变速恒频水力发电技术及其发展(9)
This work is supported by National Key R&D Program of China ().
0 引言水电是清洁与可再生能源中发展最早、供应最稳定、发电量最大的电力能源。根据国际能源署数据[1],至2019 年底,全球发电量达到28 400 TW·h,其中水力发电量达到4 500 TW·h,占比总发电量约15.8%,占比可再生能源发电量约57.1%。中国水能资源丰富,无论是水资源蕴含量还是可开发量均居世界第一位,但中国水电的整体开发程度并不高,与发达国家相比仍有较大差距[2]。同时,火力发电占比总发电量过高(70%以上),不利于环境保护与可持续发展,因此未来水电行业发展仍有较大的提升空间。传统水力发电站为满足电网频率的要求,水轮机及发电机需要保持恒速运行。而受水轮机能量转换特性约束,水轮机效率与运行转速以及进水流量存在耦合关系,当流量变化时,水轮机的最优效率运行转速将随之发生改变[3]。并且,由于受到地区降水以及季节变化的影响,水电站的输入端水头变化明显,其进水流量可能长时间偏离电站的预期工作点[4],然而水轮机需要一直维持额定转速,此时水轮机转速与流量的不匹配关系不仅会影响机组的水能捕获效率、严重降低水电站输出功率[5],还会加剧水轮机的空蚀效应,进一步增大机组噪声和振动、减少水轮机使用寿命[6]。针对恒速发电的诸多弊端,变速恒频发电技术逐渐成为了研究热点。前苏联、日本和美国等相继对交流励磁变速发电技术展开研究[7]。1987 年日本成出电站首次投运了22 MW 可变速抽水蓄能发电机组,随后又相继投运了多个可连续调速发电机组[8];此外,德国与斯洛文尼亚也分别投运了大型可变速发电机组。研究表明[9],采用变速发电技术能够在变速运行范围内有效提高效率并改善水轮机运行条件。本文针对国内外现有变速发电技术进行了综述,介绍了水力发电机组的常见类型及其系统功能;讨论了传统恒速机组与变速机组的发电运行特性以及优缺点;探讨了变速机组的不同拓扑结构的发电原理及适用性;分析了变速水力发电技术发展的重点与难点;展望了变速恒频发电技术的未来发展方向。1 水力发电系统水力发电将由水位落差产生的势能经水轮机转换为机械能,再经发电机将机械能转换为符合电网要求的电能。水电站按照水源的性质可分为常规水电站、抽水蓄能电站、海洋能电站等类型 水电站类型1.1.1 常规水电站常规水电站通常利用天然河流、湖泊等水能资源,使得水电站的上、下游形成一定的落差,构成发电水头从而积蓄水能进行发电。常规水电站按照集中水头方式的不同又可细分为坝式、引水式和混合式。常规水电站是最常见同时也是装机量最大的水电站类型,为电网提供主要的水电资源消耗 抽水蓄能电站抽水蓄能电站是具备调峰、填谷及事故备用等功能的特殊电站。抽水蓄能电站具有大规模能量储备能力,能够根据电网负荷曲线对电能进行调节。在电网低负荷时,电站处于水泵模式将低处水库的水抽到高处水库进行水能储备,待到电网负荷高峰时,电站切换为发电模式放水发电,从而满足电网电力高峰负荷的需要[10]。抽水蓄能电站是高效且实用的能量储备系统,其综合运行效率区间达到70%~85%[11-13],对保障电网安全稳定和经济高效运行有着重要的作用 海洋能电站海洋能电站是指利用海水流动产生的海水势能差而发电的新型电站,海洋能大多由太阳辐射以及月球引力所产生,主要包括温差能、波浪能、潮汐能。其中海洋受太阳辐射导致海洋表层水温升高,进而与底层海水之间形成温差能[14];波浪能是由于太阳能的不均匀分布导致海面空气流动而产生波浪运动[15-16];海洋受月球引力影响导致海面升高而形成的位能称为潮汐能[17] 恒速发电系统附录A 图A1 为常见的恒速发电系统结构,上游水库水势能通过导水机构驱动水轮机,水势能转化为机械能,水轮机轴联发电机旋转进一步将机械能转换为电能。系统运行过程中,励磁机为同步发电机转子提供励磁电流并负责电网的无功能量补偿,同时调速器对发电机转子转速加以控制并维持恒定,发电机定子侧连接电网并输出交流电。恒速发电机组多采用同步发电机,发电机转速受电网频率约束,其输出的交流电频率与电网频率一致。发电机转速与电网频率存在如下关系: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]。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 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 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] 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 systemFSC 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。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 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] 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 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?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 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 区域水资源分配与节流技术受地势影响,同一流域往往分段建造多级电站同步发电(尤其对于小微型电站)。然而流域中部分电站的过度引水可能导致局部河段失水,影响该区域生态环境。不仅如此,传统恒速电站在枯水时期高速少水的运行模式还会造成水资源利用率下降与经济损失。变速电站的低速少水运行模式能有效兼顾下游生态用水与电站经济效益,却也带来了同流域多个变速电站的联合优化调度问题。采用最优化控制方法是解决联合调度问题的途径之一,控制程序以不同电站的运行转速为设计变量、不同河段的储水量为约束条件、电站集群的经济效益为目标函数,实时求解并得到各机组运行转速分配方案,有利于区域电站在枯水时期平衡经济效益与生态流量之间的矛盾。5 结语水电是清洁与可再生能源,体量巨大,极具发展潜力。传统水力发电机为恒速运行,存在效率低下、运行条件恶劣、水资源浪费以及影响生态流量排放等缺点。变速恒频技术被公认为是有效解决上述问题的发电技术,并被日本以及欧洲多个国家广泛应用于水力发电领域,而中国目前尚无已投运的大型可连续调速水电站,由此可见国家对变速水力发电领域的关注度以及研究投入较少。基于此,本文对变速恒频发电技术的优缺点、适用性、运行原理、实现方法以及发展现状进行了综述,并进一步分析与展望了变速恒频技术的难点、重点以及未来研究发展方向,为日后研究与开发高性能变速恒频水力发电系统奠定了基础。附录见本刊网络版(http:///aeps/ch/),扫英文摘要后二维码可以阅读网络全文。参考文献[1]International Energy Agency. 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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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