变速恒频水力发电技术及其发展(3)
然而,变速恒频技术在提升运行性能的同时,也会给发电系统带来一些不利因素,主要包含以下几个方面。
1)成本的相对增加:虽然变速机组省去了调速器、励磁机等装置,但新增了价格昂贵的变频器,设备总投资会相应增加。投资的增加主要是由于电气设备成本的上升。另一方面,变频器结构复杂且电气元件价格相对较高,加之国内目前尚无大型变速水力发电机组的运维及管理经验[27],因此变速机组的管理维护费用也会相应增加。
2)控制系统更加复杂、电气故障因数增加:变速恒频技术涵盖电气与控制工程的多门学科,导致机组的控制系统更加复杂,机组需要多种电气设备来满足控制需求,如功率半导体器件、电容、驱动与控制模块等。这些设备在优化机组性能的同时也给系统带来了不稳定性,系统的局部环节出现问题都可能导致机组故障停机,这无疑增加了系统的电气故障概率。
3 变速发电系统分类及特性分析
目前研究与开发的变速发电系统主要有:交流励磁双馈发电系统、无刷双馈发电系统以及全功率变流器(full size converter,FSC)发电系统。下文对各系统原理、运行特性、适用性以及优缺点进行简要分析。
3.1 交流励磁双馈发电系统
恒速同步发电机转子由直流电励磁,其转速与定子合成磁场同步。由于电网频率恒定,转子同步转速亦保持恒定,故机组无法变速运行,仅能调节转子励磁电流幅值而实现无功功率调节,并且受静态稳定能力的限制,机组难以做到深吸无功[28]。
交流励磁双馈发电系统中,电网通过变频器与发电机转子相连,并给转子励磁绕组提供交流励磁电压,双馈发电系统结构如图1 所示。
图1 交流励磁双馈发电系统结构Fig.1 Structure of excitation doubly-fed AC generation system
系统调速运行时,电网频率fs、转子励磁频率fr与电机机械转速ωr具有如下关系:
fs恒定,当fr为正时,电机处于亚同步状态,发电机转速低于电网频率转速;当fr为负时,电机处于超同步状态,发电机转速高于电网频率转速。由此,通过改变励磁频率就能够自由调节发电机转速。
交流励磁双馈发电系统除了支持变速运行外,还具备以下优点:①励磁电流幅值及相位可调,可平稳地调节发电机输出的有功与无功功率,具有比传统同步发电机更广的进相范围[28];②变频器容量与调速范围有关,对于局部调速机组,变频器的容量和体积能够大大减小,机组成本得到有效降低,这些优点使得它尤其适合大容量抽水蓄能电站[28-33]。但同时交流励磁电机也存在故障概率高的机械换相设备(滑环、电刷),不利于机组稳定运行。
3.2 无刷双馈发电系统
与交流励磁双馈发电系统相比,无刷双馈发电系统取消了滑环和电刷,不对转子绕组进行交流励磁,而是采用2 套定子绕组实现变速双馈发电,其系统结构如图2 所示。
图2 无刷双馈发电系统结构Fig.2 Structure of brushless doubly-fed generation system
无刷双馈发电系统中,定子绕组中直接与电网相连的为功率绕组,极对数为pp;通过变频器间接与电网相连的为控制绕组,极对数为pc。当转子以ωr的速度旋转时,2 套绕组在转子中感应磁动势具有同步角速度,电机具有如下稳态关系[34]:
式中:fp为功率绕组频率;fc为控制绕组频率。电机发电运行时,功率绕组频率与电网频率一致并保持恒定,此时通过改变控制绕组频率便可实现机组变速运行。
无刷双馈变速方案具有一定的调速范围[35],变频器只需为定子控制绕组提供“转差功率”,其容量与成本得到有效降低。同时由于该方案取消了电刷与滑环,系统可靠性要优于交流励磁双馈系统。但由于定子采用2 套不同极对数的绕组结构,导致电机结构复杂、谐波含量增大、损耗增加、电机设计难度上升[36]。另一方面,双绕组导致了定子槽空间与电机体积相对增加[37]。
3.3 FSC 发电系统
FSC 发电系统不同于上述2 种双馈系统,其变速方案不从电机本体结构出发,而是通过背靠背三相桥式电路先整流后逆变实现变速恒频发电,发电机仍以同步的方式运行。因此,FSC 发电系统的控制技术比双馈系统更容易实现[38],其系统结构如图3 所示。
图3 FSC 发电系统结构Fig.3 Structure of FSC generation system
FSC 发电系统中,发电机定子经变频器与电网相连,发电机以任意转速运行时,定子输出的交流电先经机侧变流器整流为直流电,后经网侧变流器逆变为工频交流电。实际运用中[38-41],通常根据当前水文条件(水头、流量)计算得到最优转速值,机侧变流器利用比例-积分调节对最优转速值作闭环控制,从而实现最优转速跟踪。
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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