变速恒频水力发电技术及其发展

戴理韬; 高剑; 黄守道; 唐祥龙

doi:10.7500/AEPS20191118001

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变速恒频水力发电技术及其发展

综述 | 更新时间：2025-06-16

- 变速恒频水力发电技术及其发展
- Variable-speed Constant-frequency Hydropower Generation Technology and Its Development
- 电力系统自动化-方正平台 2020年44卷第24期页码：169-177
- 作者机构：
  
  1.湖南大学电气与信息工程学院，湖南省长沙市 410082
  2.湖南山立水电设备制造有限公司，湖南省邵阳市 422700
- 作者简介：
  
  戴理韬（1993—），男，博士研究生，主要研究方向：新能源发电技术。E-mail：lito@hnu.edu.cn
  高剑（1979—），男，通信作者，博士，副教授，博士生导师，主要研究方向：特种电机设计与控制。E-mail：gaojian0895@hnu.edu.cn
  黄守道（1962—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向：新能源发电、电机系统故障诊断与容错控制。E-mail：hsd1962@hnu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2018YFB0606000)
- DOI：10.7500/AEPS20191118001
  中图分类号：
- 收稿日期：2019-11-18，
  
  修回日期：2020-06-01，
  
  网络出版日期：2020-07-29，
  
  纸质出版日期：2020-12-25
- 稿件说明：
移动端阅览
戴理韬,高剑,黄守道等.变速恒频水力发电技术及其发展[J].电力系统自动化,2020,44(24):169-177.

DAI Litao,GAO Jian,HUANG Shoudao,et al.Variable-speed Constant-frequency Hydropower Generation Technology and Its Development[J].Automation of Electric Power Systems,2020,44(24):169-177.
戴理韬,高剑,黄守道等.变速恒频水力发电技术及其发展[J].电力系统自动化,2020,44(24):169-177. DOI： 10.7500/AEPS20191118001.

DAI Litao,GAO Jian,HUANG Shoudao,et al.Variable-speed Constant-frequency Hydropower Generation Technology and Its Development[J].Automation of Electric Power Systems,2020,44(24):169-177. DOI： 10.7500/AEPS20191118001.

摘要

现有水电站多采用恒速发电系统，不仅会造成周期水能捕获效率下降还会导致机组运行环境恶化。水轮机的变速运行是克服上述弊端的关键，文中对水力发电领域变速恒频技术的应用与发展进行了综述。首先，概述了水电站常见类型以及恒速发电系统原理，并归纳了变速发电系统的优缺点；其次，介绍了变速恒频技术的主要实现方法及运行原理，对比了各变速系统的特性及差异，并分析了各系统的适用性及应用前景。最后，分析了变速恒频水力发电技术的重点与难点，并对其未来发展方向进行了展望。

Abstract

Existing hydropower stations mostly adopt the constant-speed generation systems

which will not only cause a decrease in periodic hydro-energy capture efficiency but also deteriorate the unit operation environment. The variable-speed operation (VSO) of the hydraulic turbine is the key to overcome the above-mentioned drawbacks. This paper reviews the application and development of the variable-speed constant-frequency (VSCF) technology in the hydropower generation field. Firstly

the common types of hydropower stations and the principles of constant-speed generation systems are described

and the advantages and disadvantages of VSO systems are induced. Then

the main realization methods and operating principles of the VSCF technology are introduced; the characteristics and differences of each VSO system are compared; and the applicability and prospect of each system are analyzed. Finally

the emphases and difficulties of VSCF hydropower generation technologies are analyzed

and the future development trends are prospected.

关键词

Keywords

references

International Energy Agency . Electricity information： overview ［EB/OL］. ［ 2019-09-09 ］. https：//www.iea.org/topics/electricity/ https://www.iea.org/topics/electricity/ .

2018年水力发电行业市场分析［J］. 电器工业， 2019 （ 5 ）： 29 - 33 .

Market analysis of hydropower industry in 2018 ［J］. Electrical Industry ， 2019 （ 5 ）： 29 - 33 .

李辉，杨顺昌 . 可调速双馈水轮发电机组控制系统的稳定性分析［J］. 中国电机工程学报， 2014 ， 24 （ 6 ）： 152 - 156 .

LI Hui ， YANG Shunchang . Stablity analysis of control system of adjustable speed hydroelectric generating units with doubly fed generators ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2014 ， 24 （ 6 ）： 152 - 156 .

CARLESS D ， WHITEHEAD P G . The potential impacts of climate change on hydropower generation in Mid Wales ［J］. Hydrology Research ， 2012 ， 44 （ 3 ）： 495 - 504 .

GUO Baoling ， MOHAMED A ， BACHA S ， et al . Variable speed micro-hydro power plant： modelling， losses analysis， and experiment validation ［C］// IEEE International Conference on Industrial Technology ， February 20 - 22 ， 2018 ， Lyon， France： 1079 - 1084 .

ESCALER X ， EGUSQUIZA E ， FARHAT M ， et al ． Detection of cavitation in hydraulic turbines ［J］. Mechanical System Signal Process ， 2006 ， 20 （ 4 ）： 983 - 1007 .

郭海峰 . 交流励磁可变速蓄能机组技术及应用［J］. 南方电网技术， 2011 ， 5 （ 4 ）： 97 - 100 .

GUO Haifeng . The technology and application of adjustable-speed pumped storage units with AC excitation ［J］. Southern Power System Technology ， 2011 ， 5 （ 4 ）： 97 - 100 .

桑原尚夫，代永成 . 大河内电站400 MW变速抽水蓄能机组的设计及动态响应特性［J］. 水利水电快报， 1997 （ 3 ）： 1 - 5 .

SANHARA Naoo ， DAI Yongcheng . Design and dynamic response characteristics of 400 MW variable speed pumped storage unit in Okawachi hydropower plant ［J］. Express Water Resources & Hydropower Information ， 1997 （ 3 ）： 1 - 5 .

赵琨，史毓珍 . 浅谈连续调速抽水蓄能机组的应用［J］. 水力发电， 2000 （ 4 ）： 34 - 37 .

ZHAO Kun ， SHI Yuzhen . Talking about the application of continuous speed control pumped storage unit ［J］. Water Power ， 2000 （ 4 ）： 34 - 37 .

JING Zhaoxia ， ZHU Jisong ， HU Rongxing . Sizing optimization for island microgrid with pumped storage system considering demand response ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2018 ， 6 （ 4 ）： 791 - 801 .

CHAZARRA M ， DIAZ J ， GONZALE J . Optimal joint energy and secondary regulation reserve hourly scheduling of variable speed pumped storage hydropower plants ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 1 ）： 103 - 115 .

LIANG J ， HARLEY R G . Pumped storage hydro-plant models for system transient and long-term dynamic studies ［C］// IEEE PES General Meeting ， July 25 - 29 ， 2010 ， Providence， USA： 1 - 8 .

KORITAROV V ， GUZOWSKI L ， FELTES J ， et al . Modeling and analysis of value of advanced pumped storage hydropower in the United States ［R］. Chicago， USA ： Argonne National Laboratory ， 2013 .

游亚戈，李伟，刘伟民，等 . 海洋能发电技术的发展现状与前景［J］. 电力系统自动化， 2010 ， 34 （ 14 ）： 1 - 12 .

YOU Yage ， LI Wei ， LIU Weimin ， et al . Development status and perspective of marine energy conversion systems ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2010 ， 34 （ 14 ）： 1 - 12 .

万勇 . 面向工程开发的波浪能评估模型及其在中国海的应用研究［D］. 青岛：中国海洋大学， 2015 .

WAN Yong . Study on wave energy evaluation model for engineering development and its application in the China sea ［D］. Qingdao ： Ocean University of China ， 2015 .

FANG Hongwei ， TAO Yue ， ZHANG Shuai ， et al . Design and analysis of bidirectional driven float-type wave power generation system ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2017 ， 6 （ 1 ）： 50 - 60 .

戴庆忠 . 潮汐发电的发展和潮汐电站用水轮发电机组［J］. 东方电气评论， 2007 （ 4 ）： 14 - 24 .

DAI Qingzhong . Hydraulic generating sets of tidal power station ［J］. Dongfang Electric Review ， 2007 （ 4 ）： 14 - 24 .

MARQUEZ J L ， MOLINA M G ， PACAS J M . Dynamic modeling， simulation and control design of an advanced micro-hydro power plant for distributed generation applications ［J］. International Journal of Hydrogen Energy ， 2010 ， 35 （ 11 ）： 5772 - 5777 .

KERKMAN R J ， LIPO T A ， NEWMAN W G ， et al . An inquiry into adjustable speed operation of a pumped hydro plant- part 1： machine design and performance ［J］. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems ， 1980 ， 99 （ 5 ）： 1828 - 1837 .

TOSHIBA . Adjustable speed pumped storage features ［EB/OL］. ［ 2019-09-01 ］. http：//www.toshiba.co.jp/worldwide/ http://www.toshiba.co.jp/worldwide/ .

张亚利 . 水轮机空蚀原因分析及对策［J］. 水力发电， 2000 （ 7 ）： 65 - 66 .

ZHANG Yali . Cause analysis and countermeasure of turbine cavitation ［J］. Water Power ， 2000 （ 7 ）： 65 - 66 .

张政 . 水轮机的空蚀及其危害［C］// 中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会， 2015年11月19日，深圳： 271 - 273 .

ZHANG Zheng . Cavitation erosion of hydraulic turbines and its damage ［C］// China Hydropower Engineering Society Power Supply Peaking and Pumping Storage Committee ， November 19 ， 2015 ， Shenzhen ， China： 271 - 273 .

邹体峰，王艳芳，王仲珏 . 浅析我国小水电开发中的生态环境保护问题［J］. 中国农村水利水电， 2008 （ 3 ）： 97 - 98 .

ZOU Tifeng ， WANG Yanfang ， WANG Zhongjue . Analysis on the problems of ecological environment protection in the development of small hydropower in China ［J］. China Rural Water and Hydropower ， 2008 （ 3 ）： 97 - 98 .

SEONI R M ， SHADEED E N ， SIMPSON R J ， et al . Review of trends of large hydroelectric generating equipment ［J］. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers ， 1976 ， 123 （ 10 ）： 1137 - 1162 .

JOHNSON G D . Pumped storage： an evaluation of the progress and experience to date with large reversible units ［C］// World Energy Conference ， August 20 - 24 ， 1968 ， Moscow， Russia： 73 - 101 .

MAZA-ORTEGA J M ， ACHAS E ， GARCÍAA S ， et al . Overview of power electronics technology and applications in power generation transmission and distribution ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2017 ， 5 （ 4 ）： 499 - 514 .

卢伟甫，王勇，樊玉林，等 . 抽水蓄能变速机组应用技术概述［J］. 水电与抽水蓄能， 2019 ， 5 （ 3 ）： 62 - 66 .

LU Weipu ， WANG Yong ， FAN Yulin ， et al . An overview of applied technologies for variable speed pump-turbine ［J］. Hydropower and Pumped Storage ， 2019 ， 5 （ 3 ）： 62 - 66 .

李辉 . 双馈水轮发电机系统建模与仿真及其智能控制策略的研究［D］. 重庆：重庆大学， 2004 .

LI Hui . Modeling and simulation of hydrogenator system with doubly fed generators and its intelligent control strategies ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2004 .

HUANG Hua ， JU Ping ， PAN Xueping ， et al . Phase-amplitude model for doubly fed induction generators ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2019 ， 7 （ 2 ）： 369 - 379 .

刘海涛 . 交流励磁抽水蓄能机组参与系统调频的控制策略研究［D］. 重庆：重庆大学， 2017 .

LIU Haitao . Research on control strategies of AC excited pumped storage units to participate in power system frequency regulation ［D］. Chongqing ： Chongqing University ， 2017 .

罗韡，姜建国，刘贺 . 大功率变换器在可变速抽水蓄能电站中的应用［J］. 电力电子技术， 2017 ， 51 （ 10 ）： 109 - 113 .

LUO Wei ， JIANG Jianguo ， LIU He . Application of high-power converter in adjustable speed pumped storage hydro station ［J］. Power Electronics ， 2017 ， 51 （ 10 ）： 109 - 113 .

JOESEPH A ， DESINGU K ， SEMWAL R ， et al . Dynamic performance of pumping mode of 250 MW variable speed hydro-generating unit subjected to power and control circuit faults ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2018 ， 33 （ 1 ）： 430 - 441 .

MULJADI E ， SINGH M ， GEVORGIAN V ， et al . Dynamic modeling of adjustable-speed pumped storage hydropower plant ［C］// IEEE Power & Energy Society General Meeting ， July 26 - 30 ， 2015 ， Denver， USA： 1 - 5 .

仇蕴璋 . 小型水电站无刷双馈发电系统研究［D］. 武汉：华中科技大学， 2018 .

QIU Yunzhang . Research on brushless doubly-fed power system applicated in small hydroelectric station ［D］. Wuhan ： Huazhong University of Science & Technology ， 2018 .

LOHDEFINK P ， DIETZ A ， MOCKEL A . The brushless doubly fed induction machine as generator for small hydro power-machine design and experimental verification ［C］// International Conference on Ecological Vehicles and Renewable Energies ， April 11 - 13 ， 2017 ， Monte Carlo， Monaco： 1 - 6 .

黄守道 . 无刷双馈电机的控制方法研究［D］. 长沙：湖南大学， 2005 .

HUANG Shoudao . The research of control methods on brushless doubly-fed machine ［D］. Changsha ： Hunan University ， 2005 .

张岳 . 变速恒频永磁直驱与无刷双馈风力发电机研究［D］. 沈阳：沈阳工业大学， 2012 .

ZHANG Yue . Study on direct-driven permanent magnet generator and brushless doubly-fed generator for variable speed constant frequency wind power generation systems ［D］. Shenyang ： Shenyang University of Technology ， 2012 .

WEGIEL T ， BORKOWSKI D . Variable speed small hydropower plant ［C］// IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems ， June 25 - 28 ， 2012 ， Aalborg， Denmark： 167 - 174 .

BORKOWSKI D ， WEGIEL T . Small hydropower plant with integrated turbine-generators working at variable speed ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2013 ， 28 （ 2 ）： 452 - 459 .

BELHADJI L ， BACHA S ， MUNTEANU I ， et al . Adaptive MPPT applied to variable-speed microhydropower plant ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2012 ， 28 （ 1 ）： 34 - 43 .

ARDANUY J ， WILHELMI J ， MORA J ， et al . Variable-speed hydro generation： operational aspects and control ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2006 ， 21 （ 2 ）： 569 - 574 .

赵仁德，王永军，张加胜 . 直驱式永磁同步风力发电系统最大功率追踪控制［J］. 中国电机工程学报， 2009 ， 29 （ 27 ）： 106 - 111 .

ZHAO Rende ， WANG Yongjun ， ZHANG Jiasheng . Maximum power point tracking control of the wind energy generation system with direct-driven permanent magnet synchronous generator ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2009 ， 29 （ 27 ）： 106 - 111 .

高剑 . 直驱永磁风力发电机设计关键技术及应用研究［D］. 长沙：湖南大学， 2013 .

GAO Jian . Research on design technology and application of direct-drive permanent magnet generator with wind turbine ［D］. Changsha ： Hunan University ， 2013 .

NAGURA O ， HIGUCHI M ， TANI K ， et al . Hitachi’s adjustable speed pumped-storage system contribution to prevention of global warming ［J］. Hitachi Review ， 2010 ， 59 （ 3 ）.

SCHLUNEGGER H . Pumping efficiency： a 100 MW full-size converter in the Grimsel 2 pumped-storage plant ［C］// Hydro Conference ， October 29 - 30 ， 2013 ， Southampton， UK： 42 - 47 .

STEIMER P K ， SENTURK O ， AUBERT S ， et al . Converter-fed synchronous machines for pumped hydro storage plants ［C］// IEEE Energy Conversion Congress and Exposition ， September 14 - 18 ， 2014 ， Pittsburgh， USA： 4561 - 4567 .

陶高周 . 全功率变流器机械结构关键技术研究［D］. 合肥：合肥工业大学， 2010 .

TAO Gaozhou . Research on key technologies of mechanical structure of full power converter ［D］. Hefei ： Hefei University of Technology ， 2010 .

KUWABARA T ， SHIBUYA A ， FURUTA H ， et al . Design and dynamic response characteristics of 400 MW adjustable speed pumped storage unit for Ohkawachi power station ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 1996 ， 11 （ 2 ）： 376 - 384 .

ZHANG L ， YU S ， FERNANDO T ， et al . An online maximum power point capturing technique for high-efficiency power generation of solar photovoltaic systems ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2019 ， 7 （ 2 ）： 357 - 368 .

RAJENDRAN S ， JENA D . Variable speed wind turbine for maximum power capture using adaptive fuzzy integral sliding mode control ［J］. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy ， 2014 ， 2 （ 2 ）： 114 - 125 .

JOSEPH A ， SELVARAJ R ， CHELLIAH T ， et al . Starting and braking of a large variable speed hydrogenerating unit subjected to converter and sensor faults [J]. Transactions on Industry Applications ， 2018 ， 54 ( 4 )： 3372 - 3382 .

DESINGU K ， SELVARAJ R ， CHELLIAH T . Control of reactive power for stabilized junction temperature in power electronic devices serving to a 250 MW asynchronous hydro-generating unit ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2019 ， 55 （ 6 ）： 7854 - 7867 .

SELVARAJ R ， DESINGU K ， CHELLIAH T ， et al . Fault tolerant operation of parallel-connected 3L-neutral-point clamped back-to-back converters serving to large hydro-generating units ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2018 ， 54 （ 5 ）： 5429 - 5443 .

JOSEPH A ， CHELLIAH T ， LEE K . Multi-channel VSI fed large variable speed asynchronous hydro-condenser： fault analysis， fault diagnosis and fault tolerant control ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2019 ， 13 （ 3 ）： 438 - 450 .

GUO Baoling ， BACHA S ， ALAMIR M ， et al . Optimal management of variable speed pumped-storage hydro-electric plant： cases study ［C］// IEEE International Conference on Industrial Technology ， February 13 - 15 ， 2019 ， Melbourne， Australia： 1119 - 1125 .

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