浅谈抽水蓄能电站交流励磁系统设备选型及基本原理

浅谈抽水蓄能电站交流励磁系统设备选型及基本原理

吴红林

（国电南京自动化股份有限公司 南京 210032）

摘要：随着科学技术的发展，励磁系统也随之出现了一些新技术，如应用于抽水蓄能变速机组的交流励磁技术，能够实现抽水蓄能机组发电和电动运行时快速功率调节。交流励磁是变速机组的关键技术，能够在一定范围内连续调节电机的转速，以适应更宽的水头变化，同时也更好的支持电网稳定运行。

系统结构及组成

交流励磁系统主要由励磁变压器、功率柜（变频装置）、过电压保护装置、主控制柜等组成，如图1-1交流励磁系统结构图。

图1-1交流励磁系统结构图

功率组件

交流励磁系统功率柜采用交—直—交电压源型变频器，其容量选型需结合电机容量、转差功率、功率因素、变频器功率转换损耗，以及发电机详细励磁参数等。现阶段可根据电机容量、转差功率，以及预估的功率因数和损耗，初步估算出变频器容量，具体如下：

电机转差功率=电机容量×转速调节范围绝对值=250MW×11%=27.5MW。变频器容量需考虑变频器的功率因数及变频器的功率转换损耗，不同设备厂家的产品功率因数及功率损耗均不同，故不同厂家对于同一个项目所给出的变频器容量也不尽相同。现阶段计算变频器容量应充分考虑计算裕度，暂取功率因素0.8，功率转换损耗率0.8得出：变频器容量=电机转差功率/功率因数=27.5MW/0.8/0.8=43MVA，取整后暂定其容量在45MVA。

交流励磁功率柜采用全控型器件，并联运行的支路数按照N+1原则进行配置，暂定支路数量为4路。当交流励磁功率柜的一个支路退出运行时，其他3路功率组件应满足电动机组运行的各种工况运行需要，包括强励工况。功率柜3个支路容量和应不小于45MVA，每个支路不小于15MVA。故本工程交流励磁功率柜初步拟定为4个支路，每个支路容量不小于15MVA。

上述关于变频器容量以及变频器功率组件各支路容量的选择均为估算值，由于现阶段缺少电机详细的励磁参数，且不同的交流励磁系统设备厂家产品的特性不同，最终需在项目实施阶段，以设备成套供应厂家出具相应的计算书为准。

励磁变

交流励磁功率柜为4并联支路，每个并联支路配置一套三相式环氧浇注、自然冷却的干式变压器，共计4套，绝缘耐热等级H级。变压器容量应能满足每个支路功率组件的有功输入。变压器容量选择原则如下：

变压器容量×变压器功率因数≧支路功率组件容量×功率组件功率因数，其中变压器功率因数取0.8，变压器容量≧15MVA×0.8/0.8，故变压器容量大于15MVA。

现阶段关于励磁变的数量及容量为估算值，最终需在项目实施阶段，以设备成套供应厂家出具相应的计算书为准。

保护装置

交流励磁系统在变频器与转子之间设置一套保护装置，详见1-1，保护装置由Crowbar回路及耗能电阻组成。保护装置可以在电网侧电压故障时，将转子绕组短接从而旁路转子侧变频器，为转子侧的浪涌电流提供一条通路。电网电压跌落会造成转子侧过电流，当励磁系统控制单元检测到该过电流时，开通Crowbar电路，并旁路转子侧变频器，此时转子电阻及Crowbar放电电阻将双馈电机中的磁链暂态分量迅速衰减。最终达到保护变频器的功能。另外，在变速机组正常停机时，利用其快速反应特性迅速将励磁电流减至零。

在机组或电力系统事故时，交流励磁系统可通过以下3种情况，实现交流励磁回路过电压保护：

小事故电流，通过使交流励磁系统控制单元改变输出频率，将能量回馈给电网来吸收事故能量；

中等事故电流，通过变频装置直流回路电压限制装置（斩波器），吸收事故能量；

大事故电流，通过转子与变频装置之间的过电压保护装置，吸收事故能量。

过电压保护装置的容量要考虑事故持续时间及事故电流，并留有一定的裕度。

控制设备

储能工厂计算机监控系统机组控制单元的核心控制设备为机组LCU现地控制单元，下属关于变速调节功能部分的控制设备有交流励磁系统控制单元、协调控制单元、调速器控制单元等。其中交流励磁系统控制单元主要由功率控制器及主控器两部分组成。

交流励磁系统控制单元为励磁系统的核心控制设备，主要完成励磁电源的控制任务，包括：

与机组LCU现地控制单元实时数据交换，接受控制令及上送数据；

各电量的监测、滤波及数据前处理；

变频器控制算法及设计；

与机组协调控制单元数据通信，接受协调控制单元的调节指令；

变频器控制信号的产生、输出、控制及故障信号的检测；

变频器的保护；

变频器冷却系统的控制。

协调控制单元的控制功能主要包含：

与机组LCU现地控制单元进行实时的数据交换，接受控制令及上送数据；

接收调度发出的功率指令，根据当前扬程及水泵运转特性曲线（扬程-开度-转速-入力曲线）进行协调控制，确定最优转速和导叶开度，并发给交流励磁系统和调速系统执行；

在系统运行之初进行自学习，不断优化控制策略，并对水泵运转特性曲线进行修正，从而达到变速水泵的最优运行状态。

机组LCU现地控制单元关于变速的控制功能主要包含：

与交流励磁系统控制单元及协调控制单元进行实时的数据交换；

机组开停机顺控流程中对交流励磁系统控制单元及协调控制单元进行控制，并接受其反馈信号；

接收调度发出的功率指令，并下发至协调控制单元执行。

基本原理

变速机组的核心为双馈异步感应电机，其定子绕组直接与电网相连，转子绕组通过变频器与电网连接，转子绕组电源的频率、电压、幅值和相位按运行要求由变频器自动调节，机组可以在不同的转速下实现恒频工作。不同于定速机组的直流励磁，由于变速机组采用了交流励磁方式，电机和电力系统构成“柔性连接”，即可以根据电网电压、电流和电机的转速来调节励磁电流，精确的调节电机机端电压，满足用电负载和并网的要求。

变速机组在转子三相对称绕组中通入三相对称的交流电，将在电机气隙间产生磁场，此旋转磁场的转速与所通入的交流电的频率及电机的极对数p有关。

              （2-1）

式（2-1）中，为转子中通入频率为的三相对称交流励磁电流后所产生的旋转磁场相对于转子本身的旋转速度（r/min）。改变频率,即可改变。因此若设为对应于电网频率50Hz（=50 Hz）时发电机的同步转速，而为发电机转子本身的旋转速度，只要转子旋转磁场的转速与转子本身的机械速度相加等于定子磁场的同步旋转速度,即

               （2-2）

则定子绕组感应出的电动势的频率将始终维持为电网频率不变。式（2-2）中，当与旋转方向相同时，取正值；当与旋转方向相反时，取负值。

由于

                  （2-3）

将式（2-1），式（2-3）代入式（2-2）中，式（2-2）可另写为

               （2-4）

式（2-4）表明不论发电机的转子速度如何变化，只要通过转子的励磁电流的频率满足式（2-4），则双馈异步电动机就能够发出与电网一致的恒定频率的50Hz交流电。

由于发电机运行时，经常用转差率描述发电机的转速，根据转差率，将式（2-4）中的转速用转差率替换，则式（2-4）可变为

                 （2-5）

需要说明，当<1时，为负值，可通过转子绕组的相序与定子绕组的相序相反实现。

通过式（2-5）可知，在双馈异步发电机转子以变化的转速运行时，控制转子电流的频率，可使定子频率恒定。只要在转子的三相对称绕组中通入转差率（）的电流，双馈异步发电机可实现变速恒频运行的目的。