海水可变速抽水蓄能机组技术路线及关键参数选择

确定变速范围时必须考虑转子功率对成本的影响。
大万山的最大水头 120 m，最小水头 100 m，水
头变幅为 20 m。水头变幅范围为 20%。按照水泵工
海水可变速抽水蓄能机组技术路线及 关键参数选择
贺儒飞，王 方，张 豪
（ 南方电网调峰调频发电公司，广东 广州 510630）
摘 要： 可变速抽水蓄能机组的工作原理和技术特性与常规定速抽水蓄能机组有很大区别，无法套用
传统的方法研究可变速抽水蓄能机组。具体到某个特定的可变速机组，其技术路线和技术参数的确定
1 变速抽蓄机组类型
1. 1 变速抽蓄机组主要分类 变速抽蓄机组主要分为两种类型，一类是双馈感
应电机（ DFIM，Doubly Fed Induction Machine） ，下文 简称 双 馈 电 机， 另 一 类 是 全 功 率 变 频 同 步 电 机 （ CFSM，Converter Fed Synchronous Machine） ，下 文 简称全功率电机。双馈电机如图 1 所示，其工作原 理类似 于 异 步 电 机，在 转 子 侧 接 入 变 流 器 进 行 变 频，采用交流励磁，定子与转子都与电网进行能量 的传递。而 全 功 率 电 机 的 工 作 原 理 类 似 于 同 步 电 机［2］，如图 2 所 示，在 定 子 侧 接 入 变 流 器 进 行 变 频，转子侧仍然采用传统直流励磁，其所有功率馈 送只在定子侧进行。
变幅不大的电站采用过宽的变速范围是没
有意义的。
二是成本，转子转速决定了变速机组
的转差。如同步转速为 n1，转子机械转速 为 nr，转子磁场转速为 n2，则转差 s 可通 过下式计算
s = n1 -nr = n2
（ 1）
n1
n1
根据双馈机组的工作原理，转子的电
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Water Ｒesources and Hydropower Engineering Vol. 51 sup 2
蓄能机组的研究更是首次开展，如何选择、确定关键 参数和技 术 路 线 非 常 重 要［1］。 本 文 以 计 划 安 装 于 大 万山岛的海水可变速抽水蓄能机组为研究对象，结合 其自身条件和要求，对多项变速抽蓄机组技术特性进 行了对比分析，确定了其部分关键参数和技术路线。
DFIM
CFSM
10% ～ 30%机组容量 异步电机，结构更复杂，维护成本更高 典型值为 7% ～ 10%，受限于转子功率
100%机组容量 传统同步电机 理论上为 0 ～ 100%，受限于水轮机特性
需要电气制动刀、换相刀、GCB 等开关刀闸
由变流器替代电气制动刀、换相刀、GCB，甚至可由电 力电子变压器替代主变压器
又受到多种因素的影响。以大万山岛海水可变速抽水蓄能机组为例，对变速机组类型、变速调节范
围、交流励磁系统器件及拓扑结构、转子端部固定形式、转子绕组线棒等，进行了对比分析，并结合
其自身技术、经济等要求和变速技术的发展现状，选择确定了多项关键技术参数及技术路线，为同类
型可变速机组选型设计提供了参考。
关键词： 海水； 抽水蓄能； 可变速机组； 关键参数； 技术路线
向。随着大功率器件的发展和相关控制技术的提升， 全功率型变速机组的应用前景令人期待［5］。
从大万 山 变 速 机 组 来 看，其 容 量 初 步 确 定 为 10 MW，属于中小型变速抽蓄机组，采用全功率型变 速电机从技术和成本上都是可行的，也具有更优越的 性能。然而考虑到双馈电机的技术更为成熟，更容易 实现。大万山抽蓄电站首台机还是优先选择双馈电 机，后续研究再进一步考虑采用全功率电机。
（ CSG Power Generation Co．，Ltd．，Guangzhou 510630，Guangdong，China）
Abstract： The working principle and technical characteristics of variable-speed pumped storage units are very different from conventional fixed-speed pumped storage units，and traditional methods cannot be applied to study variable-speed pumped storage units． Specific to a particular variable-speed unit，the determination of its technical parameters and technical routes is affected by many factors． Taking Dawanshan Island seawater variable-speed pumped storage unit as an example，the types of variable-speed unit，variable-speed adjustment range，AC excitation system components and topology，rotor end structure，rotor winding bar， etc． were compared and analyzed Due to its own technical and economic requirements and the development status of transmission technology，it has selected and determined a number of key technical parameters and technical routes，which provide a reference for the design of the same type of variable speed unit． Keywords： seawater； pumped storage； variable speed unit； key parameters； technical route
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图 6 变速机组与定速机组工作原理对比
图 7 相同库容不同水头变幅对比

磁功率即转差功率 P2 = s·P1（ P1 为定子功率） ，转差 越大则转子功率 P2 也越大。所以变速范围越宽，相 应所需的转子和变流器的功率也越大，而转子和变流
器的制造成本很高，直接影响了机组整体造价，所以
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图 2 全功率电机
1. 3 变速机组运行工况对比 双馈电机的工况类型和转换流程类似于传统
抽蓄机组，一般有发电、抽水、发电调相（ CG） 抽 水调相（ CP ） 四种运 行 工 况［3］，如 图 3 所 示。全 功 率电 机 则 可 工 作 在 STATCOM 模 式，其 工 况 变 为 STATCOM（ 静止） 、发电 + STATCOM、抽水 + STATCOM，更加方便灵活。全功率电机的工况 转 换 流 程如图 4 所示。
全功率电机虽然相对于双馈电机具有明显的优 势，但是，其造价昂贵，变流器占地面积大，对功率 器件要求很高，技术还不成熟。一般只用于中小型变 速抽蓄机组，目前功率最大的全功率型变速抽蓄机组 的为 100 MW。全功率型变速电机技术在国外的发展 非常迅速，是目前抽水蓄能机组新技术的主要研究方
图 5 变速机组功率调节范围对比 186
doi： 10. 13928 / j. cnki. wrahe. 2020. S2. 034
中图分类号： TM343. 2
文献标识码： A
文章编号： 1000-0860（ 2020） 增刊 2-0184-06
Technical route and key parameters selection of seawater variable speed pumped storage units HE Ｒufei，WANG Fang，ZHANG Hao
2 变速范围
2. 1 变速机组基本工作原理
变速抽水蓄能机组与定速抽水蓄能机组相比，最
大的区别在于机组能在额定同步转速附近的一定范围
内无级变速运行，实现水轮机稳定运行范围扩大和水
泵入力可调，提高机组运行稳定性和响应水平，无论
是提高电网安全稳定运行水平还是提高资源利用率，
均具有现实意义。
定速机组属于同步电机，变速机组的工作原理则 更接近 于 异 步 电 机。 根 据 电 机 学 理 论 可 知［6］， 当 电
一是水头的变幅，变速的主要目的是
为了适应水头的变化，从欧洲和日本目前
已建成的可变速抽水蓄能电站项目来看，
普遍变速范围在 ± 5% ～ 10% 之间。同样的
库容，如果 是 盆 地 型 的，则 水 头 变 化 不
大，变速范围相对要窄一些。如果是山地
型的，则水头变化更大，变速范围相对更
宽。两种类型的对比如图 7 所示，在水头
图 1 双馈电机
1. 2 变速机组主要技术特性对比
两种类型机组的主要技术特性对比如表 1 所列，
从对比可知，全功率电机的技术含量和性能要高于双 馈电机。
图 3 双馈抽蓄机组工况转换流程
特性 变流器功率 电机类型 变速范围
系统元件
工况转换特性
低电压穿越
无功能力 已投运机组最大容量
表 1 双馈电机与全功率电机技术对比
机稳定运行时，如定子磁场转速（ 或称同步转速） 为
n1，转子机械转速为 nr，转子磁场转速为 n2，则三者 的关系为 n1 = n2 + nr， 如图 6 所示，转子磁场转速也 被称为转差，在定速机组中，转差为零。变速机组要
调节的就是转子机械转速和转子磁场转速。
2. 2 变速范围的选取
变速范围并不是越大越好，其取值主要取决于两 个因数［7］。
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图 4 全功率抽蓄机组工况转换流程
1. 4 变速机组功率调节范围对比 从电机功率调节范围来比较，如图 5 所示，双馈
电机发电出力调节范围一般为 30% ～ 100%，抽水入 力调节范围为 70% ～ 100%。全功率电机发电出力调 节范 围 一 般 为 20% ～ 100%，抽 水 入 力 调 节 范 围 为 20% ～ 100%。工作范围全功率电机更宽［4］。
0引言
可变速抽水蓄能机组技术在国外已经发展了
20 余年，其技术与常规抽水蓄能机组相比差别很大， 而我国的可变速抽水蓄能机组建设才刚刚起步，可变 速机组技术的经验和技术积累不足，海水可变速抽水
收稿日期： 2020-01-01 基金项目： 国家重点研发计划 “海水抽水蓄能电站前瞻技术研究” （ 2017YFB0903700） 作者简介： 贺儒飞（ 1977—） ，男，高级工程师，电气研究员，学士，主要从事抽水蓄能电气设备技术研究。E-mail： herufei@ 126. com
典型值为 150 ～ 300 s，受限于启动转矩，只能压水启泵。 非常快，典型值＜60 s，可有水启泵。
需要精密的 Crowbar 和控制技术，来达到良好的故障穿越 性能。
如同 STACOM 一样对电网支持非常好，并同时具有有功 控制能力。
无功容量较小，且无功损耗较大 ＞400 MW
无功容量很大，甚至在静止情况下也可输出无功 ＜100 MW
水利水电技术 第 51 卷 2020 年增刊 2
贺儒飞，王方，张豪． 海水可变速抽水蓄能机组技术路线及关键参数选择［J］. 水利水电技术，2020，51（ 增刊 2） ： 184-189. HE Ｒufei，WANG Fang，ZHANG Hao． Technical route and key parameters selection of seawater variable speed pumped storage units ［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51（ S2） ： 184-189.