CN216413931U - 可变速水电站 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及一种可变速水电站，该可变速水电站，包括水轮机，水轮机与可变速机组连接，实现电力转换；可变速机组一路通过机侧断路器、主变器和高压断路器与交流母线连接，另一路通过机侧变流器和网侧变流器与交流母线连接。本实用新型在原有的老旧水电站的基础上，将原有的同步发电机组替换为可变速机组，利用可变速机组将老旧水电站改造，既提高水电站的发电效率，同时利用水电站的可变速机组为平抑风电、光伏出力波动，辅助风电、光伏消纳提供服务。本实用新型充分结合了水电站水‑机‑电系统的特点与可变速机组的优势，在实现风光水互补的动态调节的过程中，既满足了水电机组实时动态调节的要求，又减少了对水电站设备运维的压力。

Description

可变速水电站
技术领域
本实用新型涉及水电技术领域，尤其是涉及一种可变速水电站。
背景技术
我国拥有丰富的小水电资源，技术可开发容量为128GW。在过去的70年里，中国政府大力发展小水电，用以改善广大农村地区的电力供应和支持农村经济发展。截至2016年，全国已建成47000多家小水电站，总装机容量为77.91GW。我国大约有3亿农村居民生活在广大的农村地区，随着国家整体电力的建设，小水电、风电、光伏等可再生能源在改善农村电气化和减少农村贫困方面取得了巨大成功。然而，近些年，中国的小水电产业却陷入了困境；一些省份已决定暂停所有新建小水电项目的开发，目前也不知何时能够重启。我国2017年发布的可再生能源发展第十三个五年计划中也明确指出，新建小水电的发展应受到严格的控制。值得注意的是，在技术层面上可开发的128GW小水电产能中，截止2016年仍有超过50GW的小水电资源尚未开发。更糟糕的是，许多已建的小水电站被要求关闭，甚至被拆除。小水电在中国的可持续发展受到严重影响。
与此同时，面对风电和光伏消纳难这一问题，我国很多省份都从政策层面出台了新能源电站必须配套建设一定规模储能的解决方法。由于气象条件不稳定、昼夜更替等诸多不确定因素，风电和光伏输出具有随机性和间歇性。如果将风电和光伏直接与电力系统相连，将对系统的稳定运行产生不利影响，电力系统的旋转备用容量也将因此增加。水电具有启停快、调节灵活等优点，可以看作是一种具备互补能力的电源。如果在水电站周边配套建设一定规模的风电和光伏电站，三者以互补模式运行，既可以提高风电和光伏的电能质量，又可以减少弃电率和电力系统所需的旋转备用容量。
实用新型内容
为解决以上问题，本实用新型提供一种可变速水电站，充分结合了水电站水-机-电系统的特点与可变速机组的优势，在实现风光水互补的动态调节的过程中，既满足了水电机组实时动态调节的要求，又减少了对水电站设备运维的压力，还可以最大可能地增大互补系统的整体发电量。
本实用新型采用的技术方案是：一种可变速水电站，包括水轮机，其特征在于：所述水轮机与可变速机组连接，实现电力转换；所述可变速机组一路通过机侧断路器、主变器和高压断路器与交流母线连接，另一路通过机侧变流器和网侧变流器与交流母线连接。
作为优选，所述交流母线为10kV交流母线。
作为优选，所述可变速机组包括两组三相绕组：一组三相绕组为定子绕组，放在定子中；另一组三相绕组为转子绕组，放在转子中。
进一步的，两组所述三相绕组需独立供电，且两个绕组都能够双向供电。
进一步的，所述可变速机组的同步速度ns
Figure BDA0003321076650000021
其中：fs为给定子绕组供电的平衡三相电压的供电频率，p为电机的极对数。
进一步的，所述可变速机组的转子绕组感应电压和电流的角频率ωr
ωr＝ωs-ωm
其中：ωr为转子绕组电压和电流的角频率，ωs为定子绕组电压和电流的角频率，ωm为转子的机械转动角频率。
更进一步的，所述可变速机组的转差s
Figure BDA0003321076650000031
根据转差的大小，可变速机组有三种工作状态，即s>0时，转子转速超过固有同步转速，此时为超同步运行；s＝0时，转子转速等于固有同步转速，此时为同步速运行；s<0时，转子转速小于固有同步转速，此时为次步速运行。
一种可变速水电站的运营方法，可变速水电站平抑风电、光伏出力并配合风电、光伏消纳的阶段如下：
阶段一：水电机组通过励磁控制平滑风电和光伏短期的出力波动：
优先通过调节可变速机组的励磁，实现可变速水电机组输出有功功率和无功功率的调节，从而平滑风电和光伏出力曲线；可变速机组的有功功率和无功功率可独立地和灵活地调节，通过机组励磁的内闭环控制，很容易实现平滑风电和光伏的出力曲线的目的。
阶段二：水电机组通过导叶开度平抑风电和光伏的大幅功率波动：
优先通过调节水轮机的导叶开度，实现水电机组整体出力调整，从而平滑风电和光伏较大幅度的出力波动；虽然导叶开度的调节在实时性上差于励磁调节，但由于阶段一优先采用了励磁控制的手段，因此整体而言，相对于固定速水电机组，可变速机组可以大大减少在风光水互补水电站中水轮机组的导叶开度的调节频率。
阶段三：通过水库的储水蓄电和放水发电，将多余的风电和光伏电能进行储存，以减少风电和光伏的弃电量：
通过水库的储水蓄电和放水发电，将多余的风电和光伏电能进行储存，与此同时，可变速机组可针对水库水头的变化，根据其机组的水头-效率最优曲线，寻找合适的运行转速，实现最大效率发电；优点：既实现了对风电和光伏多余电能的储存和转化，又可以在单位水头条件下实现最佳水能-电能能源转化效率，节约了宝贵的水能资源。
本实用新型取得的有益效果是：在原有的老旧水电站的基础上，将原有的同步发电机组替换为可变速机组，同时在电气连接上，将同步发电机组配套的励磁机替换为背靠背式的双向变流器，利用双向变流器为可变速机组提供励磁。利用可变速机组将老旧水电站改造，既可以提高水电站的发电效率，同时还可以利用水电站的可变速机组为平抑风电、光伏出力波动，辅助风电、光伏消纳提供服务。本实用新型充分结合了水电站水-机-电系统的特点与可变速机组的优势，在实现风光水互补的动态调节的过程中，既满足了水电机组实时动态调节的要求，又减少了对水电站设备运维的压力，还可以最大可能地增大互补系统的整体发电量。
附图说明
图1为现有水电站示意图；
图2为本实用新型的可变速水电站示意图；
图3为可变速水电机组的工作原理图；
图4为可变速水电站的运营原理图；
图5为水库水位变动，可变速机组与固定速机组的发电效率对比示意图；
附图标记：1、水轮机；2、同步发电机组；3、励磁机；4、机侧断路器；5、主变压器；6、高压断路器；7、10kV交流母线；8、可变速机组；80、可变速发电机；81、定子绕组；82、转子绕组；83、背靠背式双向变流器；9、机侧变流器；10、网侧变流器；11、50Hz电网。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作更进一步的说明。
如图1-2所示，在老旧水电站改造环节，需要对可变速机组8进行选型，即根据水电站水头情况选择合适的机组同步转速和可变速范围，再将原有的同步发电机组3替换为可变速机组8，同时在电气连接上，将同步发电机组2配套的励磁机3替换为背靠背式双向变流器83，利用背靠背式双向变流器83为可变速机组8提供励磁。
本实用新型的一种可变速水电站，包括水轮机1，水轮机1与可变速机组8连接，实现电力转换；可变速机组8一路通过机侧断路器4、主变器5和高压断路器6与10kV交流母线7连接，另一路通过机侧变流器9和网侧变流器10与10kV交流母线7连接。
为了满足风光水互补系统根据电网调度指令实时调节的要求，可变速机组8首先需要对风电和光伏的随机波动出力曲线进行平滑处理，可以设计可变速机组8的内闭环控制，对水电机组输出的有功和无功进行调节，以满足平滑风光水互补出力曲线的要求。
为了减少对水电站设备运维的压力，基于可变速机组的风光水互补系统可以将水轮机1的导叶调节设置为外闭环控制，减少因为风光水互补造成的对水轮机导叶系统的压力，提高了整体系统的可靠性，同时水轮机-发电机系统的振动和噪音也会因此而降低。
为了提高风光水互补系统的整体发电量，在水电站的水库水位因为储备风电和光伏的剩余电能而需要被动调节时，常规固定速水电机组会因为常常偏离最佳工作水头区间而降低水电转化效率，而可变速机组8可以根据其机组固有的最佳水头-效率曲线动态寻找最佳工作转速，进而提高水电机组的发电量。
结合图3，在本实施例中，可变速机组8包括两组三相绕组，一组三相绕组为定子绕组81，放在定子中；另一组三相绕组为转子绕组82，放在转子中。定子绕组81和转子绕组82需独立供电，且都能够双向供电。
如果定子绕组81由频率为fs的平衡三相电压供电时，会感应产生定子磁通，定子磁通量以恒定速度旋转(即：同步速度ns)
Figure BDA0003321076650000051
其中：fs为给定子绕组供电的平衡三相电压的供电频率，p为电机的极对数。
在稳态下的正常运行中，由于转子绕组中的感应电压和电流具有正交频率，因此转子中外部提供的电压也应具有正交频率。转子中的感应电压取决于定子磁通转速和转子转速之间的关系，转子绕组感应电压和电流的角频率ωr由以下关系式给出：
ωr＝ωs-ωm
其中：ωr为转子绕组电压和电流的角频率(rad/s)，ωs为定子绕组电压和电流的角频率(rad/s)，ωm为转子的机械转动角频率(rad/s)。
根据定子速度和转子角频率之间关系，可变速机组的转差s可以定义为：
Figure BDA0003321076650000061
根据转差的大小，可变速机组有三种工作状态，即s>0时，转子转速超过固有同步转速，此时为超同步运行；s＝0时，转子转速等于固有同步转速，此时为同步速运行；s<0时，转子转速小于固有同步转速，此时为次步速运行。
结合图4-5所示，一种可变速水电站的运营方法，可变速水电站平抑风电、光伏出力并配合风电、光伏消纳的阶段如下：
阶段一：水电机组通过励磁控制平滑风电和光伏短期的出力波动：
优先通过调节可变速机组的励磁，实现可变速水电机组输出有功功率和无功功率的调节，从而平滑风电和光伏出力曲线；可变速机组的有功功率和无功功率可独立地和灵活地调节，通过机组励磁的内闭环控制，很容易实现平滑风电和光伏的出力曲线的目的。
阶段二：水电机组通过导叶开度平抑风电和光伏的大幅功率波动：
优先通过调节水轮机的导叶开度，实现水电机组整体出力调整，从而平滑风电和光伏较大幅度的出力波动；虽然导叶开度的调节在实时性上差于励磁调节，但由于阶段一优先采用了励磁控制的手段，因此整体而言，相对于固定速水电机组，可变速机组可以大大减少在风光水互补水电站中水轮机组的导叶开度的调节频率。
阶段三：通过水库的储水蓄电和放水发电，将多余的风电和光伏电能进行储存，以减少风电和光伏的弃电量：
通过水库的储水蓄电和放水发电，将多余的风电和光伏电能进行储存，与此同时，可变速机组可针对水库水头的变化，根据其机组的水头-效率最优曲线，寻找合适的运行转速，实现最大效率发电；优点：既实现了对风电和光伏多余电能的储存和转化，又可以在单位水头条件下实现最佳水能-电能能源转化效率，节约了宝贵的水能资源。
以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要结构特征。本实用新型不受上述实例的限制，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型的范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种可变速水电站，包括水轮机，其特征在于：所述水轮机与可变速机组连接，实现电力转换；所述可变速机组一路通过机侧断路器、主变器和高压断路器与交流母线连接，另一路通过机侧变流器和网侧变流器与交流母线连接。
2.根据权利要求1所述的可变速水电站，其特征在于：所述交流母线为10kV交流母线。
3.根据权利要求1所述的可变速水电站，其特征在于：所述可变速机组包括两组三相绕组：一组三相绕组为定子绕组，放在定子中；另一组三相绕组为转子绕组，放在转子中。
4.根据权利要求3所述的可变速水电站，其特征在于：两组所述三相绕组需独立供电，且两个绕组都能够双向供电。
5.根据权利要求3所述的可变速水电站，其特征在于：所述可变速机组的同步速度ns
Figure FDA0003321076640000011
其中：fs为给定子绕组供电的平衡三相电压的供电频率，p为电机的极对数。
6.根据权利要求3所述的可变速水电站，其特征在于：所述可变速机组的转子绕组感应电压和电流的角频率ωr
ωr＝ωs-ωm
其中：ωr为转子绕组电压和电流的角频率，ωs为定子绕组电压和电流的角频率，ωm为转子的机械转动角频率。
7.根据权利要求6所述的可变速水电站，其特征在于：所述可变速机组的转差s
Figure FDA0003321076640000012
根据转差的大小，可变速机组有三种工作状态，即s>0时，转子转速超过固有同步转速，此时为超同步运行；s＝0时，转子转速等于固有同步转速，此时为同步速运行；s<0时，转子转速小于固有同步转速，此时为次步速运行。
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