衣傳寶， 梁廷婷， 汪衛(wèi)平， 陳 超， 何俊峰，付俊波

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.華東瑯琊山抽水蓄能有限責(zé)任公司，安徽省滁州市 239000；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

隨著電網(wǎng)及社會經(jīng)濟的發(fā)展，地區(qū)電網(wǎng)峰谷差呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，調(diào)峰壓力逐年增大。出于環(huán)保需求，小電源逐步退役，新能源發(fā)電不斷增加，進一步增加了地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)峰壓力。傳統(tǒng)的抽水蓄能機組在發(fā)電狀態(tài)下可以比較靈活地調(diào)整出力，是電網(wǎng)日內(nèi)調(diào)峰和調(diào)頻的重要手段。但傳統(tǒng)的抽水蓄能機組，在發(fā)電狀態(tài)下的調(diào)節(jié)速度相對較慢，在抽水狀態(tài)下負荷不能調(diào)節(jié)，這限制了抽水蓄能機組在電網(wǎng)應(yīng)用的場景[1]。因此，開發(fā)多種調(diào)峰調(diào)頻電源的能力對電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性尤為必要。

1935 年，德國工程師Tuxen 提出了雙軸勵磁思路，開啟了交流勵磁研究領(lǐng)域。20 世紀60 年代，交流勵磁開始應(yīng)用于抽水蓄能機組中，從而產(chǎn)生了可變速抽水蓄能機組，其在發(fā)電、抽水工況下均可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)功率，其優(yōu)良的性能帶動了相關(guān)領(lǐng)域的研究及試驗。隨著可逆混流式水輪機制造技術(shù)、大功率電力電子器件與現(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)子采用三相交流勵磁的可變速抽水蓄能機組技術(shù)得到飛速發(fā)展，并逐步投入了商業(yè)應(yīng)用[2]。20 世紀90年代，日本開始應(yīng)用可變速抽水蓄能發(fā)電系統(tǒng)，用于負荷及頻率控制。近年來，隨著大量風(fēng)力發(fā)電的接入，歐洲開始引入可變速抽水蓄能機組，用于電網(wǎng)功率平衡控制。我國通過技術(shù)引進和自主研發(fā)，也開展了變速抽水蓄能機組技術(shù)的研究及應(yīng)用。豐寧抽水蓄能二期工程就部分采用了變速抽水蓄能機組[3，4]。變速抽水蓄能的研究方向從建模仿真、特性研究拓展到優(yōu)化調(diào)度、交流勵磁抗擾控制等方面[5-7]。

1 變速抽水蓄能機組的原理及控制特性

1.1 變速抽水蓄能機組的原理

變速抽水蓄能機組主要包括可逆式水輪機、交流勵磁發(fā)電機、交流勵磁及控制系統(tǒng)等部分，如圖1所示。其與常規(guī)抽水蓄能機組主要的區(qū)別在于變速抽水蓄能機組采用交流勵磁發(fā)電機，并增加了交流勵磁及控制系統(tǒng)。

圖1 變速抽水蓄能機組構(gòu)成示意圖Figure 1 Composition of variable speed pumped storage unit

傳統(tǒng)同步發(fā)電機采用集中勵磁繞組，其勵磁電流為直流，只能控制勵磁電壓的幅值來控制勵磁電流的大小。由于受靜態(tài)穩(wěn)定極限的約束，無法進入深度吸無功的運行狀態(tài)。另外，其轉(zhuǎn)子磁場相對于轉(zhuǎn)子的位置是固定不變的，當(dāng)進行有功、無功調(diào)節(jié)時必然伴隨著轉(zhuǎn)子的機械過渡過程。而交流勵磁發(fā)電機由于轉(zhuǎn)子勵磁繞組為三相對稱繞組，且勵磁電壓的頻率、幅值、相位及相序均為可調(diào)，通過調(diào)節(jié)勵磁電壓的幅值、頻率、相位、相序可以控制發(fā)電機勵磁磁場大小及其相對于轉(zhuǎn)子本體的位置。

可變速抽水蓄能發(fā)電電動機組根據(jù)水頭變化可在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)運行，以滿足水泵水輪機接近最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速而得到較高的效率，同時減輕水輪機葉片氣蝕和泥沙磨損。

1.2 變速抽水蓄能機組的控制特性

由于采用交流勵磁，變速抽水蓄能機組在發(fā)電、抽水狀態(tài)下均有極快的響應(yīng)速度。圖2～圖9分別為變速抽水蓄能機組在發(fā)電、抽水工況下有功、無功上/下階躍響應(yīng)。從圖中可以看出，變速抽水蓄能機組有功、無功響應(yīng)速度極快，時間在0.1s左右。而且有功、無功功率可以分別獨立控制。

圖2 發(fā)電工況時有功下階躍試驗Figure 2 Downward step test of active power under power generation condition

圖3 發(fā)電工況時有功上階躍試驗Figure 3 Upward step test of active power under generating condition

圖4 發(fā)電工況時無功下階躍Figure 4 Downward step test of reactive power under generating condition

圖5 發(fā)電工況時無功上階躍Figure 5 Upward step test of reactive power under generating condition

圖6 抽水工況下的有功上階躍Figure 6 Upward step test of active power under pumping condition

圖7 抽水工況下的有功下階躍Figure 7 Downward step test of active power under pumping condition

圖8 抽水工況下的無功下階躍Figure 8 Downward step test of reactive power under pumping condition

圖9 抽水工況下的無功上階躍Figure 9 Upward step test of reactive power under pumping condition

2 變速抽水蓄能機組的應(yīng)用場景及發(fā)展趨勢

由于變速抽水蓄能機組有著極高的響應(yīng)速度，且抽水工況下負荷在一定范圍內(nèi)可調(diào)，在電網(wǎng)中有廣泛的應(yīng)用前景。從國內(nèi)外變速抽水蓄能機組的應(yīng)用情況來看，變速抽水蓄能機組的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面，一是參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，減少電網(wǎng)在夜間時段的熱備用；二是與新能源的協(xié)調(diào)配合，減少電網(wǎng)的功率波動，維持電力的供需平衡。

從變速抽水蓄能的規(guī)劃及裝機情況來看，變速抽水蓄能機組在日本和歐洲仍然有較大的應(yīng)用前景。我國也正在積極開展變速抽水蓄能的相關(guān)研究，隨著新能源的快速發(fā)展和核電機組的大規(guī)模并網(wǎng)，地區(qū)電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻面臨較大的壓力，對電源功率的快速調(diào)節(jié)需求越來越強烈。雖然大規(guī)模電池儲能技術(shù)、新能源快速功率調(diào)節(jié)技術(shù)、火電機組的深度調(diào)峰技術(shù)取得較大進步，但就綜合技術(shù)經(jīng)濟效益來說，抽水蓄能仍然占據(jù)重要地位。變速抽水蓄能可以克服傳統(tǒng)抽水蓄能抽水功率不可調(diào)的缺陷，進一步提升了抽水蓄能的技術(shù)優(yōu)勢。

當(dāng)今世界抽水蓄能電站的發(fā)展趨勢是機組大容量化、高水頭化、高轉(zhuǎn)速化和調(diào)速化。從日本抽水蓄能的發(fā)展來看，其變頻調(diào)速經(jīng)歷了循環(huán)變流變頻器、GTO變頻器，GCT和IEGT逆變器/變頻器的路線，其體積逐步小型化，可降低占地面積及土建成本。變頻調(diào)速機組另外一個發(fā)展趨勢是，機組本身的高轉(zhuǎn)速、大容量化。大機組的大量使用，對于其安全穩(wěn)定運行就有了更高的要求，需要更大容量、更大電流、更小體積、更低成本的變頻器元件。

3 變速抽水蓄能機組在地區(qū)電網(wǎng)中的應(yīng)用

3.1 變速抽水蓄能機組在地區(qū)電網(wǎng)中作用概述

變速抽水蓄能機組具有傳統(tǒng)抽水蓄能機組的所有優(yōu)點，因此可以在地區(qū)電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰中發(fā)揮重要作用。此外，由于變速抽水蓄能機組具有更快的響應(yīng)速度，尤其是抽水工況下負荷可調(diào)，因此可以使電網(wǎng)調(diào)節(jié)更加細膩，對于大機小網(wǎng)的地區(qū)來說意義更加突出，可以在以在電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度中發(fā)揮重要作用，提高新能源消納比例。同時，還可參與到地區(qū)電網(wǎng)二、三道防線控制之中。

3.2 變速抽水蓄能機組在地區(qū)電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度中作用及方案

變速抽水蓄能機組可以應(yīng)用于地區(qū)電網(wǎng)優(yōu)化調(diào)度中，其方案如圖10所示。調(diào)度系統(tǒng)控制系統(tǒng)根據(jù)負荷波動以及頻率偏差分別得到的附加控制量?PW、?fP；調(diào)度系統(tǒng)綜合庫容、負荷預(yù)測等情況進行最優(yōu)控制，得到最優(yōu)功率這些量相疊加形成有功功率的參考量Pref。其中，?PW通常采用波動性負荷或可再生能源發(fā)電處理的測量值與預(yù)測值之差形成：

式中：pmea、ppre分別表示負荷或可再生能源出力的測量值及預(yù)測值；?fP根據(jù)式（2）得到，除可滿足頻率偏差控制的需求外，還可增加系統(tǒng)的振蕩阻尼。

圖10 可變速抽水蓄能機組功率的調(diào)節(jié)Figure 10 power regulation of variable speed pumped storage unit

式中：Kdroop為下降調(diào)節(jié)系數(shù)，Td、Tfilt分別為調(diào)節(jié)系統(tǒng)與濾波系統(tǒng)的時間常數(shù)；fref、fgrid分別為參考頻率和電網(wǎng)的實際頻率。機組的無功功率則依據(jù)電壓穩(wěn)定控制需要計算形成。在有功、無功參考值確定的情況下，控制系統(tǒng)通過鎖相獲得電網(wǎng)相位和頻率，采用d-q解耦實現(xiàn)功率控制。

3.3 變速抽水蓄能機組在地區(qū)電網(wǎng)二、三道防線中的作用

原有的電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定三道防線中，抽水蓄能機組通常不作為穩(wěn)定控制系統(tǒng)的控制對象，但隨著抽水蓄能機組在電網(wǎng)中的比例逐步增加，抽水蓄能機組的控制作為穩(wěn)定控制的一種手段也逐步得到了應(yīng)用。如現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)保護建設(shè)方案中，抽水蓄能電站在泵運行狀態(tài)就作為穩(wěn)定控制第二道防線的穩(wěn)控切除對象。

對于地區(qū)電網(wǎng)尤其是大機小網(wǎng)現(xiàn)象比較明顯的電網(wǎng)，抽水蓄能機組電站參與地區(qū)電網(wǎng)的二道防線有較大的經(jīng)濟價值。在作為二道防線的切負荷對象時，常規(guī)抽水蓄能機組單臺滿功率直接切除，假定單臺的容量為1，4臺抽水蓄能機組的切除顆粒度組合可以為1、2、3、4，設(shè)計的4種容量。而變速抽水蓄能機組的單臺調(diào)節(jié)容量假設(shè)為0.7～1.1之間，則4臺機組的組合切負荷的容量為0.7～1.1、1.4～4.4之間的連續(xù)功率可調(diào)。切負荷的顆粒度相對精細得多。

變速抽水蓄能機組在抽水工況下，其有功功率可根據(jù)外部頻率信號實現(xiàn)定頻率控制或功率信號實現(xiàn)定功率控制。這些功能可通過變速抽水蓄能機組與穩(wěn)控協(xié)調(diào)配合，作為穩(wěn)控策略的一種新的手段。

常規(guī)的抽水蓄能機組在正常運行時存在頻率死區(qū)，即頻率超過一定范圍時開始調(diào)節(jié)功率，但常規(guī)抽水蓄能機組在泵狀態(tài)下的功率恒定，頻率變化時不進行功率調(diào)節(jié)。而變速抽水蓄能機組則可以在泵狀態(tài)下根據(jù)頻率變化實現(xiàn)功率的快速調(diào)節(jié)。在抽水工況下運行時，檢測到頻率超過某一頻率定值時，增大泵的運行轉(zhuǎn)速，從而增大泵的吸收有功功率。相當(dāng)于在高周切機動作之前，就開始降低了整體的剩余功率的差額。當(dāng)檢測到頻率低于工頻某一頻率定值時，降低泵的運行轉(zhuǎn)速，減小了泵吸收的有功功率，相當(dāng)于在第三道低頻減載負荷動作之前就開始采取了降低負荷的措施。

綜上所述，變速抽水蓄能機組可以優(yōu)化地區(qū)電網(wǎng)二、三道防線，減少事故情況下的切機切負荷量。

4 結(jié)束語

變速抽水蓄能機組改變了傳統(tǒng)抽水蓄能機組的抽水狀態(tài)下固定負荷的特性，變速機組在抽水狀態(tài)下運行仍然具有一定的功率調(diào)節(jié)能力，這一特性高度契合電網(wǎng)新能源大規(guī)模并網(wǎng)、能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢，可在電網(wǎng)中充分發(fā)揮調(diào)頻、調(diào)峰、新能源消納等方面發(fā)揮重要作用；同時，還可以優(yōu)化現(xiàn)有的二、三道防線，豐富控制手段，減少切機切負荷量。