孫文?劉沖

摘要：抽蓄變速機組調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快，調(diào)節(jié)幅度大，有利于未來堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)。本文首先介紹抽水蓄能變速機組的工作原理;然后對相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究進展進行綜述;最后對抽水蓄能變速機組在發(fā)電工況和抽水工況的控制進行歸納總結(jié)，為抽水蓄能變速機組研究提供參考依據(jù)。

引言：

全球能源結(jié)構(gòu)在發(fā)生變化，從傳統(tǒng)的能源發(fā)展到與新能源結(jié)合的模式，抽水蓄能在國內(nèi)發(fā)展迅速。抽水蓄能技術(shù)的應(yīng)用可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈活性，提高大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性，對提高新能源消納起到促進的作用。抽蓄機組的應(yīng)用是當前最經(jīng)濟環(huán)保的調(diào)節(jié)手段之一。新能源裝機容量不斷增加，如何合理解決電網(wǎng)穩(wěn)定運行是個非常值得研究的問題。定速抽水蓄能機組在調(diào)度過程中的調(diào)節(jié)范圍比較小，揚程偏離額定值是會造成抽水效率比較低。采用抽蓄變速機組投入電力系統(tǒng)實現(xiàn)新型低碳調(diào)度，發(fā)揮變速機組運行范圍寬效率高的優(yōu)點。

抽蓄變速機組具有調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快等特點，調(diào)節(jié)幅度大有利于堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)，變速機組相比較其他方面的投入相對來說比較經(jīng)濟。抽蓄變速機組在地區(qū)電網(wǎng)中的實際應(yīng)用可以解決新能源的消納問題，優(yōu)化區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)實際運行減少切機情況的發(fā)生[1]。抽水蓄能變速機組具有抽水工況可進行自動頻率控制、瞬時有功功率調(diào)節(jié)和瞬時無功功率的高速調(diào)節(jié)[2]。文獻[3]就國內(nèi)抽蓄電站四個階段的發(fā)展進行了全面的總結(jié)，同時為未來抽水蓄能發(fā)展指明方向。抽蓄在國家電網(wǎng)公司的定位，投資和規(guī)劃收益的制度也在進一步完善。文獻[4]針對大型抽水蓄能機組的水頭變化較大的問題進行全面綜述，提出蓄能DFIM技術(shù)將成為水電行業(yè)發(fā)展的趨勢。文獻[5]根據(jù)電站的實際概況和無極調(diào)速的特點提出了相關(guān)控制策略為后期研究提供了支持依據(jù)。文獻[6]為有效解決在功率缺失的情況，設(shè)置抽水蓄能機組可以提高故障恢復(fù)的能力。文獻[7]在水泵運行的條件下，負荷的靈活可調(diào)度性可以減小傳統(tǒng)的出力。文獻[8]重點研究區(qū)域電網(wǎng)中的新能源發(fā)電與傳統(tǒng)的水電火電機組結(jié)合，將抽水蓄能電站考慮在內(nèi)能提高可再生能源的消納率。

本文主要從抽水蓄能變速機組的工作原理，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究進展和抽水蓄能變速機組在發(fā)電工況和抽水工況的控制進行闡述歸納總結(jié)，為抽水蓄能變速機組研究提供參考依據(jù)。

一、抽水蓄能變速機組關(guān)鍵技術(shù)概述

圖1抽水蓄能變速機組結(jié)構(gòu)圖[1]

變速機組在負荷、新能源集中的區(qū)域和特高壓受端區(qū)域電網(wǎng)中能夠承擔重要的作用[14]。文獻[12]基于PSCAD軟件建立了變速機組的數(shù)學模型，重點研究變速機組在發(fā)電和抽水兩種工況條件下相關(guān)階段的勵磁控制策略，仿真結(jié)果證明了控制系統(tǒng)的可行性。文獻[5]為了推進交流勵磁機組在國內(nèi)的發(fā)展，根據(jù)抽水蓄能電站工況和無極調(diào)速機組的自身特點分析其控制策略。文獻[17]對電機定子短接轉(zhuǎn)子變頻啟動的工況進行數(shù)學建模，分析定轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)子電流的物理關(guān)系并提出了機組的自啟動控制策略。仔細劃分了啟動過程的六個階段，仿真驗證機組可以從平穩(wěn)升速至額定轉(zhuǎn)速。文獻[18]主要研究雙饋感應(yīng)電機用背靠背并聯(lián)交流器的矢量控制策略，重點是改進可變速機組的主回路拓撲實現(xiàn)電機在不同運行工況下的有功和無功功率的解耦。文獻[19]主要對先進控制算法進行研究，實驗多目標優(yōu)化控制進行在線計算的一種電壓矢量選擇方法。

文獻[20]就抽蓄變速機組的啟動與制動問題提出相應(yīng)的控制策略，依據(jù)定子磁場的物理模型建立定子磁通觀測器。文獻[21]研究將三電平變換器應(yīng)用到抽蓄變速機組，在原有的基礎(chǔ)上加入中點電位的偏移值反饋合成虛擬矢量，仿真結(jié)果驗證了該模型。文獻[22]主要研究可變速機組的發(fā)電電動機的基本數(shù)學模型，建立非正弦勵磁諧波分析模型并對諧波磁勢深入討論，該模型證明將非正弦勵磁考慮在內(nèi)可以加強機組運行的可靠性。文獻[23]對定子繞組短接建立ACE-VSPSU物理模型，提出了相關(guān)自啟動矢量控制策略及檢測方法，仿真結(jié)果表明變速機組可以很好的啟動。文獻[24]將逆變器對電壓的影響情況考慮在內(nèi)，提出自抗干擾的交流勵磁控制系統(tǒng)模型。文獻[25]分析交流勵磁的特點，仿真結(jié)果表明，兩電平的變流器用于容量較小的交流勵磁系統(tǒng)，多電平變流器采用大容量的交流勵磁系統(tǒng)。文獻[35]主要是針對變速機組調(diào)速器與交流勵磁控制系統(tǒng)如何合理的控制問題，變速機組的實際運行特性曲線采用徑向基函數(shù)進行插值推導(dǎo)控制的數(shù)學模型，提出一種建立在機組運行特性曲線的自適應(yīng)協(xié)調(diào)控制方法。

文獻[26]通過對比定速機組與變速機組的不同，結(jié)合現(xiàn)場實際運行數(shù)據(jù)分析變速機組運行相關(guān)成本。研究結(jié)果表明在運維成本相同的前提下，變速機組的運行時間提高20%。文獻[27]將抽蓄變速機組與定速抽蓄機組的工況轉(zhuǎn)換控制差異進行對比，重點研究工況轉(zhuǎn)換方式和相關(guān)控制原則。文獻[28]針對抽蓄變速機組的監(jiān)控系統(tǒng)進行研究，深入分析對比兩者的機械結(jié)構(gòu)與勵磁控制方向進行一定程度的修改建立水泵啟動方向的監(jiān)控流程。文獻[29]就抽蓄變速機組的優(yōu)勢進行闡述，深入分析了變速機組與定速機組的投資成本問題進一步研究了變速機組的容量配置問題。在給定的區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)，建立數(shù)學模型得出新建變速機組站新建抽蓄機組的最佳經(jīng)濟比例。文獻[30]通過建立機側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器的模型控制策略，可變速機組在兩種模式下分別對有功和無功進行控制。風光儲互補系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明能有效抑制電網(wǎng)的波動。文獻[31]將抽蓄電站與常規(guī)水電結(jié)合，通過綜合效益分析得出二者的結(jié)合有顯著的經(jīng)濟和社會效益。文獻[32]依據(jù)混合式抽水蓄能電站的特性，將大規(guī)模風電并網(wǎng)考慮在內(nèi)建立聯(lián)合調(diào)度數(shù)學模型，采用離散動態(tài)規(guī)劃的逼近算法進行求解。計算結(jié)果表明該聯(lián)合調(diào)度方案合理。抽蓄變速機組不僅可以有效的調(diào)節(jié)有功功率的大小;還可以提高無功功率的數(shù)值穩(wěn)定度。電能質(zhì)量得到一定程度的改善且發(fā)電的效率也進一步提升，隨著大規(guī)模新能源接入充滿著不可預(yù)測性，抽蓄變速機組能很好的平衡頻率波動。

二、抽水蓄能變速機組發(fā)電工況與抽水工況控制

文獻[30]對抽水蓄能變速機組的有功參考功率和無功參考功率的形成進行數(shù)學推導(dǎo)，文獻[7]對抽水蓄能變速機組的發(fā)電工況和抽水工況進行探討，并沒有將新能源發(fā)電等波動因素考慮在內(nèi)，本文將新能源發(fā)電因素考慮在內(nèi)，重新引入有功參考功率和無功參考功率可以提高發(fā)電工況和抽水工況條件下的穩(wěn)定性。

（一）抽水蓄能變速機組發(fā)電工況控制分析

電網(wǎng)調(diào)度中心通過功率預(yù)測、效率和水電站的庫容量計算獲得能量平衡的最優(yōu)功率，控制系通通過系統(tǒng)中的負荷波動追蹤和頻率控制獲得對應(yīng)的附加控制變量，最后獲得有功功率的參量數(shù)量值。功率給定值與機組功率的參考值相互疊加獲得總功率命令信號值，對比反饋到前饋導(dǎo)葉信號發(fā)生器、最優(yōu)轉(zhuǎn)速信號發(fā)生器;最優(yōu)轉(zhuǎn)速信號發(fā)生器獲得當前轉(zhuǎn)速的給定值與測速裝置通過轉(zhuǎn)速大小量值的測量直接反饋給調(diào)速器，通過比較反饋給同步導(dǎo)葉和非同步導(dǎo)葉。前饋導(dǎo)葉信號發(fā)生器和調(diào)速器共同作用進一步控制水泵水輪機的導(dǎo)葉開度，控制機組流量的大小?？偟墓β拭钚盘栆仓苯臃答伒叫盘栕詣庸β收{(diào)節(jié)器，發(fā)電電動機輸出功率也反饋到自動功率調(diào)節(jié)器，此時發(fā)電機輸出的總功率與此時的總功率命令信號相適應(yīng)。機組的無功功率是根據(jù)電壓穩(wěn)定控制計算出的，電網(wǎng)的實際電壓與參考電壓疊加獲得附加的無功功率值△Qu與系統(tǒng)的設(shè)計功率疊加獲得可變速機組無功參考功率輸入自動電壓調(diào)節(jié)器作為系統(tǒng)穩(wěn)壓的重要條件。

（二）抽水蓄能變速機組抽水工況控制分析

功率給定值與有功功率參考值疊加獲得總功率命令信號值，在水泵工況下反饋到最優(yōu)導(dǎo)葉信號發(fā)生器、自動功率調(diào)節(jié)器，最優(yōu)轉(zhuǎn)速信號發(fā)生器。最優(yōu)轉(zhuǎn)速信號發(fā)生器獲得當前轉(zhuǎn)速給定值與測速裝置值比較，相互疊加之后反饋到PID調(diào)速器。電動機輸入的功率與功率命令信號值相適應(yīng)。最優(yōu)開度信號發(fā)生器根據(jù)當前功率信號值結(jié)合揚程的條件對導(dǎo)葉進行控制。

三、總結(jié)

抽水蓄能電站的建設(shè)對當前電網(wǎng)的發(fā)展是有益的，是順應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展的趨勢。同時也是對綠色可持續(xù)發(fā)展政策的響應(yīng)。區(qū)域電網(wǎng)中的負荷差越大越大會對機組的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，在抽蓄電站中配置一定量的變速機組可以提高系統(tǒng)內(nèi)的資源配置。抽水蓄能變速機組在發(fā)電工況下可以調(diào)節(jié)有功出力，在水泵工況下也可以調(diào)節(jié)負荷改善火電機組的出力。抽水蓄能變速機組在一定范圍內(nèi)依據(jù)不同水頭選擇不同的運行轉(zhuǎn)速提高機組運行的性能，同時成為平衡可再生能源發(fā)電出力波動的有效手段。

關(guān)于抽水蓄能變速機組的主要研究問題，主要包括：交流勵磁系統(tǒng)，機組的啟動流程，工況轉(zhuǎn)換等相關(guān)過程的技術(shù)問題，變速機組的很多研究都是建立在定速機組的基礎(chǔ)之上，抽水蓄能變速機組的運行成本問題，抽水蓄能變速機組在抽蓄電站中的最優(yōu)容量配比問題，變速機組與常規(guī)水電、常規(guī)火電或者新能源發(fā)電如何合理的聯(lián)合調(diào)度控制仍然是值得研究的重要課題。抽水蓄能定速機組與變速機組的在建設(shè)中的相同點和不同點如何去把握也值得我們?nèi)フJ真思考。

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