可变速抽水蓄能发电电动机功率特性分析

可变速抽水蓄能发电电动机功率特性分析
发布时间：2023-03-28T05:33:18.652Z 来源：《工程建设标准化》2023年第1月第1期作者：杨帆
[导读] 抽水蓄能电站是世界公认的运行灵活且安全可靠的调峰电源，并逐步成为电网调峰调频及平抑可再生能源负荷波动的重要组成部分。

杨帆
神华（故城）新能源有限责任公司河北省衡水市 253800
摘要：抽水蓄能电站是世界公认的运行灵活且安全可靠的调峰电源，并逐步成为电网调峰调频及平抑可再生能源负荷波动的重要组成部分。

但由于抽蓄机组的多源异质特性以及其评价指标和方法各异，给综合评价抽蓄机组功率调节性能带来巨大挑战。

充分调研国内外相关研究成果，对抽蓄机组功率调节性能进行分析，介绍了综合评价的评价指标、指标体系以及评价方法，探讨了抽蓄机组功率调节评价研究的发展趋势，从而为抽水蓄能工程的应用与发展提供有力支撑。

关键词：抽水蓄能电站；发电电动机；功率特性分析
随着核电等基荷电源和风电、光伏等间歇性可再生能源在电网中所占比例的日益增大，电网安全稳定运行(尤其是夜间频率控制)变得更为困难，弃风弃光问题愈加突出。

抽水蓄能电站在调峰填谷、保障电网稳定运行方面作用突出，但一方面，常规定速抽水蓄能机组作为水泵运行时，水泵的功率不可调节，限制了其对电网调节作用的发挥；另一方面，抽水蓄能机组需要运行在发电和抽水两种不同的工况下，两种工况有着不同的转速—效率曲线，恒速抽水蓄能机组不可能在两种工况下都获得最高效率。

1发电电动机的特点
相比于常规的水电发电机，抽水蓄能发电机在运行过程中对工况有了进一步的要求，在进行设计与制造工作方面的标准更高一些，具体特点如下。

首先，要充分考虑到抽水蓄能电站的特点，其自身运行机制决定了每天需要启停与工况转换频率多次，要求发电电动机能够适应这样的工作模式，才能在整个系统运行过程中有效落实调峰、调频等工作内容。

其次，在进行抽水运行过程中，机组在电网低谷时会将电网多余的功保留起来，并将电能转化为势能。

在发电运行状况下，电网高峰时期会将之前储备的势能转化为电能，在具体实践运行过程中，这两部分转化作业恰好相反。

在对发电电动机进行设计时需要考虑到双向运行的需求，在进行轴承结构设计与通风冷却系统设计时都要考虑到双向旋转。

再次，要想保证在抽水运行过程中发电电动机的电流处于平稳状态，需要制定具有针对性的启动措施。

相比之下抽水蓄能发电电动机的尺寸相对较小、磁极对数不多、通风冷却有一定的难度。

最后，发电电动机的启动，常规状态下有异步启动、同步启动、静止变频等启动方式，通常会以总装机容量为参考做出最终决定。

但从当前发展趋势来看，静止变频启动方式与抽水蓄能发电站的运行模式最相匹配，也是当前常用的启动方式。

2 发电电动机的功率因数
为了于抽水蓄能电站运行过程中的两项需求，抽水与发电相匹配适应，发电电动机的功率参数同样包含抽水于发电两种运行状况的功率条件。

发电电动机的额定功率参数与接入系统方式级输电距离的远近级系统中无功功率的配置与平衡相关，并且会影响到发电电动机主体造价、电站相关电器装备型号选择等。

为了得到更多的经济收益，发电机与电动机的功率要保证大概一致并且要以抽水蓄能电站的整体情况为基础选择具体的参数。

如果选择额定功率较高的参数，能够在适当的情况下减少发电电动机的重量，在一定程度上控制成本。

但是如果参数设置过高，则会对系统的稳定性造成一定的影响。

如果选择额定功率较低的参数，变会增加发电电动机的视在功率，导致材料成本上升。

3抽水蓄能机组功率调节特性分析
根据抽水蓄能机组的功率调节特性，可将机组分为定速抽蓄机组与变速抽蓄机组。

由于定速抽蓄机组的转速为固定值，水泵工况的扬程与功率符合单一映射的函数关系，改变导叶开度对机组输出功率进行调节时，过程较慢，难以满足电网功率快速调节的要求。

这种机组无法对电网功率的短时、瞬时波动做出响应，且无法调节、消纳电网多余功率。

相较于定速抽蓄机组，变速抽蓄机组的优势在于抽水工况可进行自动频率控制、发电工况瞬时有功功率和无功功率调节，同时还有助于提高系统的稳定性，实现机电系统柔性连接，提高发电效率，控制电网负荷频率，避免可再生能源并网后出现频率大幅变化问题，提高电能质量。

变速抽蓄机组合理的功率调节可以使水轮机和水泵的运行效率普遍提高 3％～10％左右，并且在抽水工况下抽蓄机组功率调节，具有调节机组人力的能力。

因此，变速抽蓄机组已逐步取代定速抽蓄机组。

抽水蓄能发电机功率分为有功功率调节和无功功率调节：
3.1有功功率的调节
有功功率的调节即原动机输入功率的调节。

有功功率调节应重视的几个问题：首先，增加有功功率的速度应遵照有关规程的规定，或制造厂家的要求。

有功功率增加的速度不宜太快，否则将对发电机的结构产生不利的影响。

当然也不应无根据的限制有功功率增长的速度，这将延误供电时间，特别是在事故情况下，尤为重要。

其次，有功功率的调节还要特别注意原动机输入功率的配合问题，特别是火力发电厂或热电站等，要充分注意锅炉的供汽能力和热负荷的调整，使其协调。

本人曾经历过因发电机有功功率增长过快，锅炉供汽能力一时跟不上，压力急速下降，造成被迫停机事故。

最后是静态稳定问题，同步发电机的静态稳定：即是指在电网或发电机组原动机方面，运行参数发生一些微小的扰动，在扰动消除后，发电机又能恢复到原先的状态继续同步运行的能力，称为静态稳定。

3.2无功功率的调节
无功功率的调节即是发电机励磁的调节，无功功率调节应注意的几个问题：首先，由于发电机与无穷大电网并联运行，电网电压视为恒定值，调整励磁不会引起电压的变化。

其次，调节励磁可以调节无功功率，但只能调节无功功率，而不能改变有功功率。

再次，调节励磁时应注意，不要使其超过励磁电源或发电机励磁绕组的允许值，以免出现励磁机与发电机励磁绕组过热现象。

最后注意发电机电枢电流，保持不超过发电机视在功率，以防引起发电机电枢绕组过电流。

4结束语
抽水蓄能电站是保证电网经济、安全、稳定运行的得力工具，在电网中发挥了不可替代的重要作用。

功率调节是抽水蓄能电站最重要的功能之一，对抽蓄机组功率调节的综合评价将为抽水蓄能项目建设与发展提供宝贵的技术支持与科学借鉴。

参考文献：
[1]邱彬如.世界抽水蓄能电站新发展[M]北京：中国电力出版社，2006.
[2]畅欣. FSC可变速抽水蓄能机组功率调节特性研究[D].华北电力大学(北京），2016.
[3]赵琨，史毓珍.浅谈连续调速抽水蓄能机组的应用水力发电，2000，（4).。