变速恒频水力发电技术及其发展(4)
FSC 发电系统的变频器容量与机组容量一致,故系统能在全功率与速度范围内实现无级调速。FSC 发电系统在直驱风力发电中应用广泛[42-43],受风速影响,风力发电机运行转速较慢,导致风力发电机设计体积较大。而水电站水流速要远大于风场风速,故相比之下水力发电机体积与成本得以减少。并且发电机保持了同步电机结构简单的优势,取消了故障率和维护率高的滑环和电刷。当发电机选用永磁电机时,电机谐波和损耗还能进一步降低。
综上,FSC 发电系统具有结构简单、故障率低、效率高、控制性能优越等优点。然而,该系统的缺点同样鲜明,变流器的全功率特性使得机组成本明显增加。
3.4 各变速发电系统特性对比
基于上述3 类变速恒频发电系统实现方法的差异,导致各自系统的运行性能以及适用范围也不一样,不同变速恒频发电系统的结构差异以及性能对比分别如表1、图4 所示。
表1 不同变速恒频系统的结构比较Table 1 Structure comparison between different variable-speed constant-frequency systems变速恒频系统交流励磁系统无刷双馈系统FSC 发电系统发电机类型交流励磁电机无刷双馈电机永磁同步电机换相设备有无无变频器容量机组部分容量机组部分容量机组全部容量变频器位置转子侧转速运行范围部分定子侧部分定子侧全部
图4 不同变速发电系统的性能对比Fig.4 Performance comparison of different variablespeed generation systems
综上可见,交流励磁系统支持局部范围调速,系统变频器成本显著降低,使得该系统尤其适用于大中型抽水蓄能电站[13],并且有关交流励磁调速技术的研究开展较早[8],技术已趋于成熟。目前,交流励磁系统最高调速范围达到576~624 r/min,水头超过700 m,功率达到340 MW,该抽水蓄能电站已于2007 年在日本投运[44]。
无刷双馈系统相比于交流励磁系统省去了机械换相装备,提高了系统可靠性。但也存在着发电机定子体积偏大的问题,同时,受功率绕组和控制绕组的极对数比例关系的限制[37],无刷双馈电机的额定转速要远大于交流励磁电机,甚至需要搭配变速箱,该系统更多地应用在风力变速发电中[37],水力发电应用较少,目前相关研究仍处于实验阶段,且多针对小型水电站[34-35]。
FSC 发电系统由高效率永磁电机以及FSC 组成,搭配空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation,SVPWM)技术,使得该系统同时具备高可靠性、高效率以及高性能的优势。但由于变频器成本较高,限制了其在大中型水力发电场合的应用,现有FSC 发电系统的应用多集中于小微型电站[38-41]。
3.5 各变速发电系统适用性分析
基于各变速发电系统的性能对比结果,无刷双馈系统采用定子双极方案虽省去了机械换相设备,却大大增加了定子体积以及绕组复杂程度,不利于机组的高性能控制。并且其调速范围有限,故并非变速水力发电系统的优选方案。一般来说,对于大型发电站(大于100 MW),其年周期水头变化并不显著,机组局部变速即可获得发电量的提升。而变频器容量占额定容量30%的交流励磁系统能够获得±10%的调速范围,兼具成本降低与效率提高的优势,这使得交流励磁系统尤其适用于大型水力发电系统。
而对于FSC 发电系统,由于系统中发电机与电网解耦,发电机能在广阔的功率运行区间内实现任意调速且具有高动态响应能力,机组能够便捷地实现无功补偿调节,具有较好的低电压穿越能力,有利于电力系统电能质量与稳定性的提高。对于小微型水力发电站(小于5 MW),系统变频器成本处于可接受范围,若对已有的恒速电站进行改造,系统经济性还将进一步提高,因此,FSC 发电系统在小微型水力发电站的应用与升级改造具有可观的前景及重要的意义。目前,全球最大的100 MW 变速FSC 水电站于2013 年在瑞典的Grimsel 2 电站装机使用[45]。随着模块化多电平变流器(modular multilevel converter,MMC)、集 成 门 极 换 相 晶 闸 管(integrated gate-commutated thyristor,IGCT)器件、碳化硅(SiC)器件等电力电子相关技术的快速发展,更高容量等级的FSC 发电系统将被逐渐应用于变速水力发电站,据文献研究结果[46],FSC 发电系统采用MMC 和IGCT,机组的最高容量可达500 MVA。另一方面,根据摩尔定律,电子元器件价格逐年快速下降,变频器占变速发电系统的成本比例也将逐渐减小[47],由此可见FSC 发电系统的优势将愈加显著,未来即使是在大功率场合仍有望成为变速水力发电站的主流方案。
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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