姜樹德，梁國才，王 純

（中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

抽水蓄能電站在電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻和事故備用方面，發(fā)揮著越來越重要的作用。當(dāng)前我國的抽水蓄能電站，幾乎都采用固定轉(zhuǎn)速的可逆機組，由于機組轉(zhuǎn)速不可調(diào)節(jié)，固定轉(zhuǎn)速、機組的調(diào)節(jié)功能和運行范圍都受到了限制。20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的采用雙饋電機的抽水蓄能機組為消除這些缺點開辟了一條新路[1]。

1 固定轉(zhuǎn)速抽水蓄能機組的局限性

可逆式水泵水輪機和同步發(fā)電電動機組成的二機式機組，是當(dāng)前國內(nèi)外抽水蓄能機組的主要機型?？赡媸桨l(fā)電電動機是同步電機，其轉(zhuǎn)速為固定的同步轉(zhuǎn)速，由磁極對數(shù)和電網(wǎng)頻率確定。采用固定轉(zhuǎn)速機組的抽水蓄能電站的接線如圖1所示。電機轉(zhuǎn)子繞組通過接于主變壓器低壓側(cè)的勵磁變壓器和整流器，獲得直流勵磁電源。這種機組的接線與常規(guī)水電機組的接線十分相似，只是增加了換相開關(guān)和變頻起動裝置（見圖1）。

圖1 采用固定轉(zhuǎn)速機組的抽水蓄能電站的接線Figure 1 Scheme of pumped-storage power plant with fixed speed units

固定轉(zhuǎn)速機組的抽水蓄能電站至少有兩個難以克服的缺點：

（1）水輪機工況和水泵工況的效率優(yōu)化不可兼顧。

可逆式水泵水輪機一身二任，既要作為水輪機運行，又要作為水泵運行。這就給水泵水輪機的設(shè)計和制造出了一道難題，因為一臺高效的水輪機不可能同時又是一臺高效的水泵，解決辦法是只保證一種工況的效率最優(yōu)?？紤]到機組作為水泵運行的累加時間高于作為水輪機運行的累加時間，所以通常是保證水泵工況效率最優(yōu)，舍棄水輪機工況的部分效率。圖2 顯示了在某一特定水頭下，機組作為水輪機和水泵運行時各自的效率曲線，同步轉(zhuǎn)速對應(yīng)的水泵效率為最優(yōu)，對應(yīng)的水輪機效率則非最優(yōu)。

圖2 固定轉(zhuǎn)速抽水蓄能機組的效率曲線Figure 2 Efficiency curve of fixed speed pumped-storage unit

（2）水泵工況下不能靈活調(diào)節(jié)有功功率。

機組作為水泵運行時，從電網(wǎng)吸收有功功率。增加或減少吸收的功率，可以參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)的頻率。機組從電網(wǎng)吸收的功率，取決于揚程、轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開度。水泵工況下的導(dǎo)葉開度實際上是不可調(diào)的，因為調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度會引起附加損耗和振動。 結(jié)果是機組只能通過整機投退來調(diào)節(jié)吸收的功率，缺少精細(xì)調(diào)節(jié)的能力。圖3顯示了固定轉(zhuǎn)速機組在抽水運行時，只能吸收固定的有功功率，只有揚程變化時才能被動地改變吸收的功率。

圖3 固定轉(zhuǎn)速機組抽水運行時的吸收功率Figure 3 Absorbed power of fixed speed unit in pump mode

2 雙饋電機的特點

首先回顧一下我們熟悉的同步電機的特點。同步電機的定子布置有分布式三相電樞繞組，轉(zhuǎn)子則布置有直流電源供電的磁場繞組。電機運行時，定子的三相繞組產(chǎn)生以同步轉(zhuǎn)速ns旋轉(zhuǎn)的磁場，轉(zhuǎn)子也以同步轉(zhuǎn)速ns作機械旋轉(zhuǎn)，兩個同步旋轉(zhuǎn)磁場在氣隙合成，見圖4。同步轉(zhuǎn)速是由電網(wǎng)頻率和轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)決定的，不可調(diào)節(jié)，所以同步電機是一種固定轉(zhuǎn)速的電機。為了簡化分析，本文以一對磁極的同步電機為例。

圖4 同步電機定子、轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)速Figure 4 Stator and rotor field speeds of synchronous machine

雙饋電機是定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組都由交流電源供電的電機。抽水蓄能電站的雙饋電機的定子繞組與同步電機沒有差異，不同點在于其轉(zhuǎn)子繞組是三相分布繞組。從結(jié)構(gòu)上看，雙饋電機與繞線式異步電機十分相似，唯一的不同是繞線式異步電機的轉(zhuǎn)子三相繞組是短路的，而雙饋電機的轉(zhuǎn)子繞組則由變流器經(jīng)由電刷與滑環(huán)供給頻率可調(diào)的三相交流電源。電機運行時，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生轉(zhuǎn)速分別為ns和ne的旋轉(zhuǎn)磁場，ns和ne分別與電力系統(tǒng)頻率和變流器輸出電壓的頻率成正比。由于轉(zhuǎn)子本體還在以機械轉(zhuǎn)速n轉(zhuǎn)動，所以呈現(xiàn)在氣隙中的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速是其機械轉(zhuǎn)速與電磁旋轉(zhuǎn)磁場轉(zhuǎn)速的疊加，疊加后的轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，見圖5。

圖5 雙饋電機的定子、轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)速Figure 5 Stator and rotor field speeds of doubly-fed machine

式中：ns——定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（r/min），即同步轉(zhuǎn)速；

n——轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min）；

ne——轉(zhuǎn)子電磁旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速（r/min），ne=S×ns。

n

n=ns，轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速等于同步轉(zhuǎn)速，機組運行在同步狀態(tài)。

n>ns，轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，機組運行在超同步狀態(tài)。

轉(zhuǎn)子的電磁旋轉(zhuǎn)磁場可以與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同，也可以與之相反。改變轉(zhuǎn)子電磁旋轉(zhuǎn)磁場的方向和大小，可以保證轉(zhuǎn)子的合成旋轉(zhuǎn)磁場與定子旋轉(zhuǎn)磁場保持同步?？刂茷檗D(zhuǎn)子繞組供電的可控變流器，改變其輸出電壓的相序、頻率和幅值，便可調(diào)整電磁旋轉(zhuǎn)磁場的方向和轉(zhuǎn)速[3]。

雙饋電機與電力系統(tǒng)之間不僅通過定子交換有功功率，轉(zhuǎn)子和變流器也是有功功率的交換渠道。改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，使機組運行在次同步或超同步狀態(tài)，便可改變有功功率的方向，詳見表1。經(jīng)由轉(zhuǎn)子交換功率的大小與轉(zhuǎn)差率成正比[7]。

表1 雙饋電機轉(zhuǎn)子與電力系統(tǒng)的有功功率交換Table 1 Active power exchange between rotor of doubly-fed machine and power system

因為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可以高于同步轉(zhuǎn)速或低于同步轉(zhuǎn)速，與其同軸的水泵水輪機也就擺脫了固定轉(zhuǎn)速的束縛，選擇更加合理高效的轉(zhuǎn)速運行。雙饋電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速偏離同步轉(zhuǎn)速的范圍，一般不超過±8%。采用雙饋電機的抽水蓄能電站的接線如圖6所示。

圖6 采用雙饋電機的抽水蓄能電站的接線Figure 6 Scheme of pumped-storage power plant with doubly-fed units

在很多資料中，雙饋電機被稱為雙饋感應(yīng)電機（doublyfed induction machine，DFIM）。 根 據(jù) GB/T 2900.25/ IEC 60050-411的定義，感應(yīng)電機是“僅一套繞組連接電源的異步機”，所以感應(yīng)電機不可能是雙饋的。用于抽水蓄能電站的變速電機，符合GB/T 2900.25/IEC 60050-411中對于雙饋電機的定義，稱其為雙饋電機或雙饋異步電機才是正確的。

3 雙饋電機的勵磁電源[10]

雙饋電機的勵磁電源必須是頻率、幅值和相位可調(diào)、相序可變的三相交流電源，屬于靜止變頻器的范疇。但是，我們熟悉的為常規(guī)抽水蓄能機組水泵工況提供啟動電源的靜止變頻器（SFC） 卻不能作為雙饋電機的勵磁電源，因為這類SFC的輸出變流器，是負(fù)荷換相逆變器（load commutated inverter），正常運行時的各橋臂功率元件（晶閘管）的輪換導(dǎo)通，即換相，是依賴負(fù)荷的反電勢來實現(xiàn)的。雙饋電機的轉(zhuǎn)子繞組不能提供這樣的反電勢，而且晶閘管只可控制導(dǎo)通，不可控制關(guān)斷，不適于作為雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組電源的電力電子元件。

為雙饋電機轉(zhuǎn)子繞組供電的變流器，采用電壓源型變流器，由網(wǎng)側(cè)變流器、直流環(huán)節(jié)、機側(cè)變流器三個主要環(huán)節(jié)構(gòu)成。變流器采用絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、注入增強柵極晶體管（IEGT）或集成門極換流晶閘管（IGCT）等導(dǎo)通和關(guān)斷均可控的電力電子元件實現(xiàn)整流和逆變[4]。

圖7為IGBT和 IEGT的符號。當(dāng)VCE為正方向時，如果在柵極（亦稱門極）施加控制電壓VGE，則元件導(dǎo)通，電流自集電極流向發(fā)射極。如果電壓VGE消失，則元件關(guān)斷，流經(jīng)元件的電流變?yōu)榱恪?/p>

圖7 全可控整流元件IGBT或IEGT的符號Figure 7 Symbol of IGBT or IEGT，fully controllable valve device

采用脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，這類元件可以構(gòu)成靈活控制的整流和逆變電路。對于整流電路，通過調(diào)整觸發(fā)脈沖的頻率及寬度，可以改變其輸出直流電壓的幅值。對于逆變電路，通過控制觸發(fā)脈沖的頻率及寬度，可以改變逆變電路輸出的交流電壓的頻率和幅值；對于三相逆變電路，通過改變元件的導(dǎo)通順序可改變輸出電壓的相序。輸出電壓為正弦波的脈寬調(diào)制稱為正弦脈寬調(diào)制（SPWM）。圖8顯示了正弦脈寬調(diào)制電路的觸發(fā)脈沖及輸出電壓的基波部分，觸發(fā)脈沖的寬度對應(yīng)正弦波形的幅值。圖8僅為示意，顯然增加觸發(fā)脈沖的數(shù)量，有助于減少諧波、改善波形。但是受元件固有開關(guān)時間和通斷損耗的限制，功率元件的允許開關(guān)頻率，亦即單位時間內(nèi)觸發(fā)脈沖的數(shù)量，實際上是有限度的。

圖8 正弦脈寬調(diào)制電路的觸發(fā)脈沖及輸出電壓的基波Figure 8 Triggering pulse and fundamental component of output voltage of SPWM circuit

圖9是一個4路并聯(lián)的交－直－交變流器的接線。除了網(wǎng)側(cè)變流器、直流環(huán)節(jié)和機側(cè)變流器外，跨接器也是一項重要設(shè)備，它是由晶閘管等元件組成的過電壓保護裝置，當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)過電壓時，晶閘管將被觸發(fā)導(dǎo)通，以抑制過電壓。

圖9 雙饋電機與變流器的接線Figure 9 Scheme of doubly-fed machine and converters

4 磁場導(dǎo)向控制

變流器采用數(shù)字式控制器控制，控制策略為“磁場導(dǎo)向控制”?？刂破鞑杉ㄗ与妷汉碗娏鳌⑥D(zhuǎn)子電流、變流器電流、直流電壓，并利用這些參數(shù)進(jìn)行計算，實現(xiàn)如下功能：

（1）調(diào)節(jié)定子電壓和相角，亦即調(diào)整電機的有功功率和無功功率。

（2）調(diào)整轉(zhuǎn)子繞組電流的頻率，以保證轉(zhuǎn)子繞組呈現(xiàn)在氣隙的合成磁場以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。

（3）調(diào)整變流器電網(wǎng)側(cè)的有功功率和無功功率。

依靠機組及變流器的準(zhǔn)確數(shù)字模型和磁場導(dǎo)向控制提供的前饋計算，控制器可以預(yù)測定子所需的有功功率和無功功率，從而確定為獲得上述功率，應(yīng)該提供的轉(zhuǎn)子電流的幅值和相位。

與同步電機的勵磁調(diào)節(jié)器相比，磁場導(dǎo)向控制器的反應(yīng)速度要快很多，從而能夠更好地保證機組和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。

5 采用雙饋電機的抽水蓄能機組啟動

與固定轉(zhuǎn)速的抽水蓄能機組一樣，采用雙饋電機的抽水蓄能機組作為水泵運行時，面臨啟動問題。與同步電機不同的是，雙饋電機不需另設(shè)專用于啟動的SFC，利用為轉(zhuǎn)子提供勵磁電源的變流器，就可以解決這一問題。

以下介紹的是利用變流器啟動雙饋電機的一種方案的步驟：

（1）分?jǐn)喟l(fā)電機出口斷路器（見圖9中的GCB），將定子繞組出口經(jīng)短路開關(guān)（見圖9中的QS）短路，在轉(zhuǎn)子繞組通過變流器施加三相交流電壓，電壓和頻率逐漸升高。

此時的電機相當(dāng)于一臺反裝的繞線式異步電機，三相交流電源加在轉(zhuǎn)子繞組上，并在氣隙產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，在定子繞組感應(yīng)出三相電流。定子的通電導(dǎo)體在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場中受到驅(qū)動力矩，但定子不可能運動，在定子的反作用力矩驅(qū)動下，轉(zhuǎn)子開始加速。

（2）變流器的輸出電壓達(dá)到額定值后維持不變，轉(zhuǎn)子加速到預(yù)定轉(zhuǎn)速。

（3）閉鎖變流器的輸出，打開定子出口的短路開關(guān)，此時機組類似于一臺兩側(cè)開路的變壓器，繞組無電流、無電壓，鐵芯內(nèi)無磁通。轉(zhuǎn)子在阻力矩的作用下開始減速。

（4）重新由變流器為轉(zhuǎn)子繞組供電，電源頻率為fre=50-frm（Hz），frm是轉(zhuǎn)子的當(dāng)前機械轉(zhuǎn)速對應(yīng)的頻率。

（5）調(diào)整變流器的輸出，使定子電壓的頻率、幅值與相位與電網(wǎng)相匹配，選擇適當(dāng)時機合上GCB，機組進(jìn)入雙饋運行狀態(tài)，打開球閥，調(diào)整輸入功率，機組開始抽水。

6 雙饋電機的短路電流[5]

雙饋電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)完全不同于常規(guī)的同步電機，其轉(zhuǎn)子沒有阻尼繞組，所以不存在直軸超瞬態(tài)電抗x″d和直軸超瞬態(tài)短路時間常數(shù)T″d等參數(shù)，因而不能套用同步電機的短路電流計算方法（例如IEC 60909推薦的計算方法）來計算雙饋電機的短路電流。在缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的情況下，各工程涉及雙饋電機的短路電流計算方法也不完全一致。

從若干工程的計算結(jié)果來看，雙饋電機機端短路電流的初始值和穩(wěn)態(tài)值，都低于同步電機的相應(yīng)值。

7 采用雙饋電機帶來的效益[2][8][9]

7.1 水泵工況下可以靈活調(diào)節(jié)吸收的有功功率

如前所述，固定轉(zhuǎn)速的同步電機，運行在水泵工況時，只能通過整機投退來調(diào)節(jié)吸收的有功功率，缺少精細(xì)調(diào)節(jié)的能力。采用雙饋電機后，機組轉(zhuǎn)速可以偏離同步轉(zhuǎn)速，在一定范圍內(nèi)變化，機組從電網(wǎng)吸收的有功功率，也將隨之變化。雙饋電機的這一特點，增強了蓄能電站調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)頻率的能力，減少了機組的啟停次數(shù)。圖10顯示了水泵工況下，機組吸收的有功功率隨轉(zhuǎn)速的變化。

圖10 可變轉(zhuǎn)速機組水泵工況下吸收的有功功率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系Figure 10 Active power absorbed by variable speed unit in pump mode as function of speed

7.2 發(fā)電工況下可以運行在較高的效率區(qū)

前已述及，固定轉(zhuǎn)速機組的水輪機工況和水泵工況效率優(yōu)化不可兼顧。采用雙饋電機的抽水蓄能機組則不受此限制，水輪機工況和水泵工況可以分別運行在與各自的最優(yōu)效率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速[6]。見圖11。

圖11 可變轉(zhuǎn)速機組水輪機工況和水泵工況的效率比較Figure 11 Comparison of pump and turbine efficiencies of variable speed unit

7.3 有效地抑制機組振蕩，維持電網(wǎng)穩(wěn)定

固定轉(zhuǎn)速的機組，其轉(zhuǎn)子必須以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，如果偏離同步轉(zhuǎn)速，則可能發(fā)生圍繞同步轉(zhuǎn)速的振蕩。安裝在磁極外緣的阻尼繞組就是用于消除這種振蕩的。

雙饋電機的轉(zhuǎn)子不必以同步轉(zhuǎn)速運行，控制系統(tǒng)隨時監(jiān)測其轉(zhuǎn)速的變化，并通過改變變流器輸出電壓的頻率，使轉(zhuǎn)子在氣隙產(chǎn)生的合成旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速始終為同步轉(zhuǎn)速。雙饋電機的轉(zhuǎn)子不可能也不必要設(shè)置阻尼繞組。雙饋電機能夠更有效地抑制電力系統(tǒng)的擾動，維持電網(wǎng)的穩(wěn)定與安全。

7.4 擴大了機組的運行范圍

固定轉(zhuǎn)速機組適合運行在設(shè)計水頭（或揚程）、發(fā)出（或吸收）額定功率的工況。如果偏離了上述條件，機組效率就會下降，還有可能進(jìn)入汽蝕和振動區(qū)。采用雙饋電機的抽水蓄能機組通過在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，適應(yīng)水頭（或揚程）的變化，改善機組效率，避開汽蝕和振動區(qū)，擴大了機組安全運行的范圍。

8 結(jié)語

（1）傳統(tǒng)的可逆式水泵水輪機和同步發(fā)電電動機組成的二機式機組存在一些固有的缺點，這些缺點的根源是電機為恒定轉(zhuǎn)速的同步電機。

（2）采用雙饋電機的抽水蓄能機組技術(shù)，機組轉(zhuǎn)速可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，解決了上述問題。

（3）雙饋電機的交流勵磁電源采用電壓源型變流器，變流元件為全控型電力電子元件，采用脈寬調(diào)制技術(shù)為轉(zhuǎn)子提供頻率、幅值、相位和相序可調(diào)節(jié)的三相交流電壓。

（4）電壓源型變流器還可以用作機組在水泵工況平穩(wěn)啟動的電源。

（5）雙饋電機的電磁構(gòu)成和運行機制與同步電機有很大差異，不可套用同步電機的短路電流計算方法來計算雙饋電機的短路電流。