变速恒频水力发电技术及其发展(2)
式中:f为电机输出电频率,与电网频率一致;p为电机极对数;n为发电机机械转速。
通常来说,恒速发电机组运行于额定水文条件下时具有最佳能量转换效率以及运行环境,在实际应用中,机组也是根据电站的额定工况来设计水轮机的运行转速。但当电站工况偏离额定点时,机组的最佳运行转速也将发生变化,显然恒速机组无法做到转速的随动调节。
2 变速恒频水力发电技术概述
水轮机的水能捕获效率与电站水文条件、机组运行转速等紧密相关。当电站水头、流量恒定,水轮机效率与运行转速呈单峰曲线关系,即水轮机存在一个最佳转速值使得效率最高。文献[18]基于实验测算结果建立了卡普兰水轮机的效率插值模型,本文根据效率插值模型绘制的效率-转速-流量的三维曲面如附录A 图A2 所示。可知,每一个流量值对应着一个最佳效率运行转速,且最佳运行转速随着流量的不断增加而升高。当水文条件达到额定工况时,最佳转速即为恒速发电系统的额定转速。
与恒速发电系统相比,变速电站具有诸多优势[19-25],集中归纳如下。
1)提高水轮机效率:机组转速能够根据进水流量的变化而变化,能有效保证水轮机在运行区间内均保持最佳水能捕获效率从而增加系统发电量,据文献[19-20]研究结果,变速运行机组可提高效率约10%。
2)减少空蚀效应,降低机组噪音、振动:水轮机转速偏离最优转速时,水轮机效率降低,气蚀系数增大[21],腐蚀和振动增加,机组运行工况恶化,并破坏水轮机的叶片、转轮等过流部件,使叶片受到剥蚀,导致叶片产生麻点与局部破损(见附录A 图A3),进而降低水轮机出力效果,破损严重时可能导致效率降低5%~15%[22]。而机组变速运行可以优化水轮机负荷调节,有利于解决水流速与水轮机转速的不匹配问题,从而有效降低发电机气蚀、噪声、振动和磨损,延长水轮机寿命并增加系统的稳定裕度。
3)有利于生态流量下泄:恒速电站为了使机组处于高效运行区间,通常采用引水和分时段蓄水的方式来尽可能保证机组满功率发电。但过度引水与蓄水将造成河段的时段性断流,导致河床干枯,严重影响到下游地区畜牧、饮水、河道健康以及生态环境[23]。而采用变速发电技术则无须拦水,依靠调节机组转速即可保证电站的高效运行。
4)有利于电站节水:水轮机转速与出水流量具有正比关系,转速越高则出水速度越快。恒速发电机组在全运行周期内均以额定转速运行,不利于电站节水,这一状况在枯水季还将进一步加剧。变速发电机组能够根据进水流量调节转速,进水流量越小时水轮机转速越低、系统节水效果越好,这对电站节能具有重要意义。
5)更加灵活的电站选址及机组容量选择:如果机组转速可调,则无须维持上游水库的水位平稳。往往维持水库水位平稳需要建设较大面积的水库,改用变速系统可以考虑减小水库面积并加深水库深度。
另一方面,变速装置可以更加灵活地选择机组容量及数量,由式(1)可知,受电网频率与电机极对数的限制,恒速机组的可选转速值较少,且可选转速之间的间隔较大,当额定最佳转速处于2 个转速中间时,可能造成效率和成本的损失。再者,一些水电站由于年水位变化大,往往选择建造多套机组来适应水位变化,在枯水期只开部分机组,这样不仅可能造成能源的浪费,同时也增加了电站成本。
6)改进了抽水蓄能电站负载调节及自启动能力:抽水蓄能电站依靠各种控制设备(如导水阀、流道和调速器)来组成电站所需的限速器系统。这些设备重而难以维护,并且对调度员的操作反应迟钝,导致导水阀极少调整,这使得高扬程下抽水蓄能电站泵送涡轮机受力严重并产生振动[24]。而变速系统能够有效解决上述难题,其无须调整导水阀,仅通过调整变换器触发角就能够在转速区间内调整电动机转矩实现负载调整[19]。其次,当抽水蓄能电站从发电模式过渡到泵送模式时,需要配备辅助电动机用于使系统加速,并且辅助泵通常需要在脱水状态下才能启动涡轮机,这大大增加了系统泵送的时间成本[25]。若采用变速系统则几乎在电动机启动时就能开始泵送,节省了辅助电机成本以及运行收益的时间损失。
7)更好的控制效果和更高的电能质量:变速系统中变频器能够根据电网需求精准补偿无功能量,仅需要改变输出电流相位角就能调节有功、无功功率,无需额外的补偿装置。另外,快速发展的电力电子技术与电能调制技术也帮助系统有效减少了电流谐波[26]。
文章来源:《水力发电学报》 网址: http://www.slfdxbzz.cn/qikandaodu/2021/0118/428.html
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