變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制研究

姜海軍，徐 青，張高高，梁廷婷，陳曉剛

[1.南瑞集團（國網電力科學研究院）有限公司,江蘇省南京市 211106；2.國網新源控股有限公司,北京市 100005；3.國網浙江省電力有限公司，浙江省杭州市 310007]

0 引言

隨著大量風能、太陽能等間歇性可再生能源并網發電運行，基于大容量電能存儲技術的電力平衡控制已成為電網安全穩定運行與控制的迫切需求[1][2]。抽水蓄能電站具有調峰、填谷、調頻及事故備用等功能，是當前解決電力系統調峰問題以及確保系統安全穩定運行的最為經濟有效的手段之一[3][4]。由于定速抽水蓄能機組抽水工況只能采取“開機—滿負荷—停機”控制方式，無法滿足電網連續、快速、準確進行頻率調節和調整有功功率的要求。對此，變速抽水蓄能機組是解決問題的優選方案。變速抽水蓄能機組具有一定程度的異步運行能力，通過相位、幅值控制可獲得快速有功功率和無功功率響應，有利于電力系統穩定運行[5][6]。

變速抽水蓄能機組主要由發電—電動機、水泵—水輪機、交流勵磁系統、調速器和監控系統組成，如圖1所示。發電—電動機采用可以工作在發電工況和抽水工況的雙饋型感應電機，當其轉子頻率f1發生變化時，改變交流勵磁電流輸出頻率f2，能使電機定子頻率f保持不變，這樣發電—電動機就實現了恒頻率變轉速運行[7]。水泵—水輪機在發電工況下是系統的原動機以水輪機運行方式運行，抽水工況下是系統的負載以水泵運行方式運行。發電—電動機由交流勵磁系統控制，水泵—水輪機由調速器控制，監控系統負責交流勵磁系統和調速器的協調控制。

變速抽水蓄能機組與定速抽水蓄能機組在系統結構、磁極、轉子線圈、勵磁、轉速等方面有著明顯的不同[8]，而且，變速抽水蓄能機組的勵磁系統采用交流變頻裝置代替了定速抽水蓄能機組的普通可控硅直流整流裝置，具備水泵工況啟動功能，因此，變速抽水蓄能機組取消了靜止變頻啟動裝置。這些方面的不同使得兩者的控制系統也存在著較大的差異。本文對變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制進行探討研究。

圖1 變速抽水蓄能機組結構圖Figure 1 Structural chart of variable speed pumped storage unit

1 變速抽水蓄能機組概況

運行工況轉換方式

變速抽水蓄能機組基本運行工況主要包括：發電、發電調相、抽水、抽水調相、空轉、空載和停機等運行工況，這些基本運行工況之間的轉換構成了變速抽水蓄能機組運行工況轉換方式。變速抽水蓄能機組運行工況轉換方式見表1。

續表

2 運行工況轉換控制

2.1 設計原則

變速抽水蓄能機組運行工況多，轉換控制復雜，操作頻繁，對運行工況轉換控制的可靠性和操作成功率要求高，為保證運行工況轉換準確、安全、可靠運行，控制流程需遵循以下設計原則[9]:

（1）模塊化編程原則。變速抽水蓄能機組工況轉換控制流程復雜，為了編寫工況轉換控制流程簡單、修改方便和節省內存空間，需要將工況轉換控制流程進行模塊化分解，即由幾個子流程模塊組合構成一個完整的工況運行轉換控制流程。

（2）靈活操作原則。變速抽水蓄能機組工況轉換控制流程具有靈活的操作性，即工況轉換控制流程在收到操作命令后，既可以自動地完成全部工況轉換控制流程，也可以進行單步執行工況轉換控制流程。

（3）冗余容錯原則。變速抽水蓄能機組工況轉換控制流程具有自檢查和自校核的糾錯能力，當工況轉換控制流程出現非法或不合理的轉換操作時，程序可自動進行閉鎖保護并進行報警，確保工況轉換控制流程正確運行。

（4）優先轉換原則。變速抽水蓄能機組工況轉換控制流程具有優先轉換功能，即變速機組的事故停機或正常停機轉換流程的優先級高于其他工況轉換控制流程，當事故停機或正常停機轉換流程被執行，將中斷正在運行的其他工況轉換控制流程，從事故停機或正常停機轉換流程第一步開始執行事故停機或正常停機控制流程；另外，當工況轉換控制流程操作發生超時故障時，控制流程直接進入事故停機流程，使機組停機。

（5）可擴展原則。變速抽水蓄能機組工況轉換控制流程具有添加工況轉換控制流程和修改原有控制流程的功能，便于擴充和完善機組工況轉換控制流程。

（6）安全可靠原則。變速抽水蓄能機組工況轉換控制流程具有安全可靠性，每一步操作均設置啟動判斷條件，當啟動判斷條件滿足時，解除下一步操作流程的閉鎖，執行下一步工況轉換控制流程；若啟動判斷條件不滿足，則中斷工況轉換控制流程，直接跳轉到事故停機控制流程，使機組停機。在機組工況轉換控制流程執行過程中，若機組狀態發生變化，或者機組設備突發故障，不允許該工況轉換控制流程繼續執行時，則自動終止該工況轉換控制流程，進入到事故停機控制流程，使機組停機。

2.2 運行工況轉換控制流程

變速抽水蓄能機組的運行狀態分為穩定運行工況、暫時運行工況和特殊運行工況。穩定運行工況包括：停機態、空轉態、空載（旋轉備用）態、發電態、發電調相態、抽水調相態和抽水態七種工況。暫時運行工況包括：中轉停機態和旋轉態兩種工況。黑啟動為特殊運行工況。根據變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制設計原則，穩定運行工況和特殊運行工況作為操作目標，暫時運行工況則不能作為操作目標。由于各工況轉換控制流程中有部分設備控制操作是相同的，因此可將工況轉換控制流程進一步細化，分解成獨立的子控制流程模塊，這樣將變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制流程模塊化，每種工況轉換流程就可由穩定運行工況、暫時運行工況和特殊運行工況之間的轉換控制流程組成，從而降低各工況轉換控制流程的復雜性和編程工作量，提高控制流程的執行效率和靈活性。

根據模塊化分解原則，可將變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制流程轉換為圖2變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制結構圖和圖3變速抽水蓄能機組事故停機控制結構圖，變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制流程模塊化組合見表2。

2.3 運行工況轉換控制優先級

為了便于運行操作，變速抽水蓄能機組運行工況轉換設置了如下10種運行工況轉換控制操作：空轉、空載（旋轉備用）、發電、發電調相、抽水調相、抽水、停機、機械事故停機、電氣事故停機和黑起動流程。

考慮機組運行操作安全性，機組工況轉換控制操作設置了優先級，其優先級為：電氣事故停機＞機械事故停機＞停機＞空轉=空載（旋轉備用）=發電=發電調相=抽水=抽水調相=黑起動，事故停機控制操作優先級最高，當高優先級工況轉換控制操作被執行，將中斷并禁止低優先級工況轉換控制操作；當同等級工況轉換控制操作被執行，將禁止其他同等級工況轉換控制操作。

圖2 變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制結構圖Figure 2 Structural diagram of operating conditions conversion control for variable speed pumped storage unit

圖3 變速抽水蓄能機組事故停機控制結構圖Figure 3 Accident shutdown control structure diagram of variable speed pumped storage unit

3 結束語

本文簡要分析了變速抽水蓄能機組與定速抽水蓄能機組在機組工況轉換控制方面的差異，介紹了變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制方式及控制原則，探討研究了變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制流程。該工況轉換控制流程具有模塊化、容錯、安全可靠等特點，能夠滿足變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制要求。

表2 變速抽水蓄能機組運行工況轉換控制模塊化組合表Table 2 Modular combination table of operating conditions conversion control for variable speed pumped storage unit