變速抽水蓄能機組在地區(qū)電網(wǎng)中的應用研究

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整出力，是電網(wǎng)日內調峰和調頻的重要手段。但傳統(tǒng)的抽水蓄能機組，在發(fā)電狀態(tài)下的調節(jié)速度相對較慢，在抽水狀態(tài)下負荷不能調節(jié)，這限制了抽水蓄能機組在電網(wǎng)應用的場景[1]。因此，開發(fā)多種調峰調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域。20 世紀60 年代，交流勵磁開始應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調節(jié)功率，其優(yōu)良的性能帶動了相關領域的研究及試驗。隨著可逆混流式水輪機制造技術、大功率電力電子器件與現(xiàn)代控制技術的發(fā)展，轉子采用三相交流勵磁的可變速抽水蓄能機組技術得到飛速發(fā)展，并逐步投入了商業(yè)應用[2]。20 世紀90年代，日本開始應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。我國通過技術引進和自主研發(fā)，也開展了變速抽水蓄能機組技術的研究及應用。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，其轉子磁場相對于轉子的位置是固定不變的，當進行有功、無功調節(jié)時必然伴隨著轉子的機械過渡過程。而交流勵磁發(fā)電機由于轉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，通過調節(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速范圍內運行，以滿足水泵水輪機接近最優(yōu)單位轉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。從圖中可以看出，變速抽水蓄能機組有功、無功響應速度極快，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速度，且抽水工況下負荷在一定范圍內可調，在電網(wǎng)中有廣泛的應用前景。從國內外變速抽水蓄能機組的應用情況來看，變速抽水蓄能機組的應用主要體現(xiàn)在兩個方面，一是參與系統(tǒng)的頻率調節(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用前景。我國也正在積極開展變速抽水蓄能的相關研究，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)調峰調頻面臨較大的壓力，對電源功率的快速調節(jié)需求越來越強烈。雖然大規(guī)模電池儲能技術、新能源快速功率調節(jié)技術、火電機組的深度調峰技術取得較大進步，但就綜合技術經(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的缺陷，進一步提升了抽水蓄能的技術優(yōu)勢。

當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、高轉速化和調速化。從日本抽水蓄能的發(fā)展來看，其變頻調速經(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。變頻調速機組另外一個發(fā)展趨勢是，機組本身的高轉速、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)調頻、調峰中發(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速度，尤其是抽水工況下負荷可調，因此可以使電網(wǎng)調節(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)化調度中作用及方案

變速抽水蓄能機組可以應用于地區(qū)電網(wǎng)優(yōu)化調度中，其方案如圖10所示。調度系統(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；調度系統(tǒng)綜合庫容、負荷預測等情況進行最優(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節(jié)Figure 10 power regulation of variable speed pumped storage unit

式中：Kdroop為下降調節(jié)系數(shù)，Td、Tfilt分別為調節(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用。如現(xiàn)有的電網(wǎng)系統(tǒng)保護建設方案中，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，設計的4種容量。而變速抽水蓄能機組的單臺調節(jié)容量假設為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。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，增大泵的運行轉速，從而增大泵的吸收有功功率。相當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。當檢測到頻率低于工頻某一頻率定值時，降低泵的運行轉速，減小了泵吸收的有功功率，相當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)、能源結構轉型的發(fā)展趨勢，可在電網(wǎng)中充分發(fā)揮調頻、調峰、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。