鄧 磊，李國鳳，鄭津生，倪晉兵，鄧祥平

（1. 國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術經(jīng)濟研究院，北京 100761；2. 東方電氣集團東方電機有限公司，四川 德陽 618000）

0 引言

抽水蓄能機組在電網(wǎng)中承擔調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等任務，是實現(xiàn)新能源大規(guī)模并網(wǎng)、構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的關鍵路徑[1]。但傳統(tǒng)的定速抽水蓄能機組水泵工況入力不可調(diào)節(jié)，水輪機工況運行范圍遠離最優(yōu)區(qū)，而變速抽水蓄能機組轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)可調(diào)，解決了定速機組水泵工況入力無法調(diào)節(jié)的問題，且其水輪機工況運行范圍更靠近最優(yōu)區(qū)，能量性能和穩(wěn)定性能較好，同時，變速抽水蓄能機組具有更快的響應速度、更好的無功調(diào)節(jié)能力等特點，更加適合新型電力系統(tǒng)的需求。

水泵工況入力可調(diào)是變速抽水蓄能機組的主要優(yōu)勢之一，擴大水泵工況運行范圍，提高入力調(diào)節(jié)能力，是變速水泵水輪機水力研發(fā)的關鍵目標。因此，研究變速抽水蓄能機組水泵工況運行范圍的限制因素，分析相關參數(shù)變化對運行范圍的影響具有重要意義。

目前國內(nèi)外學者對變速抽蓄機組的控制策略優(yōu)化[2-4]、響應特性[5-8]、結構設計[9]、效益[10]和運維成本[11]等方面已做了大量研究，而在變速抽水蓄能機組運行范圍方面研究較少。張韜[12]分析了多個已投運變速水泵水輪機的運行范圍的限制因素，并以某海水抽蓄為例比較了不同同步轉(zhuǎn)速下的水泵工況運行范圍，據(jù)此得出了最佳選型方案；喻冉[13]分析了變速水泵水輪機抽水和發(fā)電工況的運行范圍，劉德民[14]、張寶勇[15]等分析了變速水泵水輪機運行范圍的限制因素，并指出水力設計時需重點優(yōu)化空化性能、提高駝峰裕量以擴大水泵工況運行范圍。上述文獻詳細闡述了變速抽蓄機組水泵工況運行范圍限制因素，但對于相關參數(shù)變化對水泵工況運行范圍的影響方面還未有量化的分析。

本文以某300 MW 交流勵磁變速水泵水輪機為例，分析了水泵工況運行范圍限制因素及相關參數(shù)變化對運行范圍、入力調(diào)節(jié)能力以及可用轉(zhuǎn)速范圍的影響，為后續(xù)變速抽水蓄能電站機組參數(shù)選擇及變速水泵水輪機水力優(yōu)化設計提供參考。

1 變速抽水蓄能機組水泵工況運行范圍分析

本文所研究的300 MW 變速水泵水輪機屬400 m 水頭段的機組，吸出高度為-75 m，額定轉(zhuǎn)速為428.6 r/min，轉(zhuǎn)速變化范圍建議為±7%nr，水泵最大入力限制為330 MW，駝峰裕量限制為2%，轉(zhuǎn)輪直徑為4.10 m 時水泵工況運行范圍如圖1 所示。

圖1 某300 MW 變速水泵水輪機水泵工況運行范圍

由圖1 可見：變速水泵水輪機的水泵工況運行范圍受轉(zhuǎn)速、揚程范圍、空化、駝峰和最大入力的限制；對于所研究的變速水泵水輪機，在最高揚程下，實際可應用的最小轉(zhuǎn)速受駝峰限制為+0.7%nr（A點），最大轉(zhuǎn)速受最大入力限制為6.0%nr（B 點），入力調(diào)節(jié)量為85.7 MW；在最低揚程下，實際可應用的最小轉(zhuǎn)速受駝峰限制為-6.0%nr（D 點），最大轉(zhuǎn)速受空化和最大入力限制為3.8%nr（C 點），入力調(diào)節(jié)量為131 MW；該變速水泵水輪機的水泵工況運行范圍為ABCDA，實際可用的轉(zhuǎn)速范圍為（-6.0%~+6.0%）nr。

2 參數(shù)變化對水泵工況運行范圍的影響

2.1 轉(zhuǎn)速變化范圍對水泵工況運行范圍的影響

水泵的入力和轉(zhuǎn)速的三次方成正比，理論上可以通過不斷加大轉(zhuǎn)速變化范圍來提高水泵入力調(diào)節(jié)能力，但考慮變頻器成本和水泵工況實際可應用的轉(zhuǎn)速范圍，目前已投運的交流勵磁變速水泵水輪機轉(zhuǎn)速變化范圍大多在（±4%~±10%）nr之間[15]，因此，分析轉(zhuǎn)速變化對水泵工況運行范圍的影響可為機組轉(zhuǎn)速變化范圍的選擇提供參考。圖2 為轉(zhuǎn)速變化范圍分別為±5%nr、±6%nr、±7%nr對應的水泵工況運行范圍，表1 為不同轉(zhuǎn)速變化范圍對應的水泵工況運行范圍、入力調(diào)節(jié)量和實際可用的轉(zhuǎn)速范圍比較。

表1 不同轉(zhuǎn)速變化范圍對應的運行范圍、入力調(diào)節(jié)量和實際可用轉(zhuǎn)速范圍比較

圖2 不同轉(zhuǎn)速變化范圍對應的水泵工況運行范圍

由圖2 和表1 可見：

當轉(zhuǎn)速變化范圍為±5%nr時，水泵工況運行范圍受轉(zhuǎn)速限制：最低揚程最小轉(zhuǎn)速工況點D1受轉(zhuǎn)速-5%nr的限制，最大轉(zhuǎn)速工況點C 受空化和最大入力限制；最高揚程最小轉(zhuǎn)速工況點A 受駝峰限制，而最大轉(zhuǎn)速工況點B1受轉(zhuǎn)速+5%nr限制；運行范圍為AB1B2CD1D2A，實際應用的轉(zhuǎn)速范圍為（-5%~+5%）nr，最高、最低揚程下的入力調(diào)節(jié)量分別為71 MW 和110.5 MW。

當轉(zhuǎn)速變化范圍為±6%nr時，水泵工況運行范圍受轉(zhuǎn)速限制：最低揚程最小轉(zhuǎn)速工況點D 受駝峰和轉(zhuǎn)速-6%nr的限制，最大轉(zhuǎn)速工況點C 受空化和最大入力限制；最高揚程最小轉(zhuǎn)速工況點A 受駝峰限制，而最大轉(zhuǎn)速工況點B 受最大入力和轉(zhuǎn)速+6.0%nr的限制；運行范圍為ABCDA，實際應用的轉(zhuǎn)速范圍為（-6.0%~+6.0%）nr，水泵最高、最低揚程下的入力調(diào)節(jié)量分別為85.7 MW、131 MW，比轉(zhuǎn)速變化±5%nr方案高14.7 MW、20.5 MW。

若機組的轉(zhuǎn)速變化范圍繼續(xù)加大至±7%nr，轉(zhuǎn)速將不再是限制水泵工況運行范圍的因素：最低揚程最小轉(zhuǎn)速工況點D 僅受駝峰限制，最大轉(zhuǎn)速工況點C 受空化和最大入力限制；最高揚程最小轉(zhuǎn)速工況點A 受駝峰限制，最大轉(zhuǎn)速工況點B 受最大入力限制；水泵工況運行范圍仍為ABCDA，實際應用的轉(zhuǎn)速范圍仍為（-6.0%~+6.0%）nr，最高、最低揚程下的入力調(diào)節(jié)量仍為85.7 MW 和131 MW。

由此可見，受水泵水輪機自身特性（空化和駝峰）、電站揚程范圍和最大入力的限制，水泵工況實際可應用的轉(zhuǎn)速范圍有限，具體范圍需根據(jù)機組特性通過選型確定，但大多不會超過±10%nr，因此，當轉(zhuǎn)速變化范圍大于水泵工況實際可用轉(zhuǎn)速范圍后，繼續(xù)加大轉(zhuǎn)速變化范圍沒有實際意義；在變速水泵水輪機實際可應用的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速變化范圍越大，水泵工況運行范圍越大；對于運行范圍受轉(zhuǎn)速限制的變速水泵水輪機，可適當加大轉(zhuǎn)速變化范圍以擴大水泵工況運行范圍，提高入力調(diào)節(jié)能力。

2.2 揚程變幅對運行范圍的影響

抽水蓄能電站的揚程/水頭變幅對機組的穩(wěn)定性能有重要影響，變幅越大對機組穩(wěn)定性越不利。變速抽蓄機組水頭/揚程變幅較大時，水輪機工況可采用尋優(yōu)運行來提高機組的穩(wěn)定性能，水泵工況則需分析最高揚程和最低揚程下的入力調(diào)節(jié)能力。圖3 所示為不同揚程下的水泵工況運行范圍，表2為不同揚程下的入力調(diào)節(jié)量和實際可用的轉(zhuǎn)速范圍比較。

表2 不同揚程對應的入力調(diào)節(jié)量和可用轉(zhuǎn)速范圍比較

圖3 不同揚程對應的水泵工況運行范圍

由圖3 和表2 可見：

最低揚程工況：最低揚程為412 m 時，可用轉(zhuǎn)速范圍受駝峰和空化限制為（-6.0%~+3.5%）nr（DC1），入力調(diào)節(jié)量為130 MW；最低揚程為404 m 時，可用轉(zhuǎn)速范圍開始受限于最小轉(zhuǎn)速、駝峰和空化限制，為（-7%~+3.0%）nr（EF），入力調(diào)節(jié)量為131 MW；若最低揚程繼續(xù)減小，則最低揚程下的運行范圍將僅受最低轉(zhuǎn)速和葉片正面空化限制，入力調(diào)節(jié)能力隨之減?。划斪畹蛽P程為319 m 時，僅能運行于-7.0%nr一個工況點G，入力調(diào)節(jié)量為0 MW。由此可見，最低揚程運行范圍未受最低轉(zhuǎn)速限制時，隨著最低揚程的減小，入力調(diào)節(jié)能力可能會增加；若最低揚程運行范圍受最低轉(zhuǎn)速限制，隨著最低揚程的減小，入力調(diào)節(jié)能力減小，最終的運行范圍將縮小為一個工況點。

最高揚程工況：最高揚程為475 m 時，可用轉(zhuǎn)速范圍受駝峰和最大入力限制為（+0.7%~+5.8%）nr（AB1），入力調(diào)節(jié)量為85.7 MW；最高揚程為500 m 時，可用轉(zhuǎn)速范圍受駝峰、最大入力和最高轉(zhuǎn)速限制為（+3.4%~+7.0%）nr（HI），入力調(diào)節(jié)量為68 MW；若最高揚程繼續(xù)升高，則運行范圍僅受最高轉(zhuǎn)速和駝峰限制，入力調(diào)節(jié)能力繼續(xù)減?。划斪罡邠P程為535 m 時，僅能運行于+7.0%nr一個工況點J，入力調(diào)節(jié)量為0 MW。由此可見，隨著最高揚程的增加，水泵入力調(diào)節(jié)能力減小，最終的運行范圍將縮小為一個工況點。

綜上可知：電站的揚程變幅對水泵工況運行范圍有較大影響；揚程變幅越大，水泵工況的運行范圍越大，但當揚程變幅過大時，最高和最低揚程附近的入力調(diào)節(jié)能力較小，因此，為了保證水泵工況具有較大的入力調(diào)節(jié)能力，變速抽水蓄能電站的揚程變幅不宜過大。

2.3 最大入力限制對變速范圍的影響

當前水泵水輪機的最大入力限制值大多為機組容量的1.08~1.1 倍，對于變速抽水蓄能機組，最大入力限制取值可綜合考慮電機容量及其對水泵工況入力調(diào)節(jié)能力的影響。圖4 所示最大入力限制值為320 MW、330 MW、340 MW 對應的水泵工況運行范圍，表3 為水泵不同最大入力限制值對應的運行范圍、入力調(diào)節(jié)量及可用轉(zhuǎn)速范圍比較。

表3 不同入力限制值對應的運行范圍、入力調(diào)節(jié)量及可用轉(zhuǎn)速范圍比較

圖4 最大入力限制為320 MW、330 MW、340 MW 對應的水泵工況運行范圍

由圖4 和表3 可見：

最大入力限制為320 MW 時，水泵在整個揚程范圍內(nèi)均受最大入力限制，運行范圍為AB1C1DA，最低揚程下可應用的轉(zhuǎn)速范圍為（-6.0%~+3.1%）nr（DC1），入力調(diào)節(jié)量為121 MW；最高揚程下可應用的轉(zhuǎn)速范圍為（+0.7%~+5.4%）nr（AB1），對應的入力調(diào)節(jié)量為75.7 MW。

最大入力限制為330 MW 時，水泵在整個揚程范圍內(nèi)均受最大入力限制，運行范圍為ABCDA，最低揚程下可應用的轉(zhuǎn)速范圍為（-6.0%~+3.8%）nr（DC），入力調(diào)節(jié)量為131 MW；最高揚程下可應用的轉(zhuǎn)速范圍為（+0.7%~+6%）nr（AB），入力調(diào)節(jié)量為85.7 MW。

最大入力限制為340 MW 時，揚程高于438 m 的運行范圍將受最大入力限制，運行范圍為AB2ECDA，最低揚程下可應用的轉(zhuǎn)速范圍為（-6.0%~+3.8%）nr（DC），入力調(diào)節(jié)量為131 MW；最高揚程下可應用的轉(zhuǎn)速范圍（+0.7%~+6.8%）nr（AB2），入力調(diào)節(jié)量為95.7 MW。

由此可見，最大入力限制僅影響水泵工況高轉(zhuǎn)速下的運行范圍，通常來說，最大入力限制值越大，運行范圍越大；對于變速水泵水輪機，可以適當選擇較大的最大入力值，以擴大水泵工況的運行范圍。

2.4 吸出高度對運行范圍的影響

抽水蓄能電站吸出高度的選擇既要考慮工程投資，又要考慮機組過渡過程及水泵工況空化問題，若電站安裝變速機組，則還需考慮吸出高度對水泵工況運行范圍的影響。圖5 所示為吸出高度為-75 m和-70 m 對應的水泵工況運行范圍，表4 為不同吸出高度對應的運行范圍、入力調(diào)節(jié)量和實際可用的轉(zhuǎn)速范圍比較。

表4 不同吸出高度對應的運行范圍、入力調(diào)節(jié)量和可用轉(zhuǎn)速范圍比較

圖5 吸出高度為-75 m 和-70 m 對應的水泵運行范圍

由圖5 和表4 可見：

在小流量區(qū)域，吸出高度為-70 m 和-75 m 時，葉片背面空化限制線均在駝峰限制線左側(cè)，水泵最高、最低揚程下實際可應用的最小轉(zhuǎn)速受駝峰限制為+0.7%nr（A）、-6.0%nr（D），因此吸出高度為-70 m或-75 m 對水泵工況小流量區(qū)域基本無影響，若吸出高度繼續(xù)減小，使得葉片背面空化限制線在駝峰限制線右側(cè)，則水泵小流量區(qū)域的運行范圍將隨著吸出高度的減小而減小；在大流量區(qū)域，最高揚程運行范圍僅受最大入力限制（B），而最低揚程運行范圍受葉片正面空化限制：吸出高度為-75 m 時，最低揚程可應用的最大轉(zhuǎn)速受最大入力和葉片正面空化限制為+3.8%nr（C），吸出高度為-70 m 時，最低揚程可應用的最大轉(zhuǎn)速僅受葉片正面空化限制為+3.5%nr（C2），對應的入力調(diào)節(jié)量減小了5.3 MW。因此，對于該變速水泵水輪機，吸出高度的變化主要影響低揚程、大流量區(qū)域的運行范圍，吸出高度變化5 m 將引起5 MW 左右的入力調(diào)節(jié)量變化，而當吸出高度過小時，吸出高度的變化也將影響小流量區(qū)域的運行范圍。

由此可見：電站吸出高度越大，水泵水輪機自身空化性能越好，變速抽蓄機組水泵工況的運行范圍受空化限制越小，對應的運行范圍和入力調(diào)節(jié)能力越大；吸出高度（空化性能）主要影響水泵工況小流量區(qū)域以及低揚程大流量區(qū)域的運行范圍，對高揚程大流量區(qū)域的運行范圍基本無影響；對于水泵工況運行范圍受空化限制的變速水泵水輪機，在水力設計方面可提高水泵水輪機的空化性能，在電站參數(shù)方面可選擇較大的吸出高度，以擴大水泵工況的運行范圍。

2.5 駝峰裕量對變速范圍的影響

通常來說，1%~2%的駝峰裕量已足夠保證水泵水輪機高揚程工況的運行穩(wěn)定性，從國內(nèi)外已投運的抽水蓄能電站運行情況來看，也沒有出現(xiàn)因駝峰裕量不足而引發(fā)的水泵高揚程工況的穩(wěn)定性問題。圖6 所示為駝峰裕量按2%和1%考核時的水泵工況運行范圍，表5 為不同駝峰裕量考核值對應的水泵工況運行范圍、入力調(diào)節(jié)量及可用轉(zhuǎn)速范圍比較。

表5 不同駝峰裕量考核值對應的運行范圍、入力調(diào)節(jié)量和可用轉(zhuǎn)速范圍比較

圖6 駝峰裕量按2%和1%考核時的水泵工況運行范圍

由圖6 和表5 可見：

對于該水泵水輪機，由于葉片背面空化限制線在駝峰限制線外側(cè)，所以最低揚程至最高揚程實際可應用的最小轉(zhuǎn)速均受駝峰限制。駝峰裕量限制為2%時，水泵工況運行范圍為ABCDA，最低揚程下可應用的轉(zhuǎn)速范圍為（-6.0%~+3.8%）nr（DC）；最高揚程下可應用的轉(zhuǎn)速范圍為（+0.7%~+6.0%）nr（AB）。駝峰裕量按1%考核時，水泵運行范圍擴大為A1BCD1A1，最低揚程下可應用的轉(zhuǎn)速范圍為（-6.4%~+3.8%）nr（D1C）；最高揚程下可應用的轉(zhuǎn)速范圍為（+0.2%~+6.0%）nr（A1B）；最低、最高揚程下的入力調(diào)節(jié)量分別為139.1 MW、95.5 MW，比駝峰裕量按2%考核時增加了8.1 MW、9.8 MW。

由此可見，當水泵工況變速范圍受駝峰限制時，駝峰裕量的變化對水泵工況實際應用的最小轉(zhuǎn)速有影響；水泵水輪機自身駝峰裕量越大、駝峰裕量考核指標越小，則水泵工況運行范圍越大；對于水泵運行范圍受駝峰限制的變速水泵水輪機，為了擴大水泵工況的運行范圍，一方面可在水力設計時提高水泵工況的駝峰裕量，另一方面，可適當降低駝峰裕量考核指標。

2.6 轉(zhuǎn)輪直徑變化對運行范圍的影響

變速抽水蓄能機組轉(zhuǎn)輪直徑選擇時需綜合考慮能量性能、穩(wěn)定性能和空化性能，并保證水泵工況具有較大的入力調(diào)節(jié)能力。圖7 所示為轉(zhuǎn)輪直徑4.15 m對應的水泵工況運行范圍，表6 為直徑4.15 m 和4.10 m 對應的入力調(diào)節(jié)量和可用轉(zhuǎn)速范圍比較。

表6 不同直徑對應的入力調(diào)節(jié)量和可用轉(zhuǎn)速范圍比較

圖7 轉(zhuǎn)輪直徑為4.15 m 對應的水泵運行范圍

由圖1、圖7和表6可見：直徑為4.10 m時，最高、最低揚程下轉(zhuǎn)速變化范圍分別為(+0.7%~+6.0%)nr、(-6.0%~+3.8%)nr，對應的入力調(diào)節(jié)量分別為85.7 M和131 MW，實際應用的轉(zhuǎn)速范圍為(-6%~+6.0%)nr；直徑為4.15 m 時，最高、最低揚程下的轉(zhuǎn)速變化范圍分別為(-0.5%~+4.2%)nr、 (-7%~+1.9%)nr，對應的入力調(diào)節(jié)量分別為80 M 和123 MW，比直徑4.10 m方案分別減小了5.7 MW 和8 MW，實際應用的轉(zhuǎn)速范圍為(-7%~+4.2%)nr。

由此可見，真機轉(zhuǎn)輪直徑大小對水泵工況運行范圍和入力調(diào)節(jié)能力有較大影響，因此，在變速機組選型階段，應分析不同轉(zhuǎn)輪直徑下的水泵工況運行范圍、入力調(diào)節(jié)能力以及機組的能量性能和穩(wěn)定性能，據(jù)此確定出可使綜合性能最優(yōu)的轉(zhuǎn)輪直徑。目前國內(nèi)外安裝變速機組的抽水蓄能電站均同時安裝有定速機組，考慮電站建設以及機組制造、安裝、維護便利及成本等問題，定速和變速機組可采用同一水力模型、同一轉(zhuǎn)輪直徑，但在轉(zhuǎn)輪直徑選擇時則需綜合評判定速和變速水泵水輪機的水力性能參數(shù)，以此確定出使定速和變速水泵水輪機均具有較高綜合性能的轉(zhuǎn)輪直徑。

3 結論

本文以某300 MW 交流勵磁變速水泵水輪機為例，分析了水泵工況運行范圍的限制因素以及相關參數(shù)變化對水泵工況運行范圍的影響，并據(jù)此提出了擴大水泵工況運行范圍、提高入力調(diào)節(jié)能力的措施，具體如下：

（1）受空化、駝峰、揚程范圍和最大入力限制，變速抽水蓄能機組水泵工況實際可應用的轉(zhuǎn)速范圍有限；在實際可應用的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速變化范圍越大，水泵工況運行范圍越大；對于運行范圍受轉(zhuǎn)速限制的變速水泵水輪機，可適當加大轉(zhuǎn)速變化范圍以擴大水泵工況運行范圍。

（2）揚程變幅越大，水泵工況運行范圍越大，但當揚程變幅過大時，最高和最低揚程附近的入力調(diào)節(jié)能力較小，因此，電站的揚程變幅不宜過大，以保證水泵揚程范圍內(nèi)具有較大的入力調(diào)節(jié)能力。

（3）最大入力限制值越大，水泵工況運行范圍越大；變速水泵水輪機可適當放寬最大入力限制值，以擴大水泵工況運行范圍。

（4）吸出高度越大，水泵水輪機自身空化性能越好，水泵工況運行范圍越大；當水泵工況運行范圍受空化限制時，在水力設計方面可提高水泵水輪機的空化性能，在電站參數(shù)方面可適當選擇較大的吸出高度，以擴大水泵工況的運行范圍。

（5）水泵水輪機自身駝峰裕量越大、駝峰裕量考核指標越小，水泵工況運行范圍越大；為了擴大水泵工況運行范圍，一方面可在水力設計時提高水泵工況的駝峰裕量，另一方面，可適當降低駝峰裕量考核指標。

（6）在選型階段，應分析不同轉(zhuǎn)輪直徑下的水泵工況運行范圍、入力調(diào)節(jié)能力以及機組的能量性能和穩(wěn)定性能，據(jù)此確定出可使綜合性能最優(yōu)的轉(zhuǎn)輪直徑。

隨著更多變速抽水蓄能項目的推進，后續(xù)將分析不同水頭段、不同容量的變速水泵水輪機參數(shù)變化對運行范圍的影響程度，為變速抽水蓄能電站參數(shù)選擇和水力設計提供參考。