費萬堂，衣傳寶，楊 梅，梁國才，陳 磊，張昊晟

（1.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；3.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

為了促進節(jié)能減排，作為高比例消納風電、光伏等清潔能源的有效手段之一，交流勵磁變速抽水蓄能機組以其相比定速機組更優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能在日本、德國、斯洛文尼亞、瑞士、葡萄牙、法國、印度等國家的電網(wǎng)中得到了建設(shè)和應用，河北豐寧抽水蓄能電站兩臺變速機組也成為中國首次建設(shè)的大型交流勵磁變速抽水蓄能機組。國際上各主機供貨商也先后大力投入研發(fā)并推動技術(shù)進步。

然而從目前國際形勢看，交流勵磁變速蓄能機組技術(shù)還未得到廣泛的工程應用和經(jīng)驗總結(jié)，各主要供貨商雖然都積累了一定的設(shè)計制造經(jīng)驗，但各家技術(shù)各有優(yōu)缺點，某些關(guān)鍵技術(shù)問題還未取得統(tǒng)一的認識。因此，交流勵磁變速蓄能機組技術(shù)在國際上還有待形成更可靠、更成熟、更系統(tǒng)、更完善的設(shè)計、制造、試驗、安裝、調(diào)試、運行和維護體系。

河北豐寧抽水蓄能電站建設(shè)方自兩臺交流勵磁變速機組的前期論證階段就關(guān)注了以上問題，也對中國首臺變速機組的建設(shè)提出了更嚴格的要求。目前，變速機組的合同執(zhí)行和工程建設(shè)還處于中期階段，基于豐寧抽水蓄能電站交流勵磁變速機組設(shè)備的當前設(shè)計成果，需要對交流勵磁變速機組的電氣系統(tǒng)設(shè)計以及變速水泵水輪機及其附屬設(shè)備、變速發(fā)電電動機及其附屬設(shè)備、交流勵磁設(shè)備、控制和保護設(shè)備等的關(guān)鍵技術(shù)問題及時總結(jié)、提出重點研究方向，以期在本工程后續(xù)建設(shè)過程中能夠厘清相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)問題、確保變速機組制造、安裝、調(diào)試過程順利，確保機組安全、穩(wěn)定運行，并為未來同類機組的建設(shè)提供參考。

1 工程概況

河北豐寧抽水蓄能電站位于河北省承德市豐寧滿族自治縣境內(nèi)，距北京市區(qū)的直線距離180km，距承德市的直線距離150km。豐寧抽水蓄能電站總裝機容量3600MW，共裝設(shè)12臺單機容量300MW的可逆式蓄能機組，是目前世界上裝機規(guī)模最大的抽水蓄能電站。電站分兩期開發(fā)，同期建設(shè)，一、二期工程裝機容量分別為1800MW。二期工程的11號、12號機組為交流勵磁變速機組，其他10臺機組均為定速機組。電站一期工程1號定速機組和二期工程12號變速機組分別計劃于2021年和2022年投入商業(yè)運行。

電站樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)和發(fā)電廠房及開關(guān)站組成。地下主廠房總長度為414.0m，安裝間位于中部，兩側(cè)分別為1號～6號主機間和1號主副廠房、7號～12號主機間和2號主副廠房。1號～6號主機間及7號～12號主機間開挖尺寸均為149.5m×25.0m×54.5（55.0）m （長×寬×高），安裝場開挖尺寸為75.0m×25.0m×26.0m（長×寬×高）。主機間分五層布置，分別是發(fā)電機層、母線層、水輪機層、蝸殼層和尾水管層。主變壓器洞平行布置在主廠房下游側(cè)，與主廠房距離為40m，布置主變壓器、500kV聯(lián)合單元設(shè)備、電動工況起動設(shè)備等。主變壓器洞開挖尺寸為450.5m×21.0m×22.5m（長×寬×高）。主廠房和主變壓器洞之間布置12條母線洞。

地下廠房全景圖如圖1所示，廠房橫剖面及縱剖面圖如圖2和圖3所示。

圖1 地下廠房全景圖Figure 1 Panoramic view of the underground powerhouse

圖2 地下廠房橫剖面圖Figure 2 Cross section of the underground powerhouse

圖3 主副廠房洞縱剖面圖Figure 3 Longitudinal section of the underground power house

2 豐寧抽水蓄能電站變速機組的建設(shè)背景

我國京、津及冀北電網(wǎng)電源以火電為主，接納大規(guī)模區(qū)外來電，系統(tǒng)調(diào)峰主要由火電承擔，電網(wǎng)調(diào)峰壓力大。此外，隨著地區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整和風電大規(guī)模入網(wǎng)，電網(wǎng)調(diào)峰難度將進一步增加。豐寧抽水蓄能電站建設(shè)條件優(yōu)越，裝機容量大，具備周調(diào)節(jié)性能，不僅能提高京津及冀北電網(wǎng)調(diào)峰能力，還可解決電網(wǎng)周內(nèi)負荷不均衡問題[1][2]。

為同時滿足河北張家口地區(qū)大規(guī)模風電和太陽能發(fā)電的送出，“十三五”期間，國家電網(wǎng)有限公司建將成張北可再生能源柔性直流電網(wǎng)示范工程，即建設(shè)張北—康?！S寧—北京四端柔性直流環(huán)形電網(wǎng)，包括張北換流站300MW、康保換流站1500MW、北京受端換流站3000MW和豐寧調(diào)節(jié)端換流站1500MW，電壓等級為±500kV。豐寧抽水蓄能電站接入至豐寧換流站，可實現(xiàn)新能源和抽水蓄能互補，減小間歇性能源對交流電網(wǎng)的擾動沖擊，其中11號、12號變速機組將以其優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能參與張北柔直電網(wǎng)示范工程的運行[3]。

3 豐寧抽水蓄能電站變速機組工程設(shè)計

由于豐寧抽水蓄能電站兩臺變速機組目前還處在主機合同執(zhí)行和工程建設(shè)的中期階段，僅取得了階段性成果。本文分別對豐寧抽水蓄能電站11號、12號變速機組的基本設(shè)計做簡要介紹，與定速機組相同的常規(guī)設(shè)計在此省略。

3.1 豐寧變速機組電氣系統(tǒng)設(shè)計

豐寧兩臺變速機組各配置一套交流勵磁裝置，采用電動工況自啟動方式，不再采用SFC啟動或與其他機組的背靠背啟動方式；且變速機組不承擔電站和系統(tǒng)的黑啟動功能，黑啟動由電站其他10臺定速機組承擔。

3.2 變速水泵水輪機及其附屬設(shè)備

豐寧變速水泵水輪機采用單級、混流、可逆式、變轉(zhuǎn)速水泵水輪機。變速水泵水輪機在水輪機工況運行時，可采用降速尋優(yōu)的運行方式，使運行區(qū)更加靠近高效區(qū)。在提高效率、減小壓力脈動的同時，還可增大運行范圍。變速機組在水泵工況運行時，可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速及調(diào)節(jié)開度的方式，實現(xiàn)水泵工況輸入功率可調(diào)的功能。

變速水泵水輪機各主要部件，如頂蓋、蝸殼、座環(huán)、底環(huán)、尾水管、導軸承及主軸密封等部件結(jié)構(gòu)型式、拆裝方式均與定轉(zhuǎn)速機組一致。

根據(jù)以往抽水蓄能電站設(shè)計經(jīng)驗，蝸殼最大壓力、機組最大轉(zhuǎn)速、尾水管進口最低壓力多發(fā)生在水輪機工況。由于變速機組水輪機工況大部分處于降速尋優(yōu)運行，一方面運行轉(zhuǎn)速較低，另一方面機組效率略有提高，水輪機工況發(fā)額定輸出功率時的流量與定轉(zhuǎn)速機組基本相同，所以變速機組過渡過程計算與定速機組基本相同（見表1）。

表1 變速水泵水輪機主要技術(shù)參數(shù)表Table 1 Main parameters of variable speed pump-turbine

3.3 變速發(fā)電電動機及其附屬設(shè)備

豐寧變速發(fā)電電動機為立軸、懸式（帶上、下導軸承）、三相、50Hz、空冷、可逆式、雙饋感應電機。變速發(fā)電電動機主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 變速發(fā)電電動機主要技術(shù)參數(shù)表Table 2 Main parameters of variable speed generator-motor

豐寧變速發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子由主軸、轉(zhuǎn)子支架、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子線棒及端部支撐結(jié)構(gòu)組成。轉(zhuǎn)子線棒的上下端部均采用內(nèi)外支撐環(huán)結(jié)構(gòu)，固定環(huán)采用應力等級符合設(shè)計要求的特殊設(shè)計的非磁性合金材料。護環(huán)部位線棒的通風冷卻采用線棒端部斜邊之間安放中空的鋁合金支撐件方式。轉(zhuǎn)子鐵心材料采用低電磁損耗、靜態(tài)強度和疲勞強度滿足FKM評定標準的冷軋無取向硅鋼片。

綜合機組自啟動容量需求、交流勵磁裝置電壓和電流等級選擇、集電環(huán)和碳刷的選型、變頻器施加于轉(zhuǎn)子繞組的短時峰值電壓等條件，轉(zhuǎn)子線棒絕緣系統(tǒng)的電壓等級選擇為10kV，并參照定子線棒的目前最高要求的相關(guān)標準全部通過試驗。

綜合電磁設(shè)計、轉(zhuǎn)子線圈端部護環(huán)結(jié)構(gòu)和材料以及發(fā)電電動機尺寸等的選擇，豐寧變速發(fā)電電動定子繞組采用4支路設(shè)計。

優(yōu)選了碳刷和集電環(huán)的材料，并設(shè)置了通風、空氣—水冷卻裝置及碳刷粉塵吸收的封閉循環(huán)系統(tǒng)。

3.4 交流勵磁系統(tǒng)

交流勵磁系統(tǒng)變頻裝置采用交—直—交電壓源型中點鉗位三電平變頻器，功率器件采用IEGT全控型功率器件，冷卻方式采用強迫水冷系統(tǒng)。

交流勵磁電源采用4組單元并聯(lián)方式運行。每組單元由勵磁變壓器和變頻裝置等組成，詳見圖4。機組在水泵工況啟動時，通過交流勵磁系統(tǒng)實現(xiàn)機組的自啟動。

3.5 控制和保護系統(tǒng)

3.5.1 計算機監(jiān)控系統(tǒng)

電站按“無人值班”（少人值守）方式設(shè)計，采用計算機為基礎(chǔ)的全廠集中監(jiān)控方式。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用分層分布、開放式系統(tǒng)，設(shè)有電廠級和現(xiàn)地控制單元級。兩臺變速機組各自設(shè)有現(xiàn)地控制單元實現(xiàn)變速機組的控制、調(diào)節(jié)和信息采集。通過對變速機組調(diào)速器和交流勵磁的控制協(xié)調(diào)，實現(xiàn)機組發(fā)電和抽水工況的有功和無功快速的調(diào)節(jié)和最優(yōu)工況運行。

3.5.2 繼電保護系統(tǒng)

變速機組發(fā)電機定子繞組的繼電保護配置與定速機組相同。變速機組轉(zhuǎn)子為三相勵磁繞組，其繼電保護配置與同步機組的繼電保護配置不同。變速機組轉(zhuǎn)子保護配有轉(zhuǎn)子繞組接地、過電流、過電壓和頻率保護。

3.6 交流勵磁系統(tǒng)設(shè)備布置

中國常規(guī)定速機組抽水蓄能電站典型設(shè)計在地下主廠房和主變壓器洞之間設(shè)置40m長母線洞，用于布置發(fā)電機電壓回路設(shè)備。豐寧變速機組單元設(shè)計了母線洞雙層結(jié)構(gòu)，即在發(fā)電機電壓回路設(shè)備層以上擴挖一層。豐寧二期變速機組交流勵磁系統(tǒng)設(shè)備布置見圖5。變速機組的交流勵磁系統(tǒng)設(shè)備布置于雙層母線洞的上層，包括變頻器、冷卻裝置、過電壓保護柜、交流勵磁母線等，首末端分別連接至發(fā)電電動機和交流勵磁變壓器（見圖5）。目前兩臺變速機組雙層母線洞土建工程已完工。

由于豐寧抽水蓄能電站兩臺變速機組目前還處在主機合同執(zhí)行和工程建設(shè)的中期階段，本文僅對現(xiàn)階段的部分成果進行小結(jié)，對后續(xù)類似項目的工程設(shè)計提出認識性建議和研究方向。

圖4 交流勵磁系統(tǒng)單線圖Figure 4 Single line diagram of AC excitation system

圖5 變速機組交流勵磁系統(tǒng)設(shè)備布置圖Figure 5 Equipment arrangement of AC excitation system

4.1 含變速抽水蓄能機組的電氣接線設(shè)計

由于變速機組的交流勵磁系統(tǒng)設(shè)備選型設(shè)計與電網(wǎng)需求、水泵水輪機、發(fā)電電動機的設(shè)計相關(guān)性大，且每臺機組配備的交流勵磁系統(tǒng)設(shè)備占地面積約400～500m2，對地下廠房的布置設(shè)計影響大。變速機組采用SFC起動、背靠背起動或自起動方式的電氣接線設(shè)計和布置設(shè)計差異性較大，因此工程前期設(shè)計時在論證變速機組臺數(shù)時應重點結(jié)合電氣主接線和廠房布置設(shè)計。同時，根據(jù)經(jīng)驗機組轉(zhuǎn)速變化范圍達到±5%以上時可以考慮采用自啟動方式。因此合理選擇變速機組調(diào)速范圍和電動工況的啟動方式是電站設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，最終根據(jù)上述綜合研究結(jié)果確定采用變速機組的啟動方式，完成電氣接線設(shè)計。含變速抽水蓄能機組的電氣接線其他方面設(shè)計與定速機組類似。

4.2 黑啟動

電站接入電力系統(tǒng)設(shè)計時，電力系統(tǒng)按需求可能對抽水蓄能電站提出作為黑啟動電源的要求。變速機組如要實現(xiàn)黑啟動功能，除提供必要的機組自用電設(shè)備交流電源外，還需提供較大容量的交流電源并經(jīng)整流器供電至交流勵磁系統(tǒng)。因此工程前期設(shè)計時，對于兼有變速機組和定速機組的電站，宜由定速機組承擔黑啟動任務，即應理解為“黑啟動電源”指電站而非指定到某一變速機組；對于全部機組是變速機組的電站，可與電力系統(tǒng)協(xié)商選取電網(wǎng)內(nèi)其他電站作為黑啟動電源；如果確需電站的變速機組實施黑啟動，則采用只能采用引接應急交流電源并經(jīng)整流器供電的方式，此方式設(shè)計復雜，在有需求的電站應結(jié)合工程設(shè)計和產(chǎn)品設(shè)計進行深入研究。

4.3 變速水泵水輪機及其附屬設(shè)備

4.3.1 變速范圍選擇

變速機組轉(zhuǎn)速變化范圍的選擇與電網(wǎng)的需求、空化性能、駝峰區(qū)穩(wěn)定性、交流勵磁容量及機組額定容量等因素有關(guān)。據(jù)統(tǒng)計，國外大部分已建及在建變速機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍處于±4%～±7%，個別電站達到±10%。變速機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍的確定，需對機組效率、穩(wěn)定性、比轉(zhuǎn)速水平、交流勵磁系統(tǒng)容量及投資等方面進行了綜合性的技術(shù)經(jīng)濟比選后，確定合理可行的轉(zhuǎn)速變化范圍[5]。

4.3.2 水力模型研發(fā)

變轉(zhuǎn)速水泵水輪機特點及優(yōu)勢即在于水泵工況可根據(jù)電網(wǎng)需要，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速及開度，做到水泵工況輸入功率可調(diào)。在此調(diào)節(jié)過程中，水力模型的空化性能、駝峰區(qū)穩(wěn)定性能往往會成為水泵輸入功率調(diào)節(jié)范圍的限制性條件，影響機組輸入功率調(diào)節(jié)能力。

往往定轉(zhuǎn)速機組將S區(qū)余量及駝峰區(qū)余量的大小，作為評價定速蓄能機組穩(wěn)定性能的重要指標。而變速機組具備調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速運行的特性，機組在運行至S區(qū)附近或駝峰區(qū)附近時，可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來使機組回到穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運行，從而提高了S區(qū)及駝峰區(qū)的穩(wěn)定性。此時變速機組在做水力研發(fā)時，就可按照一個相對恒定的安全余量去作為設(shè)計邊界條件，來盡量擴大運行范圍，提高調(diào)節(jié)能力[6]。

4.3.3 調(diào)速器

對于變速機組調(diào)速器，其機械液壓部分基本與定轉(zhuǎn)速機組調(diào)速器相同。電氣調(diào)節(jié)部分相對要簡單一些，不同設(shè)備制造商功能也不完全一樣。有的設(shè)備制造商水輪機工況的電氣調(diào)節(jié)功能由機組的最優(yōu)控制器實現(xiàn)，調(diào)速器不設(shè)電氣柜；有的設(shè)備制造商保留轉(zhuǎn)速及開度調(diào)節(jié)功能，水泵工況采用開度調(diào)節(jié)。不同設(shè)備制造商針對不同控制策略研發(fā)的調(diào)速器均為成熟技術(shù)，只是不同設(shè)備制造商會根據(jù)自己的設(shè)計制造經(jīng)驗，選擇不同的操作控制策略，設(shè)置不同功能的調(diào)速器。

4.3.4 輔助系統(tǒng)

變速機組輔助系統(tǒng)設(shè)計原則與定速機組設(shè)計原則基本一致，僅技術(shù)供水系統(tǒng)相較定速機組稍有不同。由于變速發(fā)電電動機結(jié)構(gòu)不同，冷卻水量有所增大。同時技術(shù)供水系統(tǒng)還需要向變速機組增設(shè)的交流勵磁變頻裝置提供冷卻水。

4.3.5 主廠房橋式起重機

主廠房橋式起重機在設(shè)計時需關(guān)注起吊重量及起吊高度。

由于變速機組發(fā)電電動機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與定速機組轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，其起吊重量要比定速機組轉(zhuǎn)子略重。廠內(nèi)橋機起吊重量需適當增加。

另外各主機廠轉(zhuǎn)子端部支撐形式不同，若轉(zhuǎn)子端部支撐形式采用護環(huán)形式，還應考慮轉(zhuǎn)子端部上護環(huán)及下護環(huán)安裝時對起吊高度的要求，往往需要適當增加起吊高度，為轉(zhuǎn)子上/下端部護環(huán)套裝留有足夠空間。

4.4 變速發(fā)電電動機及其附屬設(shè)備

4.4.1 電磁設(shè)計

變速發(fā)電電動機的電磁設(shè)計應對電抗、溫升、損耗、振動、波形、勵磁參數(shù)、時間常數(shù)、過渡過程等參數(shù)進行綜合比選，選擇相對較低的電磁負荷，并留有一定的設(shè)計裕度。交流勵磁系統(tǒng)保證機組的安全穩(wěn)定運行不僅僅是正常運行工況，也包括啟動、制動機組及電網(wǎng)故障情況，以上要求均會影響到交流勵磁系統(tǒng)額定容量、額定電壓、額定電流等的選擇和設(shè)備布置，因此都需要進行復雜的仿真模擬。定子繞組型式的選擇通常與定速機組相同，但對于變速機組，不同轉(zhuǎn)子鐵心材料和繞組端部固定結(jié)構(gòu)的選擇，使轉(zhuǎn)子在相應直徑下離心力最小成為關(guān)注點，可能很大程度影響并聯(lián)支路數(shù)的選擇，從而影響整個電磁設(shè)計。轉(zhuǎn)子繞組型式應綜合水泵水輪機的轉(zhuǎn)速范圍和軸功率、變頻器的電壓等級以及集電環(huán)和電刷的接觸電流、定子繞組的型式等選取。變速發(fā)電電動機的損耗和效率計算、通風計算均需單獨分析不同荷載點，并應通過有限元計算驗證磁通密度以及空載和額定負載時的轉(zhuǎn)子電流[7][8]。

4.4.2 轉(zhuǎn)子端部支撐固定結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子端部支撐固定結(jié)構(gòu)是交流勵磁變速機組的關(guān)鍵部件，各國際主機制造商都至少經(jīng)歷了10～15年的研發(fā)、試驗和優(yōu)化歷程。支撐固定結(jié)構(gòu)的幾何特性和材料應進行全面的應力計算和選擇，支撐固定結(jié)構(gòu)還應允許軸向熱膨脹，并確保通風損耗最低。線棒應承受最小的應力并便于檢查維護，原則上應能在不拆卸整個固定結(jié)構(gòu)的情況下更換單根線棒，應進行支撐固定結(jié)構(gòu)的靜力強度和疲勞強度模型試驗。對變速發(fā)電電動機還處于研發(fā)階段的廠家，在選擇轉(zhuǎn)子端部支撐固定結(jié)構(gòu)的體系時應兼顧不同容量和尺寸的機組，使投入研發(fā)的結(jié)構(gòu)型式盡可能適應性好；建議在首臺供貨機組上裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組端部熱膨脹量監(jiān)測裝置以驗證設(shè)計的合理性和運行安全性。

4.4.3 轉(zhuǎn)子鐵心材料

轉(zhuǎn)子鐵心需要承受很大的應力并應減少運行損耗，因此轉(zhuǎn)子鐵心材料應同時具備高的機械性能和低的電磁損耗。目前國際上交流勵磁變速機組的轉(zhuǎn)子鐵心材料有高強度鋼板（厚度約1.6～2mm）和高強度硅鋼片（厚度約0.5～0.65mm）兩種選擇。轉(zhuǎn)子鐵心材料的選擇很大程度上影響著機組尺寸、電磁設(shè)計以至于機組性能，因此無論是制造廠還是建設(shè)方都應重點關(guān)注鐵心材料的選型，如采取硅鋼片還應同時關(guān)注其切割和涂漆工藝、片間的短路試驗等。應嚴格進行靜力強度計算和疲勞強度計算，并進行必要的疲勞試驗，需要對轉(zhuǎn)子鐵心材料在低頻運行工況下的損耗值進行理論計算和實測。

4.4.4 轉(zhuǎn)子繞組的電氣性能

轉(zhuǎn)子繞組絕緣系統(tǒng)的電壓選擇需與交流勵磁系統(tǒng)的選擇計算密切配合，并在分析計算長期運行電壓、變頻器允許最大電壓、轉(zhuǎn)子繞組短時耐受過電壓峰值（dU/dt）和有效值后綜合選定轉(zhuǎn)子繞組絕緣系統(tǒng)電壓等級。目前國際上各廠商對轉(zhuǎn)子繞組電壓等級的選擇原則還存在差異，后續(xù)項目設(shè)計時應予以重點關(guān)注。同時，由于國際上尚未形成轉(zhuǎn)子繞組絕緣系統(tǒng)的耐電壓試驗標準，應結(jié)合轉(zhuǎn)子線棒的結(jié)構(gòu)設(shè)計、絕緣設(shè)計包括防暈設(shè)計等，研討轉(zhuǎn)子線棒的工廠和現(xiàn)場試驗電壓標準，特別是轉(zhuǎn)子線棒絕緣的工頻擊穿電壓。

4.4.5 高電壓、大電流集電環(huán)的選型和配套系統(tǒng)設(shè)計

集電環(huán)的電壓和電流選擇與轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的電壓、交流勵磁系統(tǒng)電壓選擇密切相關(guān)。高電壓、大電流的集電環(huán)設(shè)計需考慮環(huán)間增加接觸面、電氣距離、表面散熱，解決環(huán)間的絕緣設(shè)置。應進行合理的通風冷卻設(shè)計和試驗，研究采用濕度控制系統(tǒng)的必要性，分析其可靠性和維護的便利性。當采取特殊的吸塵系統(tǒng)時，應進行電流分布（電刷數(shù)量多）和機械可靠性（尺寸大）的特殊設(shè)計。整個系統(tǒng)應進行機械、電、熱和流體力學的計算以及模型試驗驗證，包括機械試驗和電氣試驗，還應研究詳細的裝配和最終的加工方案。建議在首臺供貨機組上裝設(shè)集電環(huán)及碳刷溫度監(jiān)測裝置以驗證設(shè)計的合理性和運行安全性。

4.5 交流勵磁系統(tǒng)

變速機組在電網(wǎng)發(fā)生故障時，機組應具有故障穿越的能力，目前還沒有具體技術(shù)指標要求，需結(jié)合國家電網(wǎng)運行要求研究變速機組對故障穿越能力的技術(shù)指標。

由于定速機組采用快速勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，會降低電力系統(tǒng)的阻尼作用，導致定速機機組產(chǎn)生低頻振蕩，目前在勵磁調(diào)節(jié)器上附加一個電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）補償環(huán)節(jié)來解決低頻振蕩問題。變速機組本身具有快速響應和抑制振蕩能力，如何通過在現(xiàn)場試驗來驗證變速機組抑制低頻振蕩等性能指標還需進一步研究[9]。

4.6 控制和保護系統(tǒng)

4.6.1 控制

相較于定速機組，變速機組控制量多，需對調(diào)速器和交流勵磁系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制研究，提出變速機組的最優(yōu)控制策略。

4.6.2 繼電保護

（1）轉(zhuǎn)子繞組回路電壓和電流傳感器由于受轉(zhuǎn)子低頻率運行限制，無法通過常規(guī)的電流和電壓互感器準確采集轉(zhuǎn)子繞組回路的電流和電壓電氣量給機組繼電保護裝置來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子過電流、過電壓和頻率保護。目前是通過交流勵磁系統(tǒng)實現(xiàn)上述繼電保護，需研究如何通過機組的繼電保護裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組繼電保護。

（2）由于轉(zhuǎn)子是轉(zhuǎn)動部件，對轉(zhuǎn)子繞組的電氣量采集很困難，如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障的判定，目前還沒有應用實例，需研究轉(zhuǎn)子繞組匝間故障保護的判定方法和繼電保護策略。

4.7 變流勵磁系統(tǒng)設(shè)備布置

豐寧二期2臺變速機組的交流勵磁系統(tǒng)設(shè)備布置并未改變中國大型抽水蓄能電站典型設(shè)計地下廠房整體結(jié)構(gòu)，并與變速機組一一對應形成單元化設(shè)計。相比國際上類似的已投運交流勵磁變速機組工程，該布置設(shè)計有效控制了地下洞室群開挖尺寸，降低了支護難度和工程投資，布置清晰合理，便于運行維護，可為后續(xù)類似項目作為參考。

5 結(jié)束語

河北豐寧抽水蓄能電站兩臺變速機組為中國首次建設(shè)的大型交流勵磁變速抽水蓄能機組，目前處于主機合同執(zhí)行和工程建設(shè)的中期階段。本文對豐寧抽水蓄能電站交流勵磁變速機組設(shè)備的當前設(shè)計成果進行了說明，對交流勵磁變速機組的電氣系統(tǒng)設(shè)計以及水泵水輪機及其附屬設(shè)備、發(fā)電電動機及其附屬設(shè)備、交流勵磁設(shè)備、控制和保護設(shè)備等的部分關(guān)鍵技術(shù)問題進行了認識性梳理，提出了階段性的建議和研究方向，旨在為中國和國際后續(xù)變速機組的建設(shè)提供些許參考，共同推動世界交流勵磁變速蓄能技術(shù)的發(fā)展。

（1）變速機組電氣系統(tǒng)設(shè)計應綜合電力系統(tǒng)需求（包括黑啟動的要求）、調(diào)速范圍、變速機組和定速機組（如有）的臺數(shù)選擇、起動方式、土建設(shè)計、廠房布置、運行維護、工程投資等合理確定。

（2）變速水泵水輪機應重點關(guān)注水力性能的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性與變速范圍、功率調(diào)節(jié)能力的綜合協(xié)調(diào)設(shè)計。

（3）變速發(fā)電電動機應重點關(guān)注電磁設(shè)計的綜合合理性、轉(zhuǎn)子鐵心材料的選擇、轉(zhuǎn)子線圈端部支撐結(jié)構(gòu)的型式和材料的選擇以及維護便利性、轉(zhuǎn)子繞組絕緣系統(tǒng)的電壓等級選擇和相關(guān)電氣試驗標準的建立、高電壓大電流集電環(huán)和碳刷的運行要求和壽命等。

（4）交流勵磁系統(tǒng)應重點關(guān)注故障穿越能力和PSS等技術(shù)指標要求和現(xiàn)場試驗方法。

（5）控制和保護系統(tǒng)應重點關(guān)注變速機組的最優(yōu)控制策略和轉(zhuǎn)子繞組繼電保護實現(xiàn)方案。