电网公司可变速抽水蓄能机组技术与应用.pdf
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1、国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED可变速抽水蓄能机组技术与应用国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED1、可变速抽水蓄能机组介绍2、建设的必要性3、应用情况4、经济性分析5、可变速抽水蓄能机组关键技术国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED一、可变速机机组介绍变级机组变速机组基本原理技术特点国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID
2、 XIN YUAN COMPANY LIMITED可变转速抽水蓄能发电电动机,即大型 交流励磁调速发电电动机,俗称双馈电 机,电机定、转子据转子电流的调节分 别与电网进行有功交换国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED1、基本原理N1=N2+Nm国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED可变速机组转子电流1、幅值可调2、频率可调3、相位可调国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY
3、LIMITED改变励磁频率,可调节转速。这样在负荷突然变化时,迅速改 变电机的转速,充分利用转子的动能,释放和吸收负荷,对电网的 扰动远比常规电机小。改变转子电流的相位,由转子电流产生的转子磁场在气隙空间 的位置就产生一个位移,改变了双馈电机电势与电网电压向量的相 对位置,也就改变了电机的功率角。所以双馈电机不仅可调节无功 功率,也可调节有功功率。当电机吸收电网的无功功率时,往往功率角变大,使电机的稳定 性下降。而双馈电机却可通过调节励磁电流的相位,减小机组的功 率角,使机组运行的稳定性提高,从而可多吸收无功功率,克服由 于晚间负荷下降,电网电压过高的困难。国家电网State Grid国网新源
4、控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED技术特点发电工况定速机组变速机组发电功率可调节在较大范围内更有效效率提升不可以按照实际水头一次调节有限容量笆态有功(频率)控制电网稳定PSS功能独立有功和无功控制抽水工况定速机组变速机组消耗功率按实际水头不可控70%100%效率提升不可以按照实际水头一次调节不可以哲态有功(频率)控制电网稳定PSS功能独立有功和无功控制起动功能单独起动系统可由交流励磁完成国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED1)可变速机组可在水泵工况运行时,调节输入功
5、率,实现抽水工况自动频率 调节。2)可更快地跟踪负荷,提高机组的快速响应能力。3)在系统扰动时,可在非常短的时间内发出/吸收无功/有功,以进行电压和频率控制,起到稳定系统的作用。4)由于在可变速范围内可以任意转速运行,并网时间大幅缩短。5)可在水泵工况起动时,使输入功率最小,以减少对电网的冲击。6)通过改变转速,可以调整水泵水轮机运行区域,能够更好地分别适应发电和 抽水两种运行工况,使水泵水轮机具有更高的运行效率。7)通过改变转速,使水泵水轮机能够适应更宽的水头/扬程变幅和正常运行范围,增加水库的调节库容,即可增加电站利用小时数和蓄能电量。可有效改善压 力脉动和空化性能8)可以用变频交流励磁装
6、置代替SFC进行水泵工况启动。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED二、建设的必要性 1、电网发展的需要“一特四大”可再生能源达到15%新能源特点国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED风力发电的稳定性和连续性较差,风电场的功率波动 会影响当地电网的电能质量,产生电压波动与闪变,尤其 是电力系统中风电比重较大时,电网调频、调峰压力剧增,频繁波动的风电出力将对局部电网产生较大冲击,易引 发电网供电事故。风电受自然因素的影响较大,不具备调节能
7、力,其出 力的大小取决于天然风速,不宜变负荷。为了充分利用风 能资源,在电力系统中一般应该在基荷工作。但是,在低 谷负荷时,部分电网负荷不均衡特性显著,周末负荷明显 低于工作日负荷时,因火电站的供热需要或保证技术最小 出力等要求,风电场需要减少一部分负荷,限制风电出力国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED电网调度各种能分配情况e薪翦国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED某国外电网一年内风电装机规模、平均发电量和瞬时发电量间的关系,其中 年平均发电功率仅为总装机功率
8、的1/6,瞬时发电功率变幅较大,说明了风力 发电并网后波动性大的特点,对电网带来一定的干扰o)Mod16,000 MW14,0001200010.0008 0006 0004 0002.0000Pow er g eneration from w ind g enerators in Germany in 2003Jan Feb Mar Apr May June July AugSu*SEW-P r o f HaugchOct Nov Dec国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED2、变速机组优势具有较好的转速适应能力
9、,能实现变速恒频发电运行。交流励磁电机具有与 异步机一样的变速运行能力 O当转子旋转角频率改变时,只要改变励磁电压的频率 就可以保证励磁磁场与定子 磁场在空间上保持相对静止 并以同步角频率相对定子绕 组旋转,从而实现变速恒频 运行。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED2、变速机组优势自动频率控制,实现有功功率的高速调节,同时提高电网频率调节精度 次大河内电站400MW变频调速机组0.2S内可改变输出功率32MW或输 入功率80MW*对日本关西电力公司结合大河内电站可变速机组进行的相关实验:在 11000MW系统中
10、,当调频容量为火电+水电=160MW时,系统频率控制 在合格范围之内的比例是966%;当调频容量中一半容量,即80MW由变 频调速机组承担时,系统频率控制在合格范围之内的比例是997%,系统 频率保证率提高了 2.9%。*通过变频调速的方式来调节水泵工况的输入功率,进行电力系统负荷 控制,增加了机组的适应性。:善国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED2、变速机组优势两台定速机组两台变速机组国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED2、变速机
11、组优势提高抽水、发电两种工况的效率,适应更宽的水头变幅水泵工况高扬程与水轮机工况的低水头段效率偏低,尤 其机组在水头变幅较大、偏离最优工况较远时,水轮机效率 明显偏低,并可能导致空蚀双尾的管压力脉动增大,因此可能 限制运行范围和降低发电效率。盐源电站机组最低出力从50%降为40%,发电功率为额 定功率50%时,可提高效率3%。系统中适当增加变速机组装机,既能提高电站抽水、发电 的效益,也能为抽蓄电站选址提供便利;提供水能资源的利用 效率。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED2、变速机组优势提高机组运行的稳定性变频
12、调速机组通过改变转蘸较好的适应不同的运行水头,明显改善水泵水轮机的水力性能,减少振动、空蚀和泥沙 磨损,扩大运行范围,提高机组运行的稳定性。盐源电站变频调速机组振动的振幅比定速机组减少一半。矢木泽电站变频调速机组比定速机组运行时间多2030%,但水泵水轮机的空蚀和磨损量却相同或更少。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED2、变速机组优势解决大规模风力发电并网带来的频率不稳定问题风力发电并网后电网波动的就势对电网带来一定的干扰O当系统 相关电力系统试验表明,当系统发生单相接地重合后,常规定速机组的波动范围较大,采用了
13、可变速机组后,可大大减少功率震荡,对电力系统稳定有利。具有可变速机组 后,利用其响应速度快的特点,可在全时段进行电网功率调 节控制,更有利于可再生能源项目投入电网运行。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED2、变速机组优势提高系统暂态稳定性相关电力系统试验表明,当系统 发生单相接地重合后,常规定速机组的波 动范围较大,采用了可变速机组后,可大 大减少功率震荡,对电力系统稳定有利。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED2、变速机组优势具有
14、深度进相运行能力,克服了传统同步发电机进相运行受静态稳定极限值限制的缺点交流励磁发电机的进相运行能力只受定子电流及端部铁芯发热的限制,因此具 有比传统同步发电机更大的进相运行范围O国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED三、变速机组应用情况1、国外应用情况从20世纪60年代开始,国外水电行业就开始了可变 速抽水蓄能机组的研究及试验工作,日本、欧洲在变速抽 蓄机组的应用方面均进行了深入的工作区域已投运的可变 速机组的调用率远高于定速机组,变速机组在多方面的优 越性能、为电网提供的优质电能和为运营方创造的效益方 面也都远
15、超过定速机组。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED1、国外应用情况可变速蓄能的各项技术也在不断优化和发展。变速机组的关键 设备变频器经历了从CYC(可控硅)到GTO(门极可关断晶闸管)或 GCT(Gat e换流晶闸管)再到IEGT(电子注入增强型晶闸管)的发 展阶段。IEGT使驱动电路、缓冲电路得到简化,提高整个电力电 子设备的效率,并且设备尺寸较小,较适用于抽水蓄能电站的地下 厂房的特点已得到了广泛应用;另外大容量、三相分布绕组的隐极 转子的线圈端部固定方式得到改进,目前如东芝公司的U型螺栓支 撑系统已在实际运
16、行中得到了高可靠性的验证,并已成功应用于额 定容量460MW、额定转速500rpm、世界最高扬程782m的葛野川 电站3#/4#变速机组上,且3#机组已于2014年6月9日顺利投运。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITEDbbw上,ge wkwb 水mzsa nc ft f KfBH-1W,一 Mrrwak*e=sw n 曰*OzO2ZOOXNCrca o;-r v c JK _WL 曰*xo o xoM,croX3319 一*=,o o30030T-t tCyoa”n-*oa cwscxx-x c o w#a|K
17、一*SO:./.o o00-0-S9O目HOy _X99S*sxue-vz-s X79 二 Ml 曰*SO/P Xo.2 CS一 一3 一*90-0k T03 0HCyc.SOOT20TMl TVg.n ZJO-J f 一 一a o.*3 o7S-=w曰*90.-3-0日Heye20X0a nl-w0-l I-_-U.1 LI xxx,,、曰*ao-s-oeccr9OS.&sKhceAax vrx 曰*二no.-a so201*KT-c-eo aa x us 曰*230.200二,冬NX-CT20303.*工yec a n,its 日*330.300+N05=0=0a NC_g_,,y i-e
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