抽水蓄能双速凸极同步电机

为了全面实现国家“碳达峰”、“碳中和”这一重大目标，以新能源替代传统化石能源是未来能源发展的趋势。在构建以新能源为主体的新型电力系统过程中，抽水蓄能由于其技术成熟、运行安全以及低碳绿色等优势，将发挥至关重要的作用，为解决大规模光伏、风能等可再生能源消纳问题提供有效手段。

当前，我国抽水蓄能电站普遍采用转速保持恒定的水轮水泵机及发电电动机，以满足电网频率要求。然而，受能量转换特性约束，水轮水泵机效率与运行转速以及进水流量存在耦合关系，当流量变化时，最优效率运行转速将随之发生改变，故定速抽水蓄能机组难以持续保持较高的能量转换效率。此外，定速机组对水头、库容等水文条件要求较高，带来了电站选址的局限性。鉴于此，可变速机组以其高效、适应水头范围宽、容量灵活的优势在抽水蓄能领域得到普遍关注。

本文首出一种凸极同步电机转子虚拟多槽变极的分析方法，引入“虚拟槽”的概念，将凸极转子化为多槽隐极转子来分析，所获得的变极方案仍然保持凸极结构不变，且磁极大小宽度相同，导体利用率高，谐波含量低，两种极数下均无需丢弃任何磁极。同时提出一种具有混合磁极的凸极同步电机变极转子的结构模式在不改变现有电机结构尺寸的情况下，引入虚拟磁极的概念，通过减少磁极数量、增加线圈匝数、改变磁极的布置及接线方法等新的技术手段，实现了电机两档转速的自动切换。

所提出的双速凸极同步电机技术可以有效扩大水机工作范围，使水机在更宽的扬程变化范围内安全运行，即不汽蚀、不振动、不轻载、不超载，可使水机始终处在最有利的工况下运行；可以弥补定速机组高效区窄的缺陷，在叶片全调的基础上，增加了工况调节的可靠性和灵活性，通过粗调（调速）和微调（调角），可使水机在扬程变化较大的范围内保持高效运行，降低能耗；与同功率、同类型的单速电机比，双速电机的重量仅增加30%，价格略高，但系统效率显著提升，三年内产生的综合收益远大于电机设备的一次性投资；与全功率或部分功率的变频调速机组相比，可以省去高压大容量变频调速装置，系统成本和维护管理费用大大降低。 

关键词：“碳达峰”、“碳中和”；抽水蓄能；可变速机组；双速凸极同步电机；变极。