全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备

摘要

本实用新型提供一种功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备，所述全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备布置于母线洞中，所述母线洞包括母线洞上层和母线洞下层；所述全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备包括：全功率变频系统设备和发电电动机电压回路设备；所述全功率变频系统设备布置于所述母线洞上层；所述发电电动机电压回路设备布置于所述母线洞下层。未改变大型抽水蓄能电站地下主厂房和副厂房的结构，仅设置母线洞双层结构，大大降低了地下洞室群开挖支护难度和工程投资；结构安全可靠，便于运行维护。

说明书

技术领域

本实用新型属于抽水蓄能电站技术领域，具体涉及一种全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备。

背景技术

建立以风电、光伏等新能源为主体的新型电力系统是当前全球迫切的战略任务。因风电、光伏出力具有随机、间歇性的特点，大规模的新能源并网对电网的安全稳定运行将带来前所未有的挑战。随着电力电子技术的发展，采用变功率变频技术的抽水蓄能机组，水泵工况入力可调，发电和抽水时都能快速响应电网频率，独立的有功功率和无功功率控制，提高机组运行效率和调度灵活性；同时具备大范围无功补偿能力，日益成为高比例消纳新能源的有效手段。

目前的全功率变频机组电气双回路设备，具有占地面积大的特点，通常占地面积约900m

抽水蓄能电站主要机电设备通常位于埋深200～300m的地下厂房，地下洞室通常由主厂房洞、母线洞、主变洞、尾闸洞及其他附属洞室等组成。机组设备布置于地下主厂房。根据全功率变频抽水蓄能机组工程调研，多数电站通过主厂房上游侧进行扩挖或下游副厂房扩挖并增设层数等措施来解决两个电气回路的布置问题，上述方案对地下洞室围岩稳定、开挖支护施工提出了更高的要求，会改变地下厂房整体布置格局，大大提高了地下洞室群开挖支护设计难度和工程投资，对于全功率变频抽水蓄能机组工程，不属于技术、经济完全合理的工程方案。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备，可有效解决上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备，所述全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备布置于母线洞中，所述母线洞包括母线洞上层(21)和母线洞下层(22)；

所述全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备包括：全功率变频系统设备和发电电动机电压回路设备；

所述全功率变频系统设备布置于所述母线洞上层(21)；所述发电电动机电压回路设备布置于所述母线洞下层(22)。

优选的，所述发电电动机电压回路设备包括母线(2)、电制动开关柜(3)、PT柜(4)、发电机断路器(5)、PT/避雷器柜(6)和励磁变压器(7)；所述母线(2)的一端与发电电动机(1)连接，所述母线(2)的另一端依次串联连接所述电制动开关柜(3)、所述PT柜(4)、所述发电机断路器(5)、所述PT/避雷器柜(6)和所述励磁变压器(7)后，连接到主变压器(20)，形成发电电动机电压回路。

优选的，所述全功率变频系统设备包括连接母线(8)、第一隔离开关(9.1)、机侧阻容滤波器(10)、机侧电抗器(11)、全功率变频器、网侧电抗器(14)、网侧阻容滤波器(15)、网侧断路器(16)和第二隔离开关(9.2)；

所述连接母线(8)的一端，连接到所述母线(2)的用于与所述发电电动机(1)相连的一端；所述连接母线(8)的另一端依次串联连接所述第一隔离开关(9.1)、所述机侧阻容滤波器(10)、所述机侧电抗器(11)、所述全功率变频器、所述网侧电抗器(14)、所述网侧阻容滤波器(15)、所述网侧断路器(16)和所述第二隔离开关(9.2)后，连接到所述母线(2)的用于与所述主变压器(20)相连的一端。

优选的，所述全功率变频器包括串联连接的五电平机侧换流器(12)和MMC网侧换流器(13)。

优选的，所述全功率变频系统设备还包括控制盘柜(18)。

优选的，还包括全功率变频器冷却单元；所述全功率变频器冷却单元包括冷却器室(24)、冷却器(17)和冷却水管(19)；

所述冷却器室(24)布置于所述母线洞下层(22)；所述冷却器室(24)内安装所述冷却器(17)；所述冷却水管(19)的一端与所述冷却器(17)连接，所述冷却水管(19)的另一端与所述母线洞上层(21)内的所述全功率变频器连接。

优选的，所述冷却器室(24)采用隔墙(23)和母线洞侧壁形成与电气设备隔离的独立冷却设备间。

优选的，所述母线洞为圆拱直墙形地下洞室，采用喷锚支护和钢筋混凝土衬砌防护结构。

优选的，所述母线洞下层(22)的楼面为混凝土底板；所述母线洞上层(21)的楼面为混凝土板梁结构。

本实用新型提供的全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备具有以下优点：

(1)电气双回路设备布置在母线洞中，母线洞为母线洞上层和母线洞下层的双层结构，母线洞上层布置全功率变频系统设备，母线洞下层布置发电电动机电压回路设备。本实用新型布置结构清晰合理、经济实用；未改变大型抽水蓄能电站地下主厂房和副厂房的结构，仅设置母线洞双层结构，大大降低了地下洞室群开挖支护难度和工程投资；实现了全功率变频机组全功率变频系统设备和发电电动机电压回路设备的合理布置和连接，结构安全可靠，便于运行维护；

(2)全功率变频系统的冷却器布置在母线洞下层的独立隔间内，通过冷却水管连接至母线洞上层的全功率变频器，为全功率变频器提供热量交换，有效避免了因冷却系统的故障漏水给母线洞两层电气设备带来的安全隐患，确保整个系统运行安全。

附图说明

图1是本实用新型的全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备布置结构示意图；

图2是本实用新型的全功率变频抽水蓄能机组的全功率变频系统设备布置平面示意图；

图3是本实用新型的全功率变频抽水蓄能机组的发电电动机电压回路设备布置平面示意图；

图4是本实用新型的全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备电气连接结构示意图；

图中：

1---发电电动机；2---母线；3---电制动开关柜；4---PT柜；5---发电机断路器；6---PT/避雷器柜；7---励磁变压器；8---连接母线；9.1---第一隔离开关；9.2---第二隔离开关；10---机侧阻容滤波器；11---机侧电抗器；12---五电平机侧换流器；13---MMC网侧换流器；14---网侧电抗器；15---网侧阻容滤波器；16---网侧断路器；17---冷却器；18---控制盘柜；19---冷却水管；20---主变压器；21---母线洞上层；22---母线洞下层；23---隔墙；24---冷却器室。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种布置合理、经济实用、安全可靠、方便运维的全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备。

具体地说，具有以下优点：

(1)全功率变频回路设备实现了全功率变频回路的电气功能；该结构未改变大型抽水蓄能电站地下主厂房和副厂房的结构，仅将通常定速机组的单层母线洞设计成为双层母线洞，该结构布置在母线洞上层，大大降低了地下洞室群开挖支护难度和工程投资；布置清晰合理，结构安全可靠，便于运行维护。

(2)发电电动机电压回路设备布置实现了发电电动机电压回路的电气功能；该结构未改变大型抽水蓄能电站地下主厂房和副厂房的结构，仅将通常定速机组的单层母线洞设计成为双层母线洞，该结构布置在母线洞下层，大大降低了地下洞室群开挖支护难度和工程投资；布置清晰合理，结构安全可靠，便于运行维护。

(3)冷却器布置在下层的独立隔间内，通过冷却水管连接至母线洞上层的全功率变频器，为全功率变频器提供热量交换，有效避免了因冷却系统的故障漏水给母线洞两层电气设备带来的安全隐患。

(4)母线洞上层和母线洞下层分别适应全功率变频系统设备布置结构和发电电动机电压回路设备布置结构，合理实现上述设备的电气功能。

参考图1，本实用新型提供的全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备，布置于母线洞中，所述母线洞包括母线洞上层21和母线洞下层22；

所述全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备包括：全功率变频系统设备和发电电动机电压回路设备；

所述全功率变频系统设备布置于所述母线洞上层21；所述发电电动机电压回路设备布置于所述母线洞下层22。

下面分别对全功率变频系统设备和发电电动机电压回路设备详细介绍：

(一)发电电动机电压回路设备：

结合图3和图4，所述发电电动机电压回路设备包括母线2、电制动开关柜3、PT柜4、发电机断路器5、PT/避雷器柜6和励磁变压器7；所述母线2的一端与发电电动机1连接，所述母线2的另一端依次串联连接所述电制动开关柜3、所述PT柜4、所述发电机断路器5、所述PT/避雷器柜6和所述励磁变压器7后，连接到主变压器20，形成发电电动机电压回路。

(二)全功率变频系统设备：

结合图2和图4，所述全功率变频系统设备包括连接母线8、第一隔离开关9.1、机侧阻容滤波器10、机侧电抗器11、全功率变频器、网侧电抗器14、网侧阻容滤波器15、网侧断路器16和第二隔离开关9.2；

所述连接母线8的一端，连接到所述母线2的用于与所述发电电动机1相连的一端；所述连接母线8的另一端依次串联连接所述第一隔离开关9.1、所述机侧阻容滤波器10、所述机侧电抗器11、所述全功率变频器、所述网侧电抗器14、所述网侧阻容滤波器15、所述网侧断路器16和所述第二隔离开关9.2后，连接到所述母线2的用于与所述主变压器20相连的一端。

其中，所述全功率变频器包括串联连接的五电平机侧换流器12和MMC网侧换流器13。

全功率变频系统设备还包括控制盘柜18，负责全功率变频运行控制功能。

为实现对全功率变频器的降温，保证其工作性能，还包括全功率变频器冷却单元；所述全功率变频器冷却单元包括冷却器室24、冷却器17和冷却水管19；

所述冷却器室24布置于所述母线洞下层22；所述冷却器室24内安装所述冷却器17；所述冷却水管19的一端与所述冷却器17连接，所述冷却水管19的另一端与所述母线洞上层21内的所述全功率变频器连接。

作为一种具体实现方式，所述冷却器室24采用隔墙23和母线洞侧壁形成与电气设备隔离的独立冷却设备间，无须设房顶。

所述母线洞为圆拱直墙形地下洞室，采用喷锚支护和钢筋混凝土衬砌防护结构。其中，所述母线洞下层22的楼面为混凝土底板；所述母线洞上层21的楼面为混凝土板梁结构。

本实用新型公开一种地下厂房全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备，包括全功率变频系统设备和发电电动机电压回路设备，全功率变频系统设备形成全功率变频运行回路，发电电动机电压回路设备形成发电运行回路，两回路并联，构成全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路。其工作原理为：

全功率变频系统设备实现了抽水蓄能机组的全功率变频运行，即定转速同步的发电电动机1配置由五电平机侧换流器12和MMC网侧换流器13形成的全功率变频器作为主回路，实现发电电动机1发电和抽水方向各种工况运行；其中，连接母线8用于电气连接；发电电动机1出口的第一隔离开关9.1用于发电电动机1或全功率变频器检修时两设备间的安全隔离；机侧阻容滤波器10和网侧阻容滤波器15分别用于过滤五电平机侧换流器12和MMC网侧换流器13工作时产生的谐波，机侧电抗器11与机侧阻容滤波器10结合形成正弦波滤波器，对变频器输出的非常陡峭的电压变化率du/dt进行限制以消除du/dt在绕组端部产生很大的电压尖峰，网侧电抗器14用于限制MMC网侧换流器13工作时的浪涌电流与环流以及限制直流回路的短路电流，网侧断路器16用于全功率变频器与主变压器20连接完成与电网并网，主变压器20低压侧的第二隔离开关9.2用于全功率变频器或主变压器20检修时两设备间的安全隔离，控制盘柜18负责全功率变频运行控制功能，冷却器17是全功率变频器的冷却系统设备，冷却器17通过冷却水管19连接到全功率变频器；

发电电动机电压回路设备实现了定转速同步的发电电动机1配置发电机断路器5作为旁路回路实现发电方向运行，其中母线2用于电能传输，电制动开关柜3用于机组停机时的电气制动；PT柜4内PT测量发电机回路的电压用于保护、计量和测量；发电机断路器5用于发电电动机1与电网同步；PT/避雷器柜6内PT测量发电机回路的电压，用于保护、计量和测量，PT/避雷器柜6内避雷器用于对发电机回路进行过电压保护，励磁变压器7用于为同步发电电动机励磁系统提供电源。

当机组通过全功率变频运行回路进行全功率变频方式运行时，发电方向运行描述如下：正常情况下，第一隔离开关9.1和第二隔离开关9.2处于合闸状态，网侧断路器16合闸连接主变压器20，启动发电电动机1，五电平机侧换流器12和MMC网侧换流器13构成的全功率变频器投入运行，机组进行发电方向运行，机侧阻容滤波器10、机侧电抗器11、网侧电抗器14、网侧阻容滤波器15和冷却器17、冷却水管19维持全功率变频器的正常运行，连接母线8连接上述回路设备，控制盘柜18负责全功率变频运行控制功能。

当机组通过全功率变频运行回路进行全功率变频方式运行时，抽水方向运行描述如下：正常情况下，第一隔离开关9.1和第二隔离开关9.2处于合闸状态，网侧断路器16合闸连接主变压器20，启动发电电动机1，全功率变频器投入运行，机组进行抽水方向运行，机侧阻容滤波器10、机侧电抗器11、网侧电抗器14、网侧阻容滤波器15和冷却器17、冷却水管19维持全功率变频器的正常运行，连接母线8作为连接上述回路设备，控制盘柜18负责全功率变频运行控制功能。

当机组通过发电运行回路进行发电方向运行时，发电方向运行描述如下：正常情况下，第一隔离开关9.1和第二隔离开关9.2处于分闸状态，启动发电电动机1，励磁变压器7为发电电动机转子提供励磁电源，待发电电动机满足同步合闸条件时，发电机断路器5合闸，机组进行发电方向运行，PT柜4和PT/避雷器柜6维持机组的正常运行，母线2连接上述回路设备。

当机组通过发电运行回路进行发电方向停机时，发电方向的停机过程描述如下：正常情况下，第一隔离开关9.1和第二隔离开关9.2处于分闸状态，发电电动机1接到停机令，待发电电动机在空载状态下，发电机断路器5分闸，逆变灭磁后，断开发电电动机励磁系统灭磁开关，励磁变压器7不再提供励磁电源，投入电制动开关柜3，投励磁对发电电动机进1行电气制动，并在机械制动辅助下直至停机，PT柜4和PT/避雷器柜6维持机组的停机过程，母线2连接上述回路设备。

全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路连接结构实现了两个回路、多种运行方式的有机结合。全功率变频运行回路可以实现抽水蓄能机组在电动工况转速可调、入力可调、自动跟踪电网频率、确保电网稳定和安全；发电工况能输出功率调节范围更大、效率更高、稳定性也更优；发电运行回路能提供发电工况运行的另一种方式，机组可以不通过变频器而定速发电运行，避免了变频器的运行损耗，是电站综合发电效率为优先目标时一种较为经济、安全的运行方式。当设备故障或检修时，两种发电方式还可以互为备用。设置的全功率变频回路网侧断路器和发电运行回路发电机断路器都能以可靠的方式实现机组并网，避免主变压器高压侧断路器频繁启停操作，确保电站和电网安全。

本实用新型提供的全功率变频抽水蓄能机组的电气双回路设备，具有以下特点：

(1)电气双回路设备布置在母线洞中，母线洞为母线洞上层和母线洞下层的双层结构，母线洞上层布置全功率变频系统设备，母线洞下层布置发电电动机电压回路设备。本实用新型布置结构清晰合理、经济实用；未改变大型抽水蓄能电站地下主厂房和副厂房的结构，仅设置母线洞双层结构，大大降低了地下洞室群开挖支护难度和工程投资；实现了全功率变频机组全功率变频系统设备和发电电动机电压回路设备的合理布置和连接，结构安全可靠，便于运行维护；

(2)全功率变频系统的冷却器布置在母线洞下层的独立隔间内，通过冷却水管连接至母线洞上层的全功率变频器，为全功率变频器提供热量交换，有效避免了因冷却系统的故障漏水给母线洞两层电气设备带来的安全隐患，确保整个系统运行安全。

因此，在母线洞下层布置独立的冷却器室，与电气设备完全隔离，确保运行安全；以上布置结构确保了全功率变频回路设备和发电电动机电压回路设备的电气功能和运行安全。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。