0 引言

水电是清洁与可再生能源中发展最早、供应最稳定、发电量最大的电力能源。根据国际能源署数据［1］，至2019 年底，全球发电量达到28 400 TW·h，其中水力发电量达到4 500 TW·h，占比总发电量约15.8%，占比可再生能源发电量约57.1%。中国水能资源丰富，无论是水资源蕴含量还是可开发量均居世界第一位，但中国水电的整体开发程度并不高，与发达国家相比仍有较大差距［2］。同时，火力发电占比总发电量过高（70%以上），不利于环境保护与可持续发展，因此未来水电行业发展仍有较大的提升空间。

传统水力发电站为满足电网频率的要求，水轮机及发电机需要保持恒速运行。而受水轮机能量转换特性约束，水轮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，水轮机的最优效率运行转速将随之发生改变［3］。并且，由于受到地区降水以及季节变化的影响，水电站的输入端水头变化明显，其进水流量可能长时间偏离电站的预期工作点［4］，然而水轮机需要一直维持额定转速，此时水轮机转速与流量的不匹配关系不仅会影响机组的水能捕获效率、严重降低水电站输出功率［5］，还会加剧水轮机的空蚀效应，进一步增大机组噪声和振动、减少水轮机使用寿命［6］。

针对恒速发电的诸多弊端，变速恒频发电技术逐渐成为了研究热点。前苏联、日本和美国等相继对交流励磁变速发电技术展开研究［7］。1987 年日本成出电站首次投运了22 MW 可变速抽水蓄能发电机组，随后又相继投运了多个可连续调速发电机组［8］；此外，德国与斯洛文尼亚也分别投运了大型可变速发电机组。研究表明［9］，采用变速发电技术能够在变速运行范围内有效提高效率并改善水轮机运行条件。

本文针对国内外现有变速发电技术进行了综述，介绍了水力发电机组的常见类型及其系统功能；讨论了传统恒速机组与变速机组的发电运行特性以及优缺点；探讨了变速机组的不同拓扑结构的发电原理及适用性；分析了变速水力发电技术发展的重点与难点；展望了变速恒频发电技术的未来发展方向。

1 水力发电系统

水力发电将由水位落差产生的势能经水轮机转换为机械能，再经发电机将机械能转换为符合电网要求的电能。水电站按照水源的性质可分为常规水电站、抽水蓄能电站、海洋能电站等类型。

1.1 水电站类型

1.1.1 常规水电站

常规水电站通常利用天然河流、湖泊等水能资源，使得水电站的上、下游形成一定的落差，构成发电水头从而积蓄水能进行发电。常规水电站按照集中水头方式的不同又可细分为坝式、引水式和混合式。

常规水电站是最常见同时也是装机量最大的水电站类型，为电网提供主要的水电资源消耗。

1.1.2 抽水蓄能电站

抽水蓄能电站是具备调峰、填谷及事故备用等功能的特殊电站。抽水蓄能电站具有大规模能量储备能力，能够根据电网负荷曲线对电能进行调节。在电网低负荷时，电站处于水泵模式将低处水库的水抽到高处水库进行水能储备，待到电网负荷高峰时，电站切换为发电模式放水发电，从而满足电网电力高峰负荷的需要［10］。

抽水蓄能电站是高效且实用的能量储备系统，其综合运行效率区间达到70%～85%［11-13］，对保障电网安全稳定和经济高效运行有着重要的作用。

1.1.3 海洋能电站

海洋能电站是指利用海水流动产生的海水势能差而发电的新型电站，海洋能大多由太阳辐射以及月球引力所产生，主要包括温差能、波浪能、潮汐能。其中海洋受太阳辐射导致海洋表层水温升高，进而与底层海水之间形成温差能［14］；波浪能是由于太阳能的不均匀分布导致海面空气流动而产生波浪运动［15-16］；海洋受月球引力影响导致海面升高而形成的位能称为潮汐能［17］。

1.2 恒速发电系统

附录A 图A1 为常见的恒速发电系统结构，上游水库水势能通过导水机构驱动水轮机，水势能转化为机械能，水轮机轴联发电机旋转进一步将机械能转换为电能。系统运行过程中，励磁机为同步发电机转子提供励磁电流并负责电网的无功能量补偿，同时调速器对发电机转子转速加以控制并维持恒定，发电机定子侧连接电网并输出交流电。

恒速发电机组多采用同步发电机，发电机转速受电网频率约束，其输出的交流电频率与电网频率一致。发电机转速与电网频率存在如下关系：

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