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三河口电站大容量四象限变频调速方案电气工程研究

时间:2018-11-23 18:43来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电气工程论文,电气工程培养能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发、经济管理以及电子与计算机技术应用等领域
本文是一篇电气工程论文,电气工程培养能够从事与电气工程有关的系统运行、自动控制、电力电子技术、信息处理、试验分析、研制开发、经济管理以及电子与计算机技术应用等领域工作的宽口径“复合型”高级工程技术人才。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电气工程论文,供大家参考。
 
1 绪论
 
1.1 工程概况
陕西省引汉济渭工程是省内重大的跨流域调水工程,工程地跨黄河、长江两大流域以及西安、汉中和安康三市,工程由三大部分组成,黄金峡水利枢纽、三河口水利枢纽、秦岭输水洞(黄三段和越岭段)工程。引汉济渭工程首部黄金峡水利枢纽在汉江上游的汉中洋县境内,尾部秦岭输水洞越岭段出口在西安市周至县渭河二级支流、黑河一级支流的黄池沟内,工程总体布局见图 1-1 引汉济渭工程总体布置图【1】。三河口水利枢纽是调水工程的重要水源之一,同时也是引汉济渭工程中具有较大水量调节能力的核心项目。枢纽位于整个引汉济渭工程调水线路的中间位置,是整个工程的调蓄中枢;位于佛坪县与宁陕县境交界、汉江一级支流子午河中游峡谷段,公路里程北距西安市约 170km,南距汉中市约 120km,东距安康市约 140km,北距佛坪县城约 36km,西距洋县县城约 60km【1】。三河口水利枢纽主要由包括拦河大坝、泄洪放空系统、供水系统和连接洞等组成。水库总库容为 7.1 亿 m3,调节库容 6.5 亿 m3,死库容 0.23m3,发电引水设计流量 72.71m3/s。当黄金峡水利枢纽泵站抽水量大于关中调水量,需向三河口水库补水进行调蓄时,三河口电站(泵站)水泵水轮机组作泵工况投入运行,设计抽水流量为 18.0 m3/s【1】。坝后供水系统厂房设置在大坝下游右岸,厂房布置型式为地面式。三河口水利枢纽发电总装机容量为 60MW,其中装设两台单机容量 20MW的常规水轮发电机组,两台单机容量 10MW 的水泵水轮机-发电电动机组。年平均抽水量 0.59 亿 m3,年平均发电量 1.325kW·h。
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1.2 研究背景及意义
三河口水库运行方式是水库向关中供水时,利用供水及泄放流量发电,其最大流量为 72.71m3/s(其中供水最大流量 70m3/s,下游生态放水设计流量 2.71m3/s);黄金峡泵站的抽水流量大于需水量时,多出的水量存储至三河口水库,这时需利用水泵抽水运行,保证三河口水库的调蓄能力。根据工程的调水调节计算结果,设计抽水流量为 18m3/s。因此,三河口电站的机组有抽水及发电两种功能需求【2】。由于三河口枢纽水库的水位变差较大,造成机组的扬程(水头)变幅很大,一般在额定转速下运行的常规机组难以满足工程要求,因此,需要采取其他方案解决工程运行中的技术难题。近些年来,在各工业领域都大量采用的是两象限中高压变频调速装置,类似这种形式的变频装置选用二极管的原理设计整流回路,利用整流回路特性将电网的交流电变换成直流,应用在电动机上;但由于二极管单向导通特性限制,使得采用二极管的两象限变频装置只能工作在电动状态,当电机在反向工作状态时,产生的能量不能反馈给电网;因此,正反运行的电机在运转过程中会产生能量,而一般的两象限变频器没有将产生的能量回馈至电网的功能,而是采用电阻的方式将能量消耗掉,造成能量的无故浪费,而且产生大量的热量使变频器性能降低【55】。随着电力电子技术、微电子技术的快速发展,不断出现新的电力电子元器件IGBT、IGCT、IECT 等全控器件;新技术、新型工艺不断在产品中广泛应用,促使了高电压、大功率、高精度、多功能、智能化变频器的出现,使四象限变频器应用越来越广泛,目前国内工矿行业,四象限变频器拖动提升机使用最大功率为 9MW,变频器作为试验站的高压变频电源具备能量回馈功能,已经有 15MVA 的业绩,且四象限变频器设备价格已接近两象限变频器价格。在工程投资可控范围之内,不大幅增加投资,电气接线可行、设备布置合理的的前提条件下,三河口应用四象限变频器设备具备了研究的条件【3】。而且四象限变频装置和两象限变频装置性能相比较,有很多优势和特点,四象限变频装置凭着良好的调速性能和节能等特性为现在工业的发展做出了重要的贡献,四象限变频器在现代的变频调速领域发挥了最大的作用【55】。
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2 变频调速装置的分类
 
2.1 转子变频
变频调速是电机主要推荐的调速方式,应用也越来越广泛,包括定子变频和转子变频。转子变频调速系统主要发展了四个阶段,即传统串级调速、内反馈电机+传统串级调速+静补、内反馈电机+斩波式串级调速、基于 PWM 整流技术的串级调速过程;由于半导体制造技术的快速发展,转子调速的控制不断改进,功能不断完善,成本下降很多,得到了广泛应用【12】。变频调速装置问世之前,串级调速作为一种调速方式,应用在大功率的风机、水泵负载上,可节约 30%左右能源,其理论研究也越来越深入,但美中不足的是这种原理电路不能进行可逆,而且存在调速范围小、功率因数较低、谐波污染等问题,因此不能作大范围的推广应用【12】。内反馈电机+传统串级调速+静补及内反馈电机+斩波式串级调速两种转子变频技术是在传统的串级调速基础上发展起来的,弥补了一些传统串级调速的缺点,但这两种方式仍然存在体积、损耗、质量均较大大,功率因数较低,而且在定子电流中存在低频谐波的问题【12】。基于 PWM 整流技术的串级调速技术又有电压型 PWM 整流技术的串级调速、电流型 PWM 整流技术的串级调速、基于 PWM 整流技术的串级调速三种类型【12】。其中基于电压型 PWM 整流技术的串级调速及基于电压型 PWM 整流技术的串级调速主要应用在系统动态性能要求不高的场合,可以取得较好的节能效果,提高经济效益【12】;但这种调速方式只能运行在 5%额定转速的调速系统中,而且不具备电机的四象限运行能力。目前,我国基于双 PWM 整流技术的串级调速的技术实现了电机四象限运行,即双馈调速,因此这种技术大多应用在煤矿企业,提升机的电机大部分采用绕线式异步电动机串电阻的调速方式,而双馈串级调速技术在风机和水泵调速中的应用,目前还不成熟,一方面调速范围小、电路较复杂,另一方面功率器件和绝缘器件要求的性能也很高,因此不适合推广应用【12】。
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2.2 定子变频器的分类及型式
功率器件是变频器的核心器件,由于电压高、功率大、技术复杂和投资较高等因素,到 上世纪 80 年代中期,门极关断晶闸管大规模生产,推进中高压变频器及变频器的产业化发展。直到上世纪末,才有了大功率绝缘栅双极型晶体管和门极换向晶闸管,其具有较小的功率损耗,简单的门极控制,较好的开关特性,简单的电路等特点,在大功率电力电子的主要应用场合得到了迅速的推广应用。调速用变频器有低压和中压两大类。低压变频器输出电压小于 1kV,中压变频器输出电压在 1~10kV,容量 0.3MVA 至数十兆伏安。三河口泵站 10MVA 以上级的大功率变频设备,只能采用 3kV 以上等级的中压变频器。
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3 三河口电站宽水头变幅机组的解决方案 ...... 13
3.1 电机调速方式的选择 ..........13
3.1.1 变极调速 .....13
3.1.2 变频调速 .....14
3.2 变频调速方案.......14
4.三河口电站变频调速装置的选择 .... 17
4.1 电站变频器选择前提条件 ......17
4.1.1 负载类型 .....17
4.1.2 基本参数 .....17
4.2 电站机组的运行方式 ..........17
4.3 电站变频调速的几点要求 ......22
4.4 变频调速装置型式的选择结论 ...........24
5 大容量四象限变频调速方案在三河口电站中的应用 ...... 26
5.1 四象限变频调速装置的接线 ....26
5.2 变频调速方案......32
5.3 H 桥多级串联方案系统组成 ....34
5.4 变频器控制 .........40
5.5 保护方案 ...........42
 
5 大容量四象限变频调速方案在三河口电站中的应用
 
5.1 四象限变频调速装置的接线
5.1.1 变频调速装置达到的功能要求
1.现两台可逆式水泵水轮机组电动工况下的启动、自动同期、工频切换。2.现两台可逆式水泵水轮机组电动工况下的变频运行(30-50HZ)。3.现两台常规水轮发电机组和两台可逆式水泵水轮机(不同时)低水头下的变频发电功能(30-50HZ)。根据机组的运行要求,10kV 侧四台机组形成单母线分段接线,机组按一台常规水轮发电机组和一台可逆机组均衡配置,通过两台 40 MVA 的三相双绕组有载调压电力变压器与 110 kV 高压侧相连接。每段母线上接一台变频调速装置以满足本段母线所连接机组的变频运行要求,并作为另一段母线上发电电动机电动工况时备用启动装置,电气主接线详见 5-1 图。
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总结
 
本文围绕三河口电站机组的运行方式展开研究,详细介绍了大容量四象限变频调速装置的选型及其方案,对四象限变频调速装置和传统的两象限变频器进行了对比和分析,主要解决了以下问题:
(1)三河口电站(泵站)抽水工况扬程、流量变幅较大,发电工况扬程变幅大的情况下,机组在某一单一转速下运行时,无法兼顾整个泵站扬程、电站水头及流量段,由此会造成机组空蚀振动和压力脉动增加及机组效率下降等问题出现。为此提出可变速机组,在不改变厂房整体布置和不大幅增加工程投资的前提下,通过改变转速来使机组适应不同扬程或水头、流量段运行要求,从而满足三河口水利枢纽工程的调水功能要求。
(2)三河口工程水轮发电机组采用变频技术,使机组能够在不同水头条件下选用与之相适应的转速运行,从而提高了水轮机的效率,改善了机组的运行条件,充分利用水能,增加水电站的经济效益。因此,运用了变频技术后机组在很大程度上提高了投资回报率,对于电站运行有着很强的实用价值。
(3)通过对三河口电站工程中四象限变频技术展开研究,首次实现变频发电功能,既解决了水泵工况扬程变化范围又解决了发电工况水头变化范围大的技术难题,增加三河口电站低水头下不同流量的放水功能,并可通过机组之间的组合,实现不同流量供水,从而提高了供水保证率,增加了发电效益,使电站设备的年利用小时数提高 10%,年增加电量 1091 万 kW·h,抽水工况年节约电量 100 万 kW·h。
(4)水轮发电机组发电过程,也是一个消能的过程。利用变频调速方案后,由于扩大了水头利用范围,这样不仅增加了供水流量调节的灵活性,同时也节省了工程投资。
(5)三河口电站大功率四象限变频调速装置采用多级串联电压源型可满足本课题要求。实现两台可逆式水泵水轮机组电动工况下的启动、自动同期、工频切换,并实现机组电动工况下的变频运行。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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