变速恒频水力发电技术及其发展(5)
3.6 变速发电系统应用与推广
目前,变速恒频技术在水电领域的应用不广,主要是由于投资性价比不高。据美国阿贡国家实验室研究[13],水电站采用变速机组将增加投资成本7%~15%,主要来源于设备成本,并且由于国内变速水电行业还不成熟,其初期投资成本与运行维护费用还将进一步增加。
而从变速恒频技术的效率提升来看,文献[19-20]中机组变速运行可提高其效率约10%。即使是水头变化区间较窄的400 MW 大型水电站,仍能获得约3%的平均效率提升[48]。加之考虑到变速运行对于电站的节水效应,机组低速运行有利于减缓水的流速从而提高水资源利用率。综合来看,变速恒频对于水电应用的效益提升颇为可观。
综上分析,变速恒频技术虽能提高电站的水能利用率,却也存在着设备及运行维护成本显著增加的问题。但从节能与可持续发展来看,变速水电技术仍具有重要意义,结合国内变速水电应用现状,推广建议如下。
1)变速水电技术优先改造小水电,现阶段不少小水电存在开发不当导致河流改道、断流,严重影响河道健康[23]。变速水电机组无须断流、截流就能实现全年高效发电,有利于优化利用水资源、保护生态环境。
2)为充分利用变速水电系统的效率提升及省水效果,应优先改造年周期水头变化范围广、额定工况占比不显著的水电站。
3)更多的国家政策扶持以及科研投入有利于推动国内变速水电市场的发展及相关技术进步,为市场与技术的成熟提供驱动力。
4 变速恒频技术的难点与重点
4.1 最大功率点跟踪控制技术
水电最大功率点跟踪(maximum power point tracking,MPPT)控制是发电机根据输入能量而调整水轮机速度从而获得最佳运行效率的高效率控制方法,MPPT 控制被广泛应用于光伏发电[49]与风力发电场合[50]。但基于不同能源在能量转换上的差异性,需要对水力发电的MPPT 控制技术另行加以研究。
一些研究通过数据拟合的方法建立了水轮机效率回归模型[5,18,41]。以文献[18]为例,其选用的水轮机效率曲线如附录A 图A4 所示,电站水头H为1.5 m 时,水轮机的最优效率转速随着流量Q的增大而上升。当机组处于运行状态时,可以根据电站水头、流量和导叶开度利用数据库查表或者求解水轮机效率模型得到相对应的最优效率转速。也有研究采用自适应算法求解最佳转速[40],实现方法为通过给稳态机组施加转速扰动,并观察功率反馈情况以采取下一步的调速措施,直到搜寻到当前状态的最佳转速,该方法具有无须实时测量水文数据、无须依靠准确的水轮机效率模型的优点。
根据水电站的实际运行特性,机组入水端往往建有水库或蓄水池,保证了入水流量与水头变化的相对稳定性,故机组的输入功率变化相对平缓。对于无水位、流量传感器的水电站,区间扰动观测法能简单、有效地实现MPPT 控制,但控制程序需建立准确的发电机功率计算模型作为信号反馈。
4.2 故障检测与容错运行技术
变速恒频发电机组控制系统复杂、过电流环节与电气设备较多,导致系统的故障因数比传统恒速发电系统更高。当机组部分环节出现故障时,及时的故障检测能够有效防止故障的进一步扩大,降低机组损失。此外,容错运行技术能使机组在故障状态下继续运行,避免因为故障停机而影响到用户的电能需求以及电站的经济收益。因此,系统的故障检测与容错运行技术对于机组稳定运行十分重要。
文献[51-54]以印度4×250 MW Tehri 水电站为研究对象,分析了交流励磁双馈发电系统中变频器的常见故障类型、故障发生后的系统动态响应以及容错运行控制技术。文献[55]分析了基于MMC和IGCT 的大型FSC 发电系统的故障穿越能力。
多电平并联变流器拓扑冗余设计,以及新型功率半导体器件(绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)、注 入 增 强 栅 晶 体 管(injection enhanced gate transistor,IEGT)与新材料(SiC)的开发等有利于突破现有变流器的额定值限制、提高机组的故障穿越能力、降低功耗与电流谐波,对保障机组持续健康运行以及保证电站经济效益具有重要意义,有望成为故障检测与容错运行技术的重要突破方向。
4.3 机组优化调度技术
水电站通常搭配多套发电机组以提高水能利用率,传统恒速机组往往通过调整导叶阀开度来调节输入功率,而高速低开度可能使得机组运行工况严重偏离最佳工况点,造成能源的严重损失。机组的优化调度技术使得变速机组能够通过合理配置众多变量(如开机数量、时间及顺序、导叶阀开度、机组转速等),从而实现电站效能的多目标优化(节约耗水、提高效率、调峰填谷等)。文献[39]以电站最大输出功率为优化目标,设计了不同流量下2 台150 kW FSC 机组的并行调度算法。文献[55]基于动态规划算法分配了抽水蓄能电站的发电与泵送时间,该方案能在保证水库蓄水量的基础上有效增加电站的发电盈利。
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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