可變速抽水蓄能機組水泵水輪機能量特性及效益優勢淺析

張 韜，高彥明

（1.哈動國家水力發電設備工程技術研究中心有限公司，黑龍江省哈爾濱市 150040；2.水力發電設備國家重點實驗室，黑龍江省哈爾濱市 150040；3.南方電網調峰調頻發電有限公司，廣東省廣州市 511400）

0 引言

新中國成立后，我國經濟不斷發展，電力系統經歷了以下幾個階段：

（1）經濟落后階段。該階段我國的發電設備研發和生產能力不足，發電量較低，僅可滿足國家最基本生產生活需要。

（2）經濟快速發展階段。1980年后我國的科技研發能力迅速提高，發電設備包含水電、火電、核電等多種形式。尤其隨著第二、三產業的高速發展，使得社會用電量迅速增加，電網用電量峰谷差逐漸顯現，日調節需求顯著提高，需要設備提供調峰填谷功能。此時，電網功率調節形式以日調節為主，用電波峰波谷調節量基本穩定，常規定速抽水蓄能機組作為具有調峰填谷功能的調節機組被廣泛投入電網。

（3）經濟高質量發展階段。2010年后經濟發展進入新階段，社會用電量進一步增大，發電設備除火電、水電、核電外，大量新能源并網發電，豐富了電源形式，但風電、太陽能發電等新能源具有隨機性、波動性、間歇性等特點，在短時間內會造成電網功率的大幅波動，給電網的安全穩定造成極大挑戰。因此，具有功率快速調節功能的可變速抽水蓄能機組的大量應用將是大勢所趨。

發電設備的經濟效益是業內研究和關注的重點課題，研究時通常將之融入電站效益一并探討。抽水蓄能電站的效益[1]可分為電網效益和社會效益，而電網效益又分為靜態效益和動態效益。其中，靜態效益可分為容量效益和能量轉換效益；動態效益包括調頻、負荷跟蹤、旋轉備用、調相、提高系統運行可靠性等[2]。學者對以上抽水蓄能電站的各種效益都進行了大量的研究，其中以抽水蓄能電站對節能環保效益的分析[3]以及新能源與抽水蓄能電站協同作用效益的分析[4]最為重要，最能體現抽水蓄能電站在效益方面的價值。

本文研究的目標是抽水蓄能電站能量轉換的“心臟”——水泵水輪機，分析定速水泵水輪機與可變速水泵水輪機各自的特點并進行比較。同時，將可變速水泵水輪機由于機組轉速可變化而引起水泵工況和水輪機工況能量效益提升的特性進行分析。

1 定速與可變速水泵水輪機的能量特性

定速水泵水輪機由于機組轉速固定不變，水泵工況一個揚程只能對應一個功率值。當定速機組運行到某一特定揚程時，只能從電網吸收唯一的功率值，對于電網功率的短時、瞬時波動無法做出響應，更無法調節、吸納電網多余功率。而可變速水泵水輪機在電站運行范圍內任何揚程下都可以快速對電網的功率波動以及電網功率調節需求做出一定量的響應。這個功率響應量也就是可變速水泵水輪機在某一揚程下的功率調節范圍，該范圍的設計值需要在電站設計階段根據電站在電網中的作用進行設定，然后通過水力設計達到設計目標。

1.1 水泵工況能量特性

可變速水泵水輪機的選型非常重要，它直接影響機組功率調節范圍的大小、壓力脈動幅值等重要水力參數，文獻[5]中較為詳細地分析了可變速水泵水輪機水泵選型特點及方法，本文不再論述。

圖1為定速水泵水輪機水泵能量曲線，從圖中可知，對于定速機，一個揚程只能對應一個工況點（一個流量和一個功率），即工況點1。也就是說，在同一時刻，定速機的功率調節量是固定不變的，無法根據電網的功率波動調節需求做出響應；而可變速水泵水輪機，在水泵運行工況揚程變化范圍內，一個揚程可以對應一個功率調節范圍。從圖2可知，最小揚程Hmin下，功率調節范圍在工況點3和工況點5之間，即功率調節范圍為（P3，P5）；最大揚程Hmax下，功率調節范圍為（P4，P7）；在水泵運行工況揚程變化范圍內，最大功率調節幅度為（Pmin，Pmax），功率調節量隨機組轉速的變化，由定速機的一條線變成了變速機的一個面，功率調節能力極大提高，調節量顯著增大。

圖1 定速水泵水輪機能量特性曲線Figure 1 The energy characteristic curve of the fixed speed pump-turbine

圖2 給出了水泵工況在流量—揚程曲線，流量—功率曲線以及揚程—功率曲線中的運行區域（陰影區）。通過各特性曲線可知，可變速水泵水輪機水泵工況在高揚程下，運行范圍受到葉片水泵進口二次流的限制；在低揚程下，受到大流量轉輪葉片空化的限制；而在大流量區，則受到最大功率的限制[6][7]，因此形成了圖中陰影表示的運行區域。

圖2 可變速水泵水輪機水泵能量特性曲線Figure 2 The energy characteristic curve of the variable speed pump-turbine

1.2 水輪機工況能量特性

在設計定速水泵水輪機時，必須首先滿足水泵工況的運行，導致其水輪機工況的運行范圍S1遠離最優區，進而造成水輪機工況效率與穩定性欠佳。由圖3可知，可變速水泵水輪機在水輪機工況運行時，可將機組轉速下調至水輪機運行范圍合適的數值，如圖3中的S2。同時，由于機組轉速的下降，使得最低水頭單位轉速隨之下降，最低水頭單位轉速與葉片正面脫流初生線的交點由原先約50%額定功率變為20%～30%額定功率，即穩定運行的功率下限從定速時的50%額定功率下降到20%～30%額定功率，可穩定運行的功率范圍最大可增加60%。該運行范圍基本覆蓋最優區，效率及穩定性更高，可穩定運行的功率范圍更寬。

圖3 模型水泵水輪機綜合特性曲線Figure 3 The comprehensive characteristic curve of model pump-turbine

2 可變速水泵水輪機的能量效益優勢

2.1 水泵工況能量效益

定轉速抽水蓄能電站在調節新能源功率，降低棄風、棄光率方面已有較大貢獻。例如，遼寧蒲石河抽水蓄能電站夜間利用電網內風電所發電力抽水儲能，白天再利用儲存的水能并網發電，風能得到充分利用，降低了棄風率。華東地區風能和太陽能資源豐富，且用電量較大，當地抽水蓄能電站為了充分利用新能源，同時滿足吸收新能源發電功率的需求和當地用電需求，通常一天之內多次抽水和發電，對降低棄風、棄光率，節能減排具有不可替代的作用。

然而由于上一節所講的原因，定轉速水泵水輪機不能靈活的調節電網的功率波動和需求，使得常規定速抽水蓄能電站的靜態效益和動態效益均大打折扣。可變速抽水蓄能電站水泵水輪機的調節能力極大提高，可以增強吸納電網中隨機、波動、瞬時功率的靈活性，更加充分安全的利用新能源，進一步降低棄風、棄光率。

從水泵特性角度分析，由于定速水泵水輪機水泵功率調節形式為一維線段，而可變速水泵水輪機水泵功率調節范圍是由定速機的功率調節范圍擴展而得，形成一個二維平面，因此兩者水泵工況能量效益的關系可近似為：

式中：Evariable_p——可變速水泵水輪機水泵能量效益；

Econstant_p——定速水泵水輪機水泵能量效益；

k——定速與可變速水泵水輪機水泵能量效益關系系數。

綜上由式（1）可知，可變速水泵水輪機水泵工況的功率調節幅度，即能量效益，與定速機的平方成正比，能量效益顯著提高。

2.2 水輪機工況能量效益

由圖3可知，定速水泵水輪機工況運行范圍遠離最優區，且受到轉輪葉片脫流初生線的限制，可安全穩定的運行區為S1，面積為A1；在變速的情況下，水輪機運行范圍基本覆蓋最優區，且運行范圍S2向低負荷區有較大擴展，面積為A2。水輪機的能量效益不僅體現在效率值上，還體現在運行范圍的寬廣程度上，前者用加權平均效率表示，后者用運行范圍的面積表示。

由于A2>A1且ηvariable_t_avg>ηconstant_t_avg，因此Evariable_t>Econstant_t。

3 某海水抽水蓄能電站可變速水泵水輪機的能量效益

海水抽水蓄能電站是抽水蓄能電站的一種新型式[8][9]，在國家重點研發計劃《海水抽水蓄能電站前瞻技術研究》項目的研究中，以某具體擬建設的海島電站為研究目標（相應參數見表1），研究可變速水泵水輪機的選型方法、水力特性、控制策略等。

表1 目標電站及機組參數Table 1 The target power plant and unit parameters

可變速水泵水輪機水泵選型特點和方案在文獻[5]中已經論述，優化后其水泵能量特性流量—功率曲線示意圖如圖4所示。在最低揚程下其功率調節幅度約為25.5%，在最高揚程下其功率調節幅度約為18.2%，最大功率調節幅度約為32%；同時，其水輪機工況加權平均效率，可變速與定速情況下相比，提高約1%，由此可見可變速水泵水輪機的能量效益優勢明顯。

圖4 某海水抽水蓄能電站可變速水泵水輪機水泵能量特性Figure 4 The energy characteristics of the variable speed pump-turbine about one seawater pumped storage

4 結論

本文詳細討論了可變速水泵水輪機水泵工況和水輪機工況的能量特性，分析了其特性特點，并比較了可變速機與定速機能量特性的差異，給出了兩者能量效益的比較公式，最后簡要介紹了海蓄課題中研發設計的可變速水泵水輪機能量效益對比結果。研究可變速水泵水輪機的相關文獻較少，其中文獻[5]和文獻[10]對其特性均進行了分析介紹，但文獻[5]側重水泵選型的原則和方法，文獻[10]對其進行較為全面但不深入的介紹。本文針對可變速水泵水輪機水泵特性流量—揚程曲線，流量—功率曲線、揚程—功率曲線均進行了詳細的分析，使讀者和設計者對可變速水泵水輪機水泵特性有更加充分清晰的認識，具有較高的指導性和實用性。同時首次嘗試性的給出了定速和可變速水泵水輪機能量效益的關系公式，然而由于可變速能量效益統計數據欠缺，無法準確表示其公式，還需有待完善。