抽水蓄能變速機(jī)組技術(shù)研究進(jìn)展

孫文?劉沖

摘要：抽蓄變速機(jī)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(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)。本文首先介紹抽水蓄能變速機(jī)組的工作原理;然后對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述;最后對(duì)抽水蓄能變速機(jī)組在發(fā)電工況和抽水工況的控制進(jìn)行歸納總結(jié)，為抽水蓄能變速機(jī)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(duì)提高新能源消納起到促進(jìn)的作用。抽蓄機(jī)組的應(yīng)用是當(dāng)前最經(jīng)濟(jì)環(huán)保的調(diào)節(jié)手段之一。新能源裝機(jī)容量不斷增加，如何合理解決電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行是個(gè)非常值得研究的問題。定速抽水蓄能機(jī)組在調(diào)度過程中的調(diào)節(jié)范圍比較小，揚(yáng)程偏離額定值是會(huì)造成抽水效率比較低。采用抽蓄變速機(jī)組投入電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)新型低碳調(diào)度，發(fā)揮變速機(jī)組運(yùn)行范圍寬效率高的優(yōu)點(diǎn)。

抽蓄變速機(jī)組具有調(diào)節(jié)精度高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，調(diào)節(jié)幅度大有利于堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，變速機(jī)組相比較其他方面的投入相對(duì)來說比較經(jīng)濟(jì)。抽蓄變速機(jī)組在地區(qū)電網(wǎng)中的實(shí)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(shí)際運(yùn)行減少切機(jī)情況的發(fā)生[1]。抽水蓄能變速機(jī)組具有抽水工況可進(jìn)行自動(dòng)頻率控制、瞬時(shí)有功功率調(diào)節(jié)和瞬時(shí)無功功率的高速調(diào)節(jié)[2]。文獻(xiàn)[3]就國內(nèi)抽蓄電站四個(gè)階段的發(fā)展進(jìn)行了全面的總結(jié)，同時(shí)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(jìn)一步完善。文獻(xiàn)[4]針對(duì)大型抽水蓄能機(jī)組的水頭變化較大的問題進(jìn)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(shì)。文獻(xiàn)[5]根據(jù)電站的實(shí)際概況和無極調(diào)速的特點(diǎn)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(xiàn)[6]為有效解決在功率缺失的情況，設(shè)置抽水蓄能機(jī)組可以提高故障恢復(fù)的能力。文獻(xiàn)[7]在水泵運(yùn)行的條件下，負(fù)荷的靈活可調(diào)度性可以減小傳統(tǒng)的出力。文獻(xiàn)[8]重點(diǎn)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(jī)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(jī)組的工作原理，相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究進(jìn)展和抽水蓄能變速機(jī)組在發(fā)電工況和抽水工況的控制進(jìn)行闡述歸納總結(jié)，為抽水蓄能變速機(jī)組研究提供參考依據(jù)。

一、抽水蓄能變速機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)概述

圖1抽水蓄能變速機(jī)組結(jié)構(gòu)圖[1]

變速機(jī)組在負(fù)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(dān)重要的作用[14]。文獻(xiàn)[12]基于PSCAD軟件建立了變速機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，重點(diǎn)研究變速機(jī)組在發(fā)電和抽水兩種工況條件下相關(guān)階段的勵(lì)磁控制策略，仿真結(jié)果證明了控制系統(tǒng)的可行性。文獻(xiàn)[5]為了推進(jìn)交流勵(lì)磁機(jī)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(jī)組的自身特點(diǎn)分析其控制策略。文獻(xiàn)[17]對(duì)電機(jī)定子短接轉(zhuǎn)子變頻啟動(dòng)的工況進(jìn)行數(shù)學(xué)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(jī)組的自啟動(dòng)控制策略。仔細(xì)劃分了啟動(dòng)過程的六個(gè)階段，仿真驗(yàn)證機(jī)組可以從平穩(wěn)升速至額定轉(zhuǎn)速。文獻(xiàn)[18]主要研究雙饋感應(yīng)電機(jī)用背靠背并聯(lián)交流器的矢量控制策略，重點(diǎn)是改進(jìn)可變速機(jī)組的主回路拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)電機(jī)在不同運(yùn)行工況下的有功和無功功率的解耦。文獻(xiàn)[19]主要對(duì)先進(jìn)控制算法進(jìn)行研究，實(shí)驗(yàn)多目標(biāo)優(yōu)化控制進(jìn)行在線計(jì)算的一種電壓矢量選擇方法。

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

文獻(xiàn)[26]通過對(duì)比定速機(jī)組與變速機(jī)組的不同，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析變速機(jī)組運(yùn)行相關(guān)成本。研究結(jié)果表明在運(yùn)維成本相同的前提下，變速機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間提高20%。文獻(xiàn)[27]將抽蓄變速機(jī)組與定速抽蓄機(jī)組的工況轉(zhuǎn)換控制差異進(jìn)行對(duì)比，重點(diǎn)研究工況轉(zhuǎn)換方式和相關(guān)控制原則。文獻(xiàn)[28]針對(duì)抽蓄變速機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行研究，深入分析對(duì)比兩者的機(jī)械結(jié)構(gòu)與勵(lì)磁控制方向進(jìn)行一定程度的修改建立水泵啟動(dòng)方向的監(jiān)控流程。文獻(xiàn)[29]就抽蓄變速機(jī)組的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述，深入分析了變速機(jī)組與定速機(jī)組的投資成本問題進(jìn)一步研究了變速機(jī)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(xué)模型得出新建變速機(jī)組站新建抽蓄機(jī)組的最佳經(jīng)濟(jì)比例。文獻(xiàn)[30]通過建立機(jī)側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器的模型控制策略，可變速機(jī)組在兩種模式下分別對(duì)有功和無功進(jìn)行控制。風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明能有效抑制電網(wǎng)的波動(dòng)。文獻(xiàn)[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(jì)和社會(huì)效益。文獻(xiàn)[32]依據(jù)混合式抽水蓄能電站的特性，將大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)考慮在內(nèi)建立聯(lián)合調(diào)度數(shù)學(xué)模型，采用離散動(dòng)態(tài)規(guī)劃的逼近算法進(jìn)行求解。計(jì)算結(jié)果表明該聯(lián)合調(diào)度方案合理。抽蓄變速機(jī)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(jìn)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(jī)組能很好的平衡頻率波動(dòng)。

二、抽水蓄能變速機(jī)組發(fā)電工況與抽水工況控制

文獻(xiàn)[30]對(duì)抽水蓄能變速機(jī)組的有功參考功率和無功參考功率的形成進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，文獻(xiàn)[7]對(duì)抽水蓄能變速機(jī)組的發(fā)電工況和抽水工況進(jìn)行探討，并沒有將新能源發(fā)電等波動(dòng)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(jī)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(jì)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(fù)荷波動(dòng)追蹤和頻率控制獲得對(duì)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(jī)組功率的參考值相互疊加獲得總功率命令信號(hào)值，對(duì)比反饋到前饋導(dǎo)葉信號(hào)發(fā)生器、最優(yōu)轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生器;最優(yōu)轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生器獲得當(dāng)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(hào)發(fā)生器和調(diào)速器共同作用進(jìn)一步控制水泵水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度，控制機(jī)組流量的大小。總的功率命令信號(hào)也直接反饋到信號(hào)自動(dòng)功率調(diào)節(jié)器，發(fā)電電動(dòng)機(jī)輸出功率也反饋到自動(dòng)功率調(diào)節(jié)器，此時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的總功率與此時(shí)的總功率命令信號(hào)相適應(yīng)。機(jī)組的無功功率是根據(jù)電壓穩(wěn)定控制計(jì)算出的，電網(wǎng)的實(shí)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(jì)功率疊加獲得可變速機(jī)組無功參考功率輸入自動(dòng)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(jī)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(hào)值，在水泵工況下反饋到最優(yōu)導(dǎo)葉信號(hào)發(fā)生器、自動(dòng)功率調(diào)節(jié)器，最優(yōu)轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生器。最優(yōu)轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生器獲得當(dāng)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(dòng)機(jī)輸入的功率與功率命令信號(hào)值相適應(yīng)。最優(yōu)開度信號(hào)發(fā)生器根據(jù)當(dāng)前功率信號(hào)值結(jié)合揚(yáng)程的條件對(duì)導(dǎo)葉進(jìn)行控制。

三、總結(jié)

抽水蓄能電站的建設(shè)對(duì)當(dāng)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(shì)。同時(shí)也是對(duì)綠色可持續(xù)發(fā)展政策的響應(yīng)。區(qū)域電網(wǎng)中的負(fù)荷差越大越大會(huì)對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，在抽蓄電站中配置一定量的變速機(jī)組可以提高系統(tǒng)內(nèi)的資源配置。抽水蓄能變速機(jī)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(fù)荷改善火電機(jī)組的出力。抽水蓄能變速機(jī)組在一定范圍內(nèi)依據(jù)不同水頭選擇不同的運(yùn)行轉(zhuǎn)速提高機(jī)組運(yùn)行的性能，同時(shí)成為平衡可再生能源發(fā)電出力波動(dòng)的有效手段。

關(guān)于抽水蓄能變速機(jī)組的主要研究問題，主要包括：交流勵(lì)磁系統(tǒng)，機(jī)組的啟動(dòng)流程，工況轉(zhuǎn)換等相關(guān)過程的技術(shù)問題，變速機(jī)組的很多研究都是建立在定速機(jī)組的基礎(chǔ)之上，抽水蓄能變速機(jī)組的運(yùn)行成本問題，抽水蓄能變速機(jī)組在抽蓄電站中的最優(yōu)容量配比問題，變速機(jī)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(jī)組與變速機(jī)組的在建設(shè)中的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)如何去把握也值得我們?nèi)フJ(rèn)真思考。

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