抽水蓄能機組飛輪力矩的測試與分析

茍智德，富立新，李廣德，魏長健

（哈爾濱大電機研究所，哈爾濱 150040）

前言

發(fā)電機組的飛輪力矩是轉(zhuǎn)動部分的重量G與其慣性直徑D平方的乘積，用GD2表示。

抽水蓄能機組由于需要快速起動、工況頻繁轉(zhuǎn)換，對機組飛輪力矩的要求較高。飛輪力矩過小，則甩負荷時機組轉(zhuǎn)速上升率大，機械部件易發(fā)生損壞；飛輪力矩過大，機械慣性大，則機組的起動時間和調(diào)節(jié)時間長。

水電機組通常都進行 25%、50%、75%、100%額定負荷的甩負荷試驗，以調(diào)試和考核機組性能。為了保證機組安全，防止過轉(zhuǎn)速、過電壓，這些常規(guī)的甩負荷試驗都要求調(diào)速器，而退出勵磁系統(tǒng)。這與測定飛輪力矩的甩負荷試驗要求退出調(diào)速器運行并保持勵磁系統(tǒng)運行，存在著很大差別。

能否利用常規(guī)的甩負荷試驗確定飛輪力矩，這是本文重點分析的問題。

1 飛輪力矩的試驗方法

飛輪力矩的試驗方法按GB/T1029《三相同步電機試驗方法》的規(guī)定，采用發(fā)電機甩負荷加速試驗的方法進行。這種方法主要適用于飛輪力矩較大以及采用其他方法進行測定有困難的電機。

試驗時，被試電機在發(fā)電機工況下運行，從電網(wǎng)突然被解列后，測定機組轉(zhuǎn)速隨時間變化的曲線。按照該方法，測試從電網(wǎng)斷開前瞬間由發(fā)電機供給的功率，以及相差△ω轉(zhuǎn)速間的自減速時間△t，然后按照公式（1）確定飛輪力矩。

式中：P1為從電網(wǎng)斷開前瞬間由發(fā)電機供給的功率，kW。ωN為額定角速度，rad/s；△ω/△t為在一定時間內(nèi)的角速度變化值。

2 甩負荷試驗數(shù)據(jù)

本文對一臺額定功率為250MW、額定轉(zhuǎn)速為250 r/min的發(fā)電電動機，在常規(guī)的25%、38%、50%、75%、100%額定負荷的甩負荷試驗中進行了測試。

在甩負荷瞬間的輸出功率分別為：67.175MW（試驗 1）、96.965 MW（試驗 2）、120.373 MW(試驗 3）、184.207MW（試驗4）、245.916MW(試驗5）。甩負荷后記錄轉(zhuǎn)速和時間，測試數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)測試數(shù)據(jù)，繪制甩負荷時機組轉(zhuǎn)速與時間的變化曲線，見圖1。

3 初步分析計算

起始點“0”的轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，與額定轉(zhuǎn)速250r/min相比較，起始點“0”的轉(zhuǎn)速或高或低。甩負荷前，機組按照原先的控制策略進行調(diào)控；甩負荷后，機組按照新的控制策略進行調(diào)控，在工況轉(zhuǎn)換時，存在突變。同時在“0”時刻，水力調(diào)控、電力電控并不同步，并不是同一時刻進行動作。因此，“0”時刻轉(zhuǎn)速的隨機性大，不能作為確定飛輪力矩的數(shù)據(jù)。觀察測試的轉(zhuǎn)速曲線：2s后的轉(zhuǎn)速曲線有拐點，線性化不好，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)了波動。因此2s后的數(shù)據(jù)也不參與計算分析。

為了準(zhǔn)確計算，采用0.2284s～1.8283s，Δt=1.6s的時間段內(nèi)的測試數(shù)據(jù)進行線性化處理，如圖2。

表1 甩負荷試驗時的測試數(shù)據(jù)

通過圖2，計算轉(zhuǎn)速差和時間差，進而進行飛輪力矩的初步計算，見表2。

表2 飛輪力矩的初步計算

圖1 甩負荷時機組轉(zhuǎn)速與時間的變化曲線

圖2 Δt=1.6s內(nèi)的測試數(shù)據(jù)線性化

5種試驗條件下，初步計算求取的GD2，數(shù)值相差很大。而機組轉(zhuǎn)動部分的GD2是其本身固有的機械特性，是固定不變的。因此，這 5種試驗條件下確定的飛輪力矩不夠真實準(zhǔn)確。

4 測試分析

4.1 調(diào)速器的影響

水輪機調(diào)速器通過控制水輪機導(dǎo)葉開度，調(diào)節(jié)過水流量的大小來調(diào)整水輪機的轉(zhuǎn)速。表3是甩負荷試驗時開度和流量的測試數(shù)據(jù)。

從表3中的測試數(shù)據(jù)，計算t=2.0569s開度和流量變化，見表4。

表3 甩負荷試驗時測試數(shù)據(jù)

表4 開度和流量變化

從表4可看出，在甩負荷試驗時，調(diào)速器動作，水輪機開度有一定變化，而水流量變化很小。在短時間內(nèi)，水流量變化小，調(diào)速器對機組的轉(zhuǎn)速影響較小，對飛輪轉(zhuǎn)矩的確定影響也小。

4.2 機組轉(zhuǎn)速的影響

不同試驗工況下的甩負荷試驗，其轉(zhuǎn)速的變化是不相同的，見表5。

表5 不同試驗工況下的甩負荷試驗轉(zhuǎn)速的變化

從表5可以看出，機組轉(zhuǎn)速在這5種試驗條件下變化很大，試驗5的甩負荷試驗中，t=2.0569s時刻的轉(zhuǎn)速，超過了額定值的 20.6%。不同轉(zhuǎn)速下，水力特性變化較大，高轉(zhuǎn)速對機械性能影響很大。而且轉(zhuǎn)動部分的飛輪力矩，也是對應(yīng)某一固定轉(zhuǎn)速下的飛輪力矩。

因此只能在低負荷（25%）的甩負荷下試驗工況下，確定飛輪力矩。其他工況，由于轉(zhuǎn)速過高，不能作為確定飛輪力矩的依據(jù)。

4.3 鐵心損耗的影響

試驗方法確定飛輪力矩時，應(yīng)保持發(fā)電機勵磁不變。而常規(guī)甩負荷試驗，切除了勵磁系統(tǒng)。由于發(fā)電機勵磁，在定子中產(chǎn)生鐵心損耗。公式（1）中，電網(wǎng)斷開前瞬間由發(fā)電機供給的功率，應(yīng)當(dāng)加上鐵心損耗，作為工況轉(zhuǎn)換前后的功率變化。進而用兩者的功率之和確定飛輪力矩。

5 測試結(jié)果

甩 25%額定負載工況，從電網(wǎng)斷開前瞬間由發(fā)電機供給的功率為 67175kW，該發(fā)電機的鐵心損耗為510kW，二者之和為67685kW。按照公式（1），求取的 GD2為 14919.505 t·m2。

發(fā)電電動機GD2的設(shè)計值為14000 t-m2，水泵水輪機GD2的設(shè)計值為750 t-m2，二者之和為14750 t-m2。

GD2的測試值與設(shè)計值的偏差計算，見表6。

表6 GD2的測試值與設(shè)計值的偏差計算

測試與設(shè)計值偏差在1%左右，表明測試結(jié)果比較準(zhǔn)確。

6 結(jié)論

在低負荷試驗工況下，常規(guī)甩負荷試驗可進行飛輪力矩的測定；高負荷甩負荷試驗，由于升速高，不應(yīng)作為飛輪力矩運算數(shù)據(jù)。甩負荷試驗的“0”時刻轉(zhuǎn)速的隨機性大，不能作為確定飛輪力矩的數(shù)據(jù)；2s以后的轉(zhuǎn)速波動大，也不能作為確定飛輪力矩的數(shù)據(jù)。在常規(guī)甩負荷試驗時調(diào)速器投入運行，短時間內(nèi)，對水流量和機械性能影響不大，進而對飛輪力矩值確定影響不大。由于常規(guī)甩負荷試驗切除了勵磁系統(tǒng)，因此計算飛輪力矩時，應(yīng)考慮到鐵心損耗的影響。

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