺少调峰调频能力,尤其是夜间需要填谷容量,变转速抽水发电系统可极大程度地提高系统的可靠性,因此它得到越来越广泛的应用。

原理和构造

可变速机组的基本结构,是圆筒型转子采用三相分布线圈和变频三相交流励磁。当转速变化时,改变励磁电流频率,从而保持定子侧的频率固定,这样无论是抽水工况,还是发电工况,接入电网的频率一定。为调节转子的频率,采用由可控硅整流器等组成的双向离子变频器,该变频器原理简单,特别适用于抽水发电系统。

大容量变转速发电机与常规发电机的最大区别在于转子,定子结构基本相同(见图)。常规发电机采用凸极磁极、低电压电流和集中线圈的转子绕组以及低电压小电流的集电装置。而可变速电机则采用圆筒型磁极、高压三相交流励磁和分布线圈的转子绕组以及高电压大电流的集电装置。系统的关键技术问题包括整体通风方式,高压绝缘系统,线圈端部固定和通风技术,大电流集电的可靠性和结构强度等。

变转速发电机与常规发电机结构剖面对比简图

1—铁芯(突极→圆筒);2—风扇(集中→分布);3—集电装置;4—转子磁轭

除了无级变速功能外,可变速机的最大优点是电力输出和输入的独立可调能力。电气系统的电能可直接控制,通过导水机构调节出力和转速,从而保证水泵水轮机在最优转速下运行。

研究与开发

大容量变转速抽水发电系统的研究开发,日本较有代表性和领先性。

第1阶段,基于上述原理,通过深入的数值解析,开发适用于抽水蓄能机组的计算与控制系统,以大容量化为目标进行硬件开发。在数值解析的同时,建立与真机系统构造一致和具有模拟送电线路的仿真模拟试验装置,完成的试验项目有抽水运行、水轮机特性、启动时负荷突变等过渡过程。计算结果与实测值符合良好,验证了分析模型,抽水工况的AFC特性得到了证明。

第2阶段,是300mkV·A级实用机组的研究。重点是新型结构的转子和数十兆伏安级变频器的关键技术攻关。

第3阶段,即进入真机试验。日本关西电力公司选择一座已建成电站进行仿真试验。系统功率为17.5mW,水轮机功率18.5mW,转速为190~210 r/min,最高水头53.6m,励磁机容量3.83mV·A。该公司进行了常规变负荷试验和系统试验(如系统故障、线圈短路等),证实了可变速机的可靠性和稳定性,系统的开发设计是成功的。

运行实例

到20世纪末,采用变频交流励磁方式的变转速抽水蓄能机组,容量最大的为日本的大河内抽水蓄能电站(400mV·A)和葛野川抽水蓄能电站(412mV·A)。大河内机组运行时间较长(1993年10月始),积累了大量数据。发电工况的阶跃式响应试验显示,仅在0.2s内即可完成至少32mW的系统负荷调节。发电工况渐变式响应试验表明,无负荷至全负荷范围50s时段内上调下降,电力波形无滞后地与P指令一致。抽水工况下,0.2s内可完成80mW的电力调整,功率控制和速度控制的独立性良好。渐变式响应还表明,系统电力输入调节在全范围内平稳快速。

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