變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)在長距離壓力管道水電站上的應用

張龍龍，張開學，唐祥龍，周潤生，劉長垠

(1.焦作市引沁灌區(qū)管理局，河南 濟源 459000；2.湖南山立水電設備制造有限公司，湖南 邵陽 422700；3.河南水利與環(huán)境職業(yè)學院，河南 鄭州 450008)

1 孟州市田丈水電站基本概況

1.1 水電站建設的背景

孟州市田丈水電站位于孟州市西環(huán)水系西岸。孟州市地處河南省西北部，北與濟源市、沁陽市毗鄰，南以黃河為界，同洛陽市、孟津縣、鄭州、鞏義市隔黃河相望，東與溫縣相鄰，西跟洛陽市吉利區(qū)接壤。

孟州市產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢明顯，形成了交通運輸裝備制造、毛皮加工、生物化工三大主導產(chǎn)業(yè)。多年連續(xù)躋身“全國最具投資潛力中小城市百強”，連續(xù)榮獲“中國中小城市區(qū)域帶動能力百強”。

隨著孟州市經(jīng)濟和社會發(fā)展，城區(qū)人口增多和城區(qū)框架不斷拉大，孟州市提出了“提升水環(huán)境，打造水經(jīng)濟”的規(guī)劃，對市區(qū)內(nèi)防洪河道、排澇河道和供水河道進行了統(tǒng)一規(guī)劃，建設孟州市生態(tài)水系工程，打造“水清、樹綠、天藍”的生態(tài)環(huán)境，形成“五源匯一環(huán)、九湖四濕地”的城鄉(xiāng)循環(huán)生態(tài)水系。

孟州市生態(tài)水系從引沁灌區(qū)總干渠末端槐樹口引水，鋪設7.20 km管道，管徑DN1200，自然落差126.83 m，設計引水流量6 m3/s。引水工程2019年8月份建成通水，正常引水流量1～4 m3/s，引水管道建成后出口消能問題凸顯出來，管道末端安裝的消能設備故障率較高，影響正常供水。因此，建設水電站消能發(fā)電的設想提到議事日程。

1.2 田丈水電站水能基本情況

1.2.1 引水流量

引沁灌區(qū)向孟州水系供水工程主要是利用汛期和非灌溉期供水。年供水3 500萬m3，設計供水能力為6 m3/s，正常供水流量為1～4 m3/s，年供水時間120 d。

1.2.2 自然落差

引水管道起點為引沁總干渠槐樹口，止于孟州市田丈村西，環(huán)城水系西段，長7.20 km。起點水面高程為252.01 m，調(diào)節(jié)池水面高程251.83 m，西環(huán)水系設計水面高程125.00 m。因此，引水管道水面自然落差為126.83 m。

1.2.3 水能估算

引水管道7.20 km，其中：鋼筋混凝土涵管200 m，球墨鑄鐵管道7 000 m。局部損失按沿程損失的15%估算。

凈水頭=自然落差-不同流量總水頭損失

N=9.81×Q×H凈×ηT×ηG

(1)

式(1)中：自然落差—126.83 m；N—水電站水能；ηT—水輪機效率；ηG—電站發(fā)電機效率)。

計算結果：引水流量為3 m3/s時，最大裝機容量N=1 775 kW，初擬裝機容量為2 000 kW。

1.2.4 主要機電設備選擇

由于該水電站流量和水頭變幅較大，機組選擇應選與此適應水頭范圍大的機型，由于是長距離管道水擊影響大，水機選擇轉速不宜太高，初選750 r/s，初步擬定1臺2 000 kW機組，設計流量3 m3/s，水頭78.91 m，經(jīng)方案比較采用HLA956a-WJ-80水輪機。配套SFW2000-8/1730發(fā)電機。經(jīng)計算得到不同引水流量運行狀態(tài)。

從計算結果看出，該機組只有在2.50～3.00 m3/s時在高效區(qū)，3.50 m3/s時棄水0.90 m3/s，4.00 m3/s時棄水約2.40 m3/s。而引水工程正常引水在1.00～4.00 m3/s范圍較多，又經(jīng)與其他多種機型比選大多都在此范圍內(nèi)。在此背景下，經(jīng)多方考察咨詢，發(fā)現(xiàn)湖南山立水電設備制造有限公司研發(fā)的變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)是解決這一問題的最好途徑，是國內(nèi)首創(chuàng)產(chǎn)品。

2 變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)基本情況

2.1 變速恒頻水輪發(fā)電機組的運行原理

變速恒頻水輪發(fā)電機組是一種新型的水力發(fā)電設備，采用變速恒頻技術，通過功率變換器，實現(xiàn)和水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，使機組在不同的水頭、不同的導葉開度和不同出力下始終運行于最優(yōu)轉速，從而實現(xiàn)水輪機始終運行于高效率區(qū)。

對于水頭變化較大的電站，當電站水頭升高或降低時，水輪機的轉速會隨之發(fā)生變化；對于水頭變化不大的電站，在枯水期或半枯水期，發(fā)電機出力不在額定值，水輪機的單元流量會偏離最優(yōu)單元流量，水輪機的轉速也會相應發(fā)生改變。傳統(tǒng)的直流勵磁發(fā)電機的轉速是剛性的，水輪機始終運行在額定轉速，這樣水輪機就會偏離最優(yōu)工況區(qū)，效率下降。而變速恒頻發(fā)電機組可以在恒頻、恒壓下實現(xiàn)無級調(diào)速，從而使發(fā)電機和水輪機的聯(lián)接成為柔性，保證發(fā)電機始終隨著水輪機的轉速改變而改變，整個機組始終運行在最佳工況下，大幅度提高機組的運行效率。

經(jīng)理論計算及實踐證明，在各種不同的水力條件下，水輪發(fā)電機組整體效率可提高10%～40%，在同樣的水源情況下平均年發(fā)電量混流式機組可以提高10%～20%，軸流式機組可以提高20%～40%。

該機組屬國內(nèi)首創(chuàng)，填補國內(nèi)空白。

2.2 變速恒頻水輪發(fā)電機組的核心技術

中小型變速恒頻水輪發(fā)電機系統(tǒng)，采用核心的能量轉換系統(tǒng)，針對不同能量和電壓等級靈活選取兩電平交直交、三電平交直交和模塊化多電平變流方式，采用空間矢量調(diào)制、載波移相正弦脈寬調(diào)制和最近電平逼近調(diào)制等多種調(diào)制方式，實現(xiàn)了變轉速、寬電壓、寬功率范圍的恒頻發(fā)電，這種特性非常適合于與水輪機匹配。

利用發(fā)電機全局效率最優(yōu)化設計方式，突破了發(fā)電機參數(shù)與寬轉速、變功率工況優(yōu)化匹配的關鍵技術，建立基于直流母線電壓、變流器開關頻率、矢量控制策略的變速恒頻水力發(fā)電系統(tǒng)一體化設計模型，提出了發(fā)電機在不同轉速、不同電壓時平均效率優(yōu)化設計方案，突破了發(fā)電機基于額定點設計方法的局限，解決了轉速、功率大范圍變化下全局效率優(yōu)化設計難題，與傳統(tǒng)方法相比，發(fā)電機效率提高3%～5%。

2.3 變速恒頻水輪發(fā)電機組的經(jīng)濟及社會效益

①采用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，大大提高機組的效率，廣泛的節(jié)約水資源。②采用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)變速運行，水輪機始終運行在最優(yōu)工況區(qū)，有效降低水輪機的氣蝕、磨損和振動，延長水輪機的使用壽命。③采用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，由于取消了常規(guī)水輪發(fā)電機組的集電環(huán)和電刷，降低了水輪機組的日常維護費用，消除了碳粉塵對電機絕緣的影響，提高了電機的使用壽命。④采用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，利用高電能質量并網(wǎng)技術，顯著提高了并網(wǎng)功率控制精度和發(fā)電調(diào)度響應速度，有效提升了網(wǎng)-機互聯(lián)無功動態(tài)協(xié)調(diào)和并網(wǎng)電壓高穩(wěn)定支撐水平，有力保障了并網(wǎng)變流器的經(jīng)濟高效與安全穩(wěn)定運行。⑤采用變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)，可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)發(fā)電機的無功輸入或輸出，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，提高電網(wǎng)電的質量，降低線路損耗，減少無功補償裝置的投資，它吸收和發(fā)出無功功率的能力遠遠大于傳統(tǒng)直流勵磁發(fā)電機。

3 變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)在孟州田丈水電站的應用

3.1 機組選型情況

2019年4月和2019年11月孟州市九騰水利發(fā)電有限公司與湖南山立水電設備制造有限公司簽訂產(chǎn)品訂貨合同：水輪機型號為HLA956B-WJ-80，發(fā)電機型號為SFWB2000-8/1180變速恒頻機組，目前正在生產(chǎn)階段。變速恒頻機組是由湖南山立水電設備制造有限公司開發(fā)生產(chǎn)的新產(chǎn)品，屬國內(nèi)首創(chuàng)。

3.2 發(fā)電機性能比較

SFWB2000-8/1180變速恒頻發(fā)電機組與SFW2000-8/1730常規(guī)機組具體參數(shù)比較如下表(見表1、表2)。

表1 SFW2000-8/1730型傳統(tǒng)發(fā)電機表

表2 SFWB2000-8/1180型新型發(fā)電機表

從表1、表2中可以看出，SFW2000-8/1730型號常規(guī)發(fā)電機組在1.00 m3/s和4.00 m3/s供水流量時超出模型綜合特性曲線運行范圍，只有在2.00～3.00 m3/s運行時才能正常發(fā)電，SFWB2000-8/1180變速恒頻發(fā)電機組在1.00～4.00 m3/s供水流量運行時均可發(fā)電，年多發(fā)108.40萬kW·h，超出電量33.20%。同時發(fā)電機座尺寸小，不需風冷系統(tǒng)，廠房尺寸較小，施工方便，土建投資小，經(jīng)濟效益明顯。類似水頭變化大的水庫電站更有借鑒作用。

4 結語

隨著國家提出的2060年前實現(xiàn)碳中和的長期目標，國務院近期發(fā)布的《新時代的中國能源發(fā)展》白皮書也提出，推動能源供給革命，建立多元供應體系。堅持綠色發(fā)展導向，優(yōu)先發(fā)展非化石能源，加快提升非化石能源在能源供應中的比重，而水電資源作為綠色清潔能源，勢必會在這場新的能源革命中發(fā)揮更大作用，而變速恒頻發(fā)電機系統(tǒng)的試運行成功，能夠在原有引水量不變的基礎上，改善水輪機運行條件，進一步提升水電站運行效率，為長距離管道類型水電站在發(fā)電機組選型中提供新的解決方案。