国产首台大型变频调速异步发电机的优越性

国产首台大型变频调速异步发电机的优越性
赵环宇
【摘要】为保证发电机组始终处于最佳工况下运行,从而能够最大限度地提高工作效率和电力系统的稳定性,只要采用隐极式(圆筒形)转子交流励磁的异步发电机来取代凸极式转子直流励磁的同步发电机,并通过调节转子三相交流励磁电流的频率、幅值和相位来改变运行转速,就可以达到目的.如果采用现代化的矢量控制,还可以在调节有功和无功功率的同时,使发电机的控制达到快速响应,满足电网运行安全可靠性方面的要求.这种新型变速发电机既可以用于抽水蓄能发电站,也可以用在风力发电站.最近开发并已成功投入运行的这种机组填补了国内空白,强化了国内外市场竞争实力.
【期刊名称】《防爆电机》
【年(卷),期】2012(047)006
【总页数】3页(P37-39)
【关键词】变频调速;发电机;开发应用
【作者】赵环宇
【作者单位】哈尔滨电机厂有限责任公司,黑龙江哈尔滨150040
【正文语种】中文
【中图分类】TM301.2;TM312.1
0 引言
转子变频调速的大容量发电机用于抽水蓄能发电系统时，通过变频调速可以控制水泵工况下的输入功率(如夜间或节假日期间)，这是不可调速的机组做不到的。

实践证明，变速机组主要用于抽水(运行时间比单速机组长7倍)，而同一电站的单速机组则主要用于发电。

调速发电系统的优点:(1)在抽水工况下，实现自动调频运行和
自由调速运行;(2)实施瞬时有功和无功控制;(3)在水泵起动时，通过增加输入功率来减轻对电力系统的冲击，并通过转速优化来扩大水轮机负载范围。

当它用于大型风力发电系统时，可使总的输出功率增加17%。

由发电设备国家工程研究中心自主
设计和制造的，调速范围为－10% ～5% 的6 500kW可变速轴流定桨式水电机组，已在新疆伊犁人民水电站投入运行、并网发电，从而填补了国内空白，并为今后建设水头变幅大、稳定运行问题突出、泥沙磨损严重的常规水电站和大型抽水蓄能电站以及风力发电站提供了可靠的依据。

1 基本原理
发电机的转子采用交流励磁，定子电流频率为f1时形成的旋转磁场转速为n1，角频率为ω1;当转子通以频率为f2的交流电进行励磁时，该电流产生相对于转子的
旋转磁场的转速为n2、角频率为ω2。

为实现有效的能量转换，电机定、转子的
旋转磁场必须保持相对静止，此时电机的机械转速为 nr，角频率为ωr，必须满足nr=n1－n2和ωr=ω1－ω2。

传统的交流发电机转子采用直流励磁，其频率为
f2=0，角频率为ω2=0，发电机便以同步转速旋转;当转子采用交流励磁时，f2≠0，ω2≠0，此时发电机以异步转速旋转，即nr=n1－n2。

由此可见，只要改变供给
转子的交流电流频率，则可改变ωr和nr，从而实现机组机械转速nr的调节，使
机组能适应水情或风情的变化而始终处于最优工况下运行。

2 调速系统
可调速抽水蓄能发电系统由发电电动机、变频器、保护装置和水泵水轮机等四部分组成。

2.1 发电电动机
与常规机组电机的凸极转子结构不同，发电电动机的转子采用隐极式，表面分布有三相励磁绕组，其频率可调的三相交流励磁电流由转轴上的6个集电环提供。

即
使转子不旋转，也会产生旋转磁场。

有的机组转速高达500r/min，其绕组线圈端部承受很大的离心力，必须采取有效的支撑固定措施，比如实施绑扎或采用U型
螺栓。

由于转子励磁电流很大，所以采用的电刷较多，而且还要增设粉尘过滤装置。

2.2 变频器
用于调速的自动换相逆变器/变频器，由GTO(门极可关断晶闸管)、GCT(门极换流晶闸管)以及IEGT(增强栅极晶体管)元件组成。

通常采用的负载换相循环变频器的
结构简单、布置紧凑，能将电源频率直接转换为低频。

但它不能调节电源功率因数，因而发电电动机和电源变压器的容量都要加大，而且还要多加谐波滤波器。

自动换相逆变器/变频器由AC/DC转换器、DC电路(带有电容器)和AC/DC逆变器组成。

AC/DC转换器可以控制电源功率因数近似为1.0。

由此可以减小电机和电源变压
器的容量，也可以不需要谐波滤波器。

2.3 保护装置
当电力系统发生故障时，定子绕组中会产生三相不平衡电流或故障电流。

同时在转子绕组中感应出高电压或大电流，会对转子绕组、相连的逆变器等造成严重损坏，所以必须装设过电压保护装置。

由快速响应晶闸管组成的过电压保护装置可以短接转子三相绕组，以便保护发电电动机二次回路不产生过电压。

2.4 水泵水轮机
普通机组在恒定转速下改变输入功率的唯一方法就是调节“导叶”或进水阀的开度，但是由此会引起很大的能量损耗并产生振动。

然而采用可调速系统时则可通过调节转速来改变输入功率，因为输入功率与转速的立方成正比。

通过调节转速还可使水泵水轮机的效率达到最佳值，与常规机组相比，在运行于水轮机工况下，可使效率
提高约5%。

转速的调节范围取决于水泵水轮机的初步设计，而且与交流励磁系统的容量有关。

控制系统采用d/q轴矢量控制原理来调节有功功率和无功功率，使
发电机的控制达到快速响应，这对保证电网稳定性非常有利，是常规机组做不到的。

3 优越性
3.1 提高效率
由于实现了对转子(二次侧)励磁电流频率进行控制来调节机组转速，也可称为是“变频调速”。

这与普通的变频(调节定子一次侧的电流频率)调速电动机不同。

采用交流励磁并通过转子进行变频调速时，可以通过调节转子励磁电流的频率、幅值和相位来保证发电机始终处于最佳工况下运行，达到高效和稳定。

即使在水力或风能状态不断变化情况下，也能使机组跟踪最优工况点，提高电力系统的稳定性。

如果采用现代化的矢量控制，还可以在调节有功和无功功率的同时，使发电机的控制达到快速响应。

一般情况下可使发电机组效率提高2.5%-4.5%。

但因需要配备变
频器和转子保护设备以及较大的占地面积，所以造价要比传统电机高。

但是由于它实现了高效率、低损耗运行，所节约的费用便可在1.5-3年的时间内，将初期多投入的成本收回。

3.2 调峰填谷
可调速抽水蓄能发电系统的优越性如下:(1)在电网负荷低谷期间，比如夜晚、节假
日等，机组处于水泵工况下运行时，水泵的输入功率可以自动调节;(2)最大的优势
是能够实施AFC自动调频运行;(3)实施有功功率和无功功率的控制;(4)最好将调速
机组和恒速机组搭配安置在同一电站，并使每个机组的总运行时间达到平衡，方法是调速机组主要用于水泵(泵水蓄能)工况下运行，而恒速机组则主要用于水轮机(发电)工况下运行;(5)用于比较小型的独立电网时，频率波动可从0.41Hz减小到0.26Hz。

而且在非发电工况下，水泵水轮机不再用于抽水蓄能，而是用作飞轮蓄能，此时将机组的转动部分(如发电电动机的转子和水泵水轮机的转轮等)作为飞轮
旋转进行蓄能，以便在用电的峰荷期间用来发电，发挥调峰填谷的作用。

4 维护经验
可调速抽水蓄能系统的维护项目与常规系统差别不大，大约每隔7-8年检查一次。

除了常规系统的项目外，它的特殊设备是交流励磁系统和大容量集电环、电刷等，所以需要增设以下维护项目:(1)检查半导体元件触发灯;(2)更换变频器的控制元件和机组的电力电容器;(3)更换脱离子剂的离子交换树脂;(4)清洗变频器的冷却器;(5)更
换电刷;(6)更换粉尘过滤器等。

5 结语
采用转子三相交流励磁、变频调速、定子仍然“恒频”发电的新技术，可使电力系统实现无功补偿、自动调频、跟踪最优工况、高效运行，同时还能提高电力系统的稳定性。

经过开发并已成功投入运行的这种机组填补了国内空白，强化了国内外市场竞争实力。

它既能用于抽水蓄能发电站，又适用于风力发电站。

就像定子变频调速交流电动机那样，这种转子三相交流励磁变频调速的发电机，也正在全球迅速普及。