采用虛擬恒壓水池增容的抽水蓄能電站設計與運行策略

尤嘉鈺，姜 彤

(華北電力大學，北京102206)

0 前 言

為避免水輪機在抽水蓄能電站水頭變幅過大時不穩定運行，出現發電效率降低、裂紋或振動問題，要控制電站水頭在水輪機允許范圍內變化。對于水頭變幅大的電站會造成水庫庫容浪費，限制日發電量[1-3]。葛野川抽水蓄能電站水庫調節庫容830萬m3，最大水頭763 m，最小水頭716 m，發電機組為設計水頭714 m、最大水頭751 m的單級可逆式水泵水輪機，要控制電站的水頭小于水輪機最大水頭，實際利用庫容僅為調節庫容的3/4，不能使水庫容量得到充分利用，減少了可持續發電量[4]。

對于水頭變幅大的抽水蓄能電站，目前采用變頻調速機組通過改變轉速來適應不同的運行水頭，變頻調速機組可以增大水頭變幅和功率適應范圍，減少了振動、空蝕和泥沙磨損，提高了機組運行的穩定性[5- 6]。還可以采用雙轉速同步發電機，根據模型轉輪特性曲線，計算出采用不同同步轉速的水頭分界線，高于該水頭采用較高轉速的同步轉速運行，低于該水頭采用較低轉速的同步轉速，增大了水輪機水頭變化范圍[7]。雖然對發電機組的改進適當增大了水頭變幅，但對于水頭變幅大的電站只是小幅度的提升，仍然有大部分庫容不能充分利用，限制了可持續發電量。

為此，本文引入了液壓恒壓網絡的概念，將虛擬恒壓水池作為液壓恒壓網絡中的液壓蓄能器，采用多組不同面積比的活塞液壓缸作為液壓恒壓網絡中的液壓變壓器來實現變壓，使抽水蓄能電站水庫大幅度變化的水頭通過液壓傳動機構轉變為虛擬恒壓水池中小范圍波動的水頭，再進行水輪機/水泵的發電與儲能，提出了一種采用虛擬恒壓水池增容的抽水蓄能電站。其中，本文提出了一種驅動設備的調速控制策略來進一步控制虛擬恒壓水池中的水頭恒定，保證水輪機高效運行。水輪機水頭的限定不再成為電站水頭變幅的制約因素，可以建設更大變幅大容量的抽水蓄能電站，水庫庫容得到充分利用，可持續發電量增加，擴大了應用范圍，實現了更好的推廣。

1 系統原理分析

1.1 液壓恒壓網絡

液壓恒壓網絡系統是近年來發展起來的一種新型液壓系統，具有高效、結構簡單等諸多優點，一個液壓恒壓網絡系統由能量源、液壓蓄能器、高低壓兩條驅動油路和負載組成[8]。

液壓蓄能器是一個儲存和釋放能量的壓力容器，它將液壓系統中的壓力油儲存起來，在需要時又重新放出，在液壓恒壓網絡系統中，通常將液壓蓄能器和液壓變壓器串聯使用，這樣能夠在保持恒壓的同時進行能量回收[9]。

1.2 液壓變壓器

液壓變壓器是指在液壓傳動中能夠實現壓力轉換的一種液壓元件，它相當于壓力轉換器，可以從液壓恒壓網絡系統中無節流損失地獲取能量。液壓變壓器分為液壓缸式液壓變壓器和液壓馬達/泵式液壓變壓器。

液壓缸式液壓變壓器是由兩個單桿液壓缸將其活塞桿剛性地聯接在一起，由于兩側活塞的有效作用面積不同，從而使兩側油腔內的壓強不同，這樣便實現了變壓。

液壓馬達/泵式液壓變壓器是由軸向柱塞泵與馬達通過一個軸機械地聯結在一起，以便二者能夠一起旋轉，通過改變變量馬達的排量，使這兩個泵/馬達分別變換自己的角色來做泵或馬達使用，進行雙向變壓。

如果將液壓馬達/泵式液壓變壓器和液壓缸組合使用，能實現功率匹配、提高能量利用率。由電液伺服閥或電液比例閥控制變量缸，進而調節變壓器馬達的排量，實現變壓。在實際使用中，變量缸與液壓變壓器制成一體[8-10]。

1.3 裝置結構設計

本文引入了液壓恒壓網絡的概念，將虛擬恒壓水池作為液壓恒壓網絡中的液壓蓄能器，采用多組不同面積比的活塞液壓缸作為液壓恒壓網絡中的液壓缸式液壓變壓器來實現變壓，提出了一種采用虛擬恒壓水池以應對大范圍變水頭的抽水蓄能電站[11，12]。

圖1 采用虛擬恒壓水池增容的抽水蓄能電站裝置

電站的結構如圖1所示，上水庫和下水庫組成第一勢能源，虛擬恒壓水池和低壓水池組成第二勢能源，液壓傳動機構由多組不同面積比的活塞液壓缸構成，驅動設備與液壓缸中活塞桿的末端相連，根據第一勢能源和第二勢能源在運行過程中的壓強變化，選擇不同面積比的液壓缸，使兩組勢能源在活塞桿上產生的合力推動活塞桿運動，由驅動設備控制活塞桿的運動速度和方向，通過設置液壓缸多個閥門的開閉，來實現發電和儲能。

1.4 運行過程

當抽水蓄能電站處于發電狀態時，按式(1)選擇最接近的相應面積比的液壓缸，通過控制閥門的開閉推動活塞桿作往復運動，上水庫中的水流入液壓缸，再從液壓缸流入下水庫，低壓水池中的水通過液壓缸被抽入虛擬恒壓水池，再從虛擬恒壓水池中流出推動水輪機發電，將電能送入電網。

當抽水蓄能電站處于儲能狀態時，按式(1)選擇最接近的相應面積比的液壓缸，水泵將低壓水池中的水抽到虛擬恒壓水池，再從虛擬恒壓水池流入液壓缸，通過控制閥門的開閉推動活塞桿作往復運動，將下水庫中的水抽到上水庫中儲能。

在抽水蓄能電站的發電與儲能運行過程中，通過調節驅動設備來實現虛擬恒壓水池中的水頭恒定，多組不同面積比的液壓缸式液壓變壓器的采用可以減小運行過程中的損耗，其面積比的選擇公式為

(1)

式中，P1為水庫中水的壓強；P2為虛擬恒壓水池中水的壓強，且為定值；S1和S2為液壓變壓器兩個液壓缸的面積。

2 驅動設備調速控制策略

在抽水蓄能電站的運行過程中，為了控制虛擬恒壓水池中的水頭恒定，需要先確定液壓缸的面積比，再由驅動設備進行微調，通過控制液壓缸和虛擬恒壓水池之間水的流速，來實現虛擬恒壓水池中的水頭恒定。本文提出了一種驅動設備的調速控制策略，等流速水頭補償控制策略。

2.1 策略原理

等流速水頭補償控制策略，是使活塞液壓缸和虛擬恒壓水池之間的液體管道中水的平均流速與虛擬恒壓水池和水力設備之間的液體管道中水的流速相等，這樣虛擬恒壓水池中的蓄水量就處于一種動態平衡，同時補償虛擬恒壓水池中的水頭變化量，使其恢復到標準值，從而保證虛擬恒壓水池的水頭恒定。

2.2 策略實現方案

本文對驅動設備設置不同的調速檔位旋鈕，設定每次調速前的檔位為初始檔位n0，以初始檔位為基準的各檔位為n0±1、n0±2、n0±3……，相鄰調速檔位之間的速度變化量相同。

圖2為等流速水頭補償控制策略流程圖。每隔T1時間監測一次虛擬恒壓水池中的水頭變化

Δh=h2-h1

(2)

式中，h1為開始監測時的水頭；h2為T1時間后監測到的水頭。

然后計算虛擬恒壓水池和水力設備之間液體管道中水的流速變化量

(3)

式中，k為常數;ρ為水的密度;g為重力加速度。

驅動設備調速檔位之間的速度變化量為Δv，計算出驅動設備應該調節的檔位數量

(4)

把驅動設備調速系統啟動前的檔位設為初始檔位n0，設定補償時間為T2，根據以標準水頭H0為基準的水頭變化量計算出需要補償的檔位數量

(5)

則驅動設備應該調節的實際檔位為

(6)

當抽水蓄能電站處于發電狀態時，如果虛擬恒壓水池中的水頭小于標準水頭，即h2

當抽水蓄能電站處于儲能狀態時，如果虛擬恒壓水池中的水頭小于標準水頭，即h2

圖2 等流速水頭補償控制策略流程

2.3 調速控制系統

驅動設備的控制部分由采集單元、策略應用單元和執行單元組成，其中，采集單元通過傳感器將虛擬恒壓水池中的水頭信號傳遞給策略應用單元，策略應用單元可以采用PLC或者帶CPU的控制設備進行分析計算，然后將其傳送給執行單元，執行單元可以采用變頻器來調節驅動設備，驅動設備可以采用直線電機來實現調速控制。

3 仿真試驗分析

當突然出現水力設備出力增大或者減少的情況，使虛擬恒壓水池中水頭變化時，本文對有無驅動設備調速控制策略的虛擬恒壓水池水頭波動進行了仿真實驗分析，并對兩種情況進行了對比，可以明顯地觀察到驅動設備調速控制策略的實施效果。

假定液壓缸中的活塞作速度為正弦運動規律的運動[13-14]，活塞的運動規律為

x=Hsinωt

(7)

3.1 抽水蓄能電站發電工況

在抽水蓄能電站處于發電工況下，如果水輪機出力突然減少，采用驅動設備調速控制策略，在時間T2=2 s內監測到虛擬恒壓水池的水頭變化為Δh=4 m，計算出虛擬恒壓水池和水力設備之間液體管道中水的流速變化量Δv2=0.2 m/s，設驅動設備調速檔位之間的速度變化量為Δv=0.1 m/s，補償時間為T2=2 s，則驅動設備應該調節的檔位數量n1=2，需要補償的檔位數量n2=2，實際調節檔位數量為n1′=4，將驅動設備先調節到n0-4檔位，1 s后將驅動設備先恢復到n0-2檔位，調節后活塞液壓缸和虛擬恒壓水池之間的液體管道中水的平均流速v1′=0.8 m/s，與虛擬恒壓水池和水力設備之間的液體管道中水的流速v2′=0.8 m/s仍然相等。

圖3 虛擬恒壓水池兩邊液體管道水流速隨時間變化

圖4 虛擬恒壓水池水頭大小隨時間變化

如果水輪機出力突然增加，比如水輪機氣門開度增大的情況，則虛擬恒壓水池流入水力設備的水流速v2增大，如圖5所示，采用驅動設備調速控制策略先將驅動設備調節到n0+4檔位，補償時間T2=2 s后，再將驅動設備調節到n0+2檔位使v1′=v2′，虛擬恒壓水池中的水頭如圖6所示，先下降再恢復到標準水頭0.5 MPa附近小范圍內波動。

圖5 虛擬恒壓水池兩邊液體管道水流速隨時間變化

3.2 抽水蓄能電站儲能工況

抽水蓄能電站在儲能工況下的驅動設備調節方式與發電工況相同，如果水泵出力突然減少，如圖3所示v2′=0.8 m/s，在T1=2 s時間內監測到虛擬恒壓水池的水頭下降了Δh=4 m如圖6所示，則同樣將驅動設備調節到n0-4檔位，在補償時間為T1=2 s后，再將驅動設備調節到n0-2檔位使v1′=v2′，虛擬恒壓水池中的水頭恢復到0.5 MPa附近波動。

圖6 虛擬恒壓水池水頭大小隨時間變化

如果水泵出力突然增加，則水力設備流入虛擬恒壓水池的水流速v2增大，采用驅動設備調速控制策略調節驅動設備檔位補償水頭變化量再使v1′=v2′，虛擬恒壓水池中的水頭先上升再下降恢復到標準水頭0.5 MPa附近小范圍內波動。

4 結 論

本文提出的采用虛擬恒壓水池增容的抽水蓄能電站與傳統抽水蓄能電站相比主要有以下幾個優點，

(1)能夠適應更寬的水頭變化范圍，使水庫庫容得到充分利用，同時降低了對抽水蓄能電站的建設環境要求。

(2)能夠保證水輪機的高效穩定運行，增大水輪機的使用壽命。

(3)裝置結構設計簡單，實驗裝置中的液壓傳動機構由多組不同面積比的活塞液壓缸組成，便于設計與制造。

經仿真實驗分析，本文提出的驅動設備調速控制策略可以使虛擬恒壓水池的水頭保持在標準水頭附近小范圍波動，保證了水輪機的發電效率，增加了可持續發電量。