电网公司可变速抽水蓄能机组技术与应用.pdf

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 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 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，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，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 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 1X9*S*VF i|曰*MO*0a oKNxerra o a.二hr mi lij -P.SC l|曰*CO9o-c a oWNxat c-r30X7S3Co 2a x7-c Xz*X XTH 衣 so o a cy jSOO3一Co,AXfCSX*X XX3 C3Boo o a a?-TSCcru3OO8qVCKE W F WW9*7*2eCCT二 009J C7SW-*rSOO.-2*sno工=M CMZSC7so x*=t.S.SX-C3*2 C7SWB*300.-:*-no-M-XCTSOX*23Jdn/cx&aX C73W士so o.a*XKT2OX二 4X-XA-CA*X CX 一300.3O2 二HO-XEUF2OXx*a M du Dx-*c L c?a.*XT.-S.3*-*XA_X=MO*XK-CTa o xoX*xsrc Ox-*c*7 a CZZw-XVMXTSOS-S8x=o no 0*aarE Dx*xac*S A C7SMB*ss*aXSC7a o xa?aarc-iy-c Dsr*zc-SA.CX*=7 F7944-*s3re c CJ*W*rXTOX Xssa人工=PO*XK-CT2029S3T-m-x xxxOE-2&23.S-2-aQ=fZKOT2O3.Satx sxaFCK-=2X3X=MO*=c rrno，nnTWCS2-&zrsF0SO.-3z x 93-a4工NPO*3CECT3OX94Txarx UEE3O.SChn n=上工=F-XZCT3O2=-X_ cx&h 工 ms0 OHno.j a Ta xAXHMC*XEUT3OX3a*s xx c-xo rzzz Da=o o.-so a9*0903 一 x-c-rSOX kr*TW*:XX C73=ko o.-so aSO33 9XCT国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED日本国一电站可变速机机与定速机蛆调用时间和次败比较表电站机组号可变速CAD）定 逮（S抽水 小时数发:电 小而致水莱工况启 动次数发:电工况 启动次数 1SO.6103412932AD1574042383SO.3103 41253而姐1S562311256182AD4931470155490火河内1S831384342532S831579323423AD245012623462604AD23721311334275盐海1S210397572382s250sei632513AD146731023484 二二明1S2821652734062AD1832773304191冲绳1Y12 IO120226343缶注，由干矢木泽和和见两个电站的上水库有天然东水.闺季水,丰雷.因延发电小时敢运W子抽水小表L3 德国金否电站可变速机组与定速机组,用时间比蛟表电站机绍号可变速（AD定 逮（S年平均 抽水小时效平均发:电 小时败都年工况 转樵次敷金价3、4S1820213015501m 2AD2155.22950350国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED1、国外应用情况变速蓄能机组的各项技术发展已日趋成熟，且在国际上也逐步形成较为成熟 的变速机组的建设、运行和维护经验。变速机组比定速机组能够更好地服务于电 网，已成为重要的电网调节与控制手段；而且从以往电站的部分机组为变速机组 已逐步演变成为电站全部机组均采用变速机组的方式，说明电网的需求和多方面 的建设必要性也日益加强；同时变速机组在国际上其它国家和地区也得到了越来 越广泛的重视和建设。连续可调变速抽水蓄能机组成为主要的变速方式，主要是 当经济发展到了一定阶段，对供电质量提出了高要求所致，它是抽水蓄能电站从 调峰填谷进入电网管理工具阶段的标志，而仅承担调峰填谷任务的抽水蓄能电站 是并不需要安装连续调速抽水蓄能机组。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED2、国内应用情况我国通过技术引进和自主研发，也曾开展 过变速机组的设计、生产和应用，目前国内 仅有4座电站的小容量变速机组投入运行，但基本都属于变极调速方式，并非真正意义 上的可变速电机,主要用于水头变化较大时改 变抽水功率，在电网中起到的作用非常有限O国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED2、国内应用情况国内变速抽水蓄电站的基本参数电站名制造厂容量(MVA)最大扬程/最小水头(n)扬程水头变幅转速(r min)转速变幅调整方式投运年份岗南富士1559/282.11250/2731.09变极1968密云天发1559/282.11150/166.71.11变极1973潘家口ABB9886.2/35.42.44125/142.81.14变极1991响洪旬东电5564/272.37150/166.71.11变极2000国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED3、变速水泵水轮机的运行范围和运 行策略分析采用变速机组，降低其水泵水轮机的水力开发难度。水轮机工况时，采 用低转速运行，将使水轮机运行范围向小单位转速移动，更靠近最优区，从而效 率，稳定性，空化性能都将变好；目前采用变速水泵水轮机组的主要目的是实现 水泵工况提供频率自动控制容量，也就是水泵工况的输入功率可调，而且在变速 一定的情况下可调容量越大越好，那么机组的变速范围就主要考虑去实现电站所 要求的水泵工况调节容量。这样一来，对于水轮机工况仍可以通过优先采用低转 速来获得最佳运行范围，同时也可通过改变转速进行一定的输出功率调整；而水 泵工况就需要在任何扬程下通过变转速实现输入功率可调，也就无法再通过变转 速来减小运行范围实现运行条件好转，反而要求水力设计上加大泵工况的稳定运 行范围（包括最小流量最大入力、驼峰、压力脉动、空化要求）从而实现变转速 下更大的输入功率可调,在一定程度加大了水力设计难度。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED四、采用可变速机组经济性分析分析条件设定选择规划选点及预可行性研究阶段、可行性研究阶段二个不同阶段的电站 进行抽水蓄能变转速机组研究。选点预可行性研究阶段的衢江电站4台机组均为变速机组作为代表方案；为探索电站 部分机组采用变速机组对设计等的影响，考虑到句容电站引水系统采用一管二机 方式，特选择该电站为4台机定速+2台变速机作为代表方案；选取变速范围国际上现若的蓄能机组变速范围推选变速机组转速变化范围值作为方案比选使用 o国外变速机组的变速范围基本在4%9%,近期投运的变速机组的转速变 化范围大多在土4%6%之间，考虑到本课题变速机组方案可靠且不失先进性 下面分析先取了 5%进行分析。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED衢江项目分析表总投奥比较表4万元）序号项a定速变速方案1方案21-E桂E下水库565OC853055.8053055.80瑜水系烧26(201827?1 1.1427S11.14地下厂房38003.0830444.7439718.45合计1 2O7QM Q1201 1 1.71 2O3KS.42机电龙电电RJTL（包力舌际锲）30720.8 7G 1441.746 3441.74主支仄器5 19645516.865516.6IPB2266.782266.785fM)kV电综1CSO.OO1 10 1.601 1O 1.60令计3fR5.B7C326.9R70326.083主体工程投资159785.719043 8.719071 2.44差价o十3m4+30926.63国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED四、采用可变速机组经济性分析与定速方案相比，变速方案主要投资增加在 于发电电动机及交流励磁的投资，工程枢纽经过 优化后土建费用有所下降。电站全部采用变速抽 蓄机组，主体工程增加投资3亿元，现在衢江抽水 蓄能电站预可研设计概算静态投资约为54亿元，即静态投资增加了56%,具有一定的经济性。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED总投资比较表（万元）序号项目定速变速方案1方案21土建上下水库IMH06X5167048.2I67O4K.2输水系统80479.8182156.6382156.63地下厂房54917.7755095.9555326.44合计2()4 443(UMI.X304531 32机电发电电动机（包括励磁）43200576()05T6OO主变压器768078007800合计5088065400654003主体1程投贯35（第4，36W7(MI.X3的9福.34岩价0I4hl 6.3614X46X5国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED与定速方案相比，变速方案主要投资增加在于发电电动机及交流励磁的投资，土建费用基本相当。设置两台 机组为变速机组,主体工程增加投资146亿元，现在句容抽水蓄能电站可研设计概算静态投资约为75亿元，即 静态投资增加了 2%,具有一定的经济性。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED五、可变速机组关键技术1、变速抽水蓄能交流励磁发电电动机电磁设计 目前国内对于双馈机组的研究，主要是针对兆瓦 级的风力双馈发电机，并且仅运行于发电工况。对于大容量几百兆瓦级的交流励磁电机的电磁机 理研究及方案设计还需进一步研究。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED转子铁心国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED转子采用3相对称双层绕组。目前国外机组已经应用的方式主要有四种:(a)绕组端部径向螺栓固定(b)绕组端部U型螺栓固定(c)绕组端部金属护环固定(d)绕组端部用高强度纤维带绑扎固定国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED3、变速抽水蓄能交流励磁发电电动机通风冷却计算方法国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED4、变速抽水蓄能交流集 电系统设计理论。电机定、转子侧都与电网进行能 量传递，集电系统的容量 与电机转速变化范围相关,且远高于常规定速蓄能 机组集电。同时具有高压 大电流的特点。需要研究 大容量交流集电系统设计 理论和制造方法国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED5、绕线式转子绝缘系统研究。可变转速发电电动机转子绕组与传 统水轮发电机或抽水蓄能发电电动）具 有很大的不同，由凸极式转子磁极变为 条式线圈，承受很高的交流运行电压与 变频器产生的高电压梯度，同时承受较 强的电磁振动和旋转离心力。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED(6)变速抽水蓄能水泵水轮机运行特性研究。常规发电电 动机在水泵运行时，其运行点泵入功率和转速恒定不变，控制相对 简单。变速抽水蓄能水泵水轮机在水泵运行时，根据电网调度要求,其泵入功率和转速相应变化，其运行曲线复杂。需要研究水泵水 轮机的最佳运行范围和变频控制策略的协同理论。(7)交流励磁系统及控制策略研究。进行变速抽水蓄能机 组系统的控制策略仿真，在建立精确化数学模型和仿真模型的基础 上，对控制策略的有效性进行仿真和改进，对正常运行工况和极限 运行工况如电网电压跌落、短路故障等的动态行为进行预估。国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED(8)大功率交流变频励磁装置研究。为充分发挥变速蓄能电机的优势，获得变速运行的特性，必须做 到电机本体和逆变器特性之间的良好匹配。在明确对电机的性能需 求的基础上，从全局最优化观点实现对逆变器硬件以及控制软件的 集成设计，进行拓扑结构的寻优和系统参数的整定，完善大功率交 流变频励磁装置的设计方法。(9)针对国内变速抽水蓄能机组继电保护技术的实际需求，需要 开展继电保护的关键技术和难点研究。主要包括以下内容：变速抽 水蓄能机组电气特征、运行方式及监控系统流程研究；交流励磁系 统接地保护技术研究；交流励磁系统短路故障保护技术研究；交流 励磁系统异常保护技术研究；国家电网State Grid国网新源控股有限公司STATE GRID XIN YUAN COMPANY LIMITED结语:变速机组的抽水蓄能电站是一种高效、先进的调峰调频电源，可为电网 安全稳定运行提供更有力的保障，是电网发展到一定阶段后电力系统管理的必要 工具。从电网运行考虑，可变机组具有良好的稳定性及变速恒频发电能力、更优 的调节性能、更广的调节范围，具有一定程度的异步运行能力和较好的调节系统 无功、深度吸收系统无功的功能，并可通过自动频率控制来提高电网供电质量；从电站自身运行考虑，可变机组具有提高机组效率和稳定性能、改善空化性能、具备功率调节功能等优势；从抽水蓄能电站建设角度考虑，可通过放宽选点水头 变幅要求，来增加电站建设规模，提高电站经济效益。