变速恒频抽水储能电机与水力发电机的交流励磁系统优化

发电机在不同的输出功率运行时，其效率是不同的。电机设计通常使在80%～90%负载功率运行时效率最高。电力系统的负载功率是时变的，在每天的日间和前夜，是用电的高峰期，而午夜至凌晨则是用电低谷期。为使发电机保持在其高效率的80%～90%功率下运行而又能满足任何时刻时变的负载用电需求，一个显见的技术措施是在负载用电低谷期将发电机高效运行的剩余发电能量存储起来，而在用电高峰期再将存储的能量变为电能，向电力系统供电，以补充电力系统发电机发电功率的不足。交流电机既可作发电机，也可作电动机运行。当它被原动机驱动时，可在发电状态下运行，将原动机的机械能变为电能；当电机由电网供电时又可作为电动机运行，拖动机械旋转，将电能变为机械能。图3-12是交流电机G₁（电动运行或发电运行）与水泵/水轮机组构成的抽水储能/水力发电系统图。图中电机G₁的定子绕组接在电网上，G₁的转子与一个水泵/水轮机相连接，在电力系统负载的低谷期（深夜），令电机G₁作电动机运行，从电网取得电功率变为机械功率，驱动水泵抽水，把水从水坝低水位处抽至高水位处，将电能变为水的位能。在日间电力系统负载的高峰期，电机G₁作发电机运行，高水位的水冲击水轮机，驱动交流发电机G₁发电，向电网部分负载供电。电业部门为了维持发电机在恒定高功率下持续高效运行而采用分时电价制度，夜间低谷期电价低，日间高峰期电价高。抽水储能电站的交流电机G₁在用电低谷、电价低的夜间，作电动机驱动水泵，买电、抽水储能，在白天用电高峰期、电价高时，电机G₁在水轮机驱动下作水力发电机运行，发电、卖电，从而可从电价差获得收益，而电业部门也因维持了发电机在一个固定的较高功率下高效运行而降低了发电成本。

抽水储能电厂水库的水头高低是时变的，水泵/水轮机经常在变化较大的水头（水位落差高度）发电或在扬程相差较大的情况下抽水。水泵抽水时电动机从电网吸取的功率P与水坝上、下水位落差（扬程m）及电机转速N有关。如图3-13所示，在任何扬程m下电动机功率P都随转速N急剧变化，而P与扬程m的关系不大。因此要调控电动机/发电机作电动机抽水储能运行时从电网吸取的储能功率P，只要微调5%～15%的转速就能满足要求。交流电动机由恒定频率（f_s=50Hz）的电网供电，如果电机转子绕组由直流励磁，则其转速N_s与电网供电频率f_s有严格的同步关系（同步电机），即N_s=60f_s/N_p。因此采用直流励磁的同步电动机无法调控转速，从而在图3-13中它作为同步电动机抽水储能时不能显著地调控从电网输入的功率P。为了能显著地调控P，必须改变转速N，而且只要在不大的范围内，改变转速N就显著改变功率P。这就要求电动机在恒频供电时能变速运行。采用绕线转子异步电机（将同步电机用绕线转子异步电机取代），转子励磁电压、电流从直流（转子电流频率f_r=0）改为交流（f_r≠0），即可实现交流电机恒频（定子f_s=50Hz）变速（转子速度N≠N_s）运行，这时转子绕组是在空间位置上相差120°的三个（三相）绕组，外加频率f_r的三相交流电。转子上三相绕组电流i_a、i_b、i_c形成的相对于转子的交流励磁旋转磁场转速N_r=60f_r/N_p（N_p为转子磁极对数）。由于转子转速为N，则转子上的旋转磁场相对于定子的转速为N_r+N=60f_r/N_p+N，定子感应电势电流的频率f_s为

同步转速为N_s=60f_s/N_p=N+N_r=N+60f_r/N_p （3-5A）

转差率s为s=（N_s-N）/N_s=N_rN_s （3-5B）

N_r=N_s-N=SN_s （3-5C）

转子转速为

N=60（f_s-f_r）/N_p=N_s-60f_r/N_p=N_s（1-s）=N_s-N_r （3-5D）

式中，N_s为直流励磁（f_r=0）时的同步转速。

图3-12 电动机/发电机-水泵/水轮机组结构图(www.xing528.com)

由式（3-5D）可知，只要将电机转子的直流励磁（f_r=0）改为频率f_r的三相交流励磁，在电网频率恒定为f_s=50Hz运行时，电机转速N可由改变转子交流励磁频率f_r简便地调控。如果要求转子超同步运行，即N>N_s，则f_r应为负值，即转子三相交流电流的相序应反向，使其旋转磁场的方向与转子磁场的旋转方向相反；如果要求次同步运行（即N<N_s），则f_r应为正值，即转子磁场的旋转方向应与转子旋转方向相同。在抽水电动运行时常采用转子超同步运行，转速N>N_s，而在采用水轮机发电运行工况时常采用次同步运行，转速N≤N_s。

图3-13示出了在一定的扬程m时只要改变转速8%，即可调控近50%的功率P，而P随扬程m的增大仅略有下降。图3-14示出电动机抽水运行时功率P、效率η与转速N的关系，在N=0.9～1.0实际应用范围内功率P随转速N快速上升。

图3-15示出了某个抽水储能电站中的水泵-水轮机/电动机-发电机租，作为水轮机发电机发电运行时要获得最高的运行效率，水坝上下水位落差h与发电机功率P和转速N的关系。在一定的水位落差下，转速改变不到10%即可改变发电功率P达50%左右，转速N增高可显著增大发电功率P。由图3-15可以看出在一定的水位落差h，要求发电机输出一定的功率P时，要使发电机组发电效率最高，发电机转子所对应的最佳转速。采用交流励磁变速恒频发电，通过改变转子交流励磁电流的频率f_r，即可使水力发电机组在不同的水位落差h和不同的发电功率P时，都在最高运行效率所对应的转速下运行，提高水能的利用率，降低发电成本。

图3-13 水泵-水轮机/电动机-发电机的抽水扬程与电功率输入的关系

图3-14 抽水电动机的效率及功率P与转速的关系

图3-15 在水力发电机组最高发电效率时，落差h，发电功率P与转速N的函数关系

图3-16示出了抽水储能水电站发电机交流励磁系统结构原理图，图中电动机/发电机的三相定子绕组接在电网上，发电机的转子采用三相交流绕组。电网三相交流电压经降压变压器降压后再由变频器将电网频率f_s=50Hz的三相交流变为低频f_r三相交流电，再由集电环向转子三相励磁绕组供电，使发电机（或电动机）在恒频（定子恒频f_s=50Hz）变速下运行。图中的变频器可以是第2章中2.6节中的交流-交流直接变频器，也可以是AC/DC-DC/AC两级间接变频器。前者采用晶闸管相控直接变频很适用于输出三相低频交流功率，容量可以做得很大，后者采用全控型开关器件。在图3-16中如果转子只与水轮机相连而无水泵，则为转子交流励磁的变速恒频水力发电机组结构，在水坝上下水位落差改变时，改变转子交流励磁电流的频率f_r，使水力发电机在不同水位落差时都在一个水轮机组效率最高的转速N_opt下变速恒频运行。在发电机转速为N，电机磁极对数为N_p时，变频器输出的转子电流频率f_r应为f_r=f_s-N_pN/60。

图3-16 抽水储能电站交流励磁系统结构