全功率變頻抽水蓄能機組技術應用淺析

衣傳寶，楊 梅，梁廷婷，梁國才

（1.國網新源控股有限公司，北京市 1007611；2.中國電建集團北京勘測設計研究院，北京市 100024）

0 引言

為了轉變能源結構，促進節能減排，提高能源利用效率，近年來，我國正大力發展風電、光伏等可再生清潔能源。目前我國已經成為全球風電、光伏發電裝機容量和發電量最大的國家，并且電力系統中風電、光伏發電的比例仍在持續增加。然而，風電、光伏發電出力具有隨機性、間歇性的特點，大規模的風電、光伏新能源并網給電網的安全穩定運行帶來前所未有的挑戰。同時，隨著社會經濟的不斷發展和人民生活水平的提高，對電網靈活性要求也越來越高?，F有電網靈活性不足，對風電、光伏清潔能源的接納能力有限，使得新能源消納問題較為突出。近年來，雖然我國整體棄風棄光率逐年下降，但新能源消納水平依然較低，如何提高新能源消納水平成為電網能源轉型亟待解決的關鍵難題之一。

在目前的電力系統中，抽水蓄能電站是公認的壽命周期長、容量大、最可靠、最經濟、技術最成熟、環境友好的儲能方式，具有啟動迅速、爬坡卸荷速度快、運行靈活可靠等特點，既能削峰又可填谷。抽水蓄能電站能很好地適應電力系統負荷變化，改善火電和核電機組運行條件，平滑規?；履茉摧敵龉β?，提高電網運行經濟效益。傳統的抽水蓄能機組一般為定速運行機組，運行效率相對較低，調節速度相對較慢且在水泵工況只能滿負荷抽水，不能根據系統需求進行抽水功率的調節，并且在水泵工況下不具備無功調節能力，因此無法滿足電網快速、準確進行電網頻率調節的要求。

隨著電力電子技術的發展，采用變速技術的抽水蓄能機組，可以快速調節有功功率和無功功率，提高系統的穩定性和快速響應能力，實現電站和系統的柔性連接，具備大范圍無功補償能力，可以有效地控制電網負荷頻率，平衡可再生能源引起的頻率波動，提高新能源利用效率。因此，變速抽水蓄能機組也日益成為實現高比例消納新能源的有效手段之一[1-2]。

目前國際上投入運行的變速抽水蓄能機組有兩種技術路線，即交流勵磁（雙饋）變頻變速抽水蓄能機組和全功率變頻變速抽水蓄能機組。

國際上已經有超過18個電站、約40臺交流勵磁變速抽水蓄能機組在日本、德國、斯洛文尼亞、瑞士、葡萄牙、法國、印度、中國等國家的電網中發揮著重要作用或正在建設中，最高額定水頭達到714m，最大容量達到460MW，最高同步轉速達到600r/min。除日本國內3臺作為初始研試的機組外，后續的交流勵磁變速機組單機容量均超過170MW以上，約80%的機組單機容量達到230MW以上。由此看來，交流勵磁變速抽水蓄能技術在多個國家的大容量蓄能機組上得到了較為廣泛的應用。

對于大容量變速抽水蓄能機組，一方面，交流勵磁裝置的容量僅占機組容量的1/8～1/6，有利于電站的設備布置和投資；另一方面，交流勵磁變速發電電動機轉子結構和啟動程序相對復雜。同時，對于中小容量的機組，采用同步電機配置全容量的變流器，對發電電動機結構無特殊要求，但也能實現抽水蓄能機組的變速運行，在改造升級項目上更易于實施并已取得成功案例，因而全功率變頻抽水蓄能機組隨著市場需求也逐步得到了關注，開展相關技術研究和工程應用。

本文將從全功率變頻抽水蓄能機組技術的基本原理、性能優勢、產品特點、工程案例、應用前景及重點研究方向等方面進行初步探討。

1 全功率變頻抽水蓄能機組技術特點綜述

1.1 全功率變頻抽水蓄能機組的基本原理

全功率變流器是在發電電動機定子與電網間連接一個與發電電動機容量相同的變頻器。發電模式時，將發電機發出的電壓、頻率不同的電能，經過變頻、變壓后，變成與電網電壓、頻率相同的電能，輸入電網；反之，電動模式時，則作為電動機，功率流向相反，電機從電網吸收電能。

全功率變頻抽水蓄能機組的基本結構原理示意圖如圖1所示。

圖1 全功率變頻抽水蓄能機組的基本結構原理示意圖Figure 1 Schematic diagram of basic structure principle of full size converter PSPS unit

從結構上看，全功率變頻抽水蓄能機組采用常規的同步發電電動機機，通過變頻器與變壓器相連，通過改變發電電動機定子三相磁通的頻率改變發電電動機的轉速，即可實現機組的變速運行，從而快速響應系統頻率變化和提高機組的運行效率。

由于變頻器能產生非常大的轉矩電流，所以電機在發電及電動模式下均能實現從零到額定轉速（或更高）的變化，不需要靜止變頻器和換相開關，且機組在電動與發電模式間的切換非?？?。變頻器可以產生/吸收無功功率，具有非常好的低電壓穿越（LVRT）能力，在非常嚴重的電網擾動時，可以極大地支持電網的穩定性。另外，當發電電動機停止運行時，網側換流器可以作為靜止無功補償設備（STATCOM），保持與電網的連接，給電網實現無功支撐[3]。

1.2 全功率變頻抽水蓄能機組的優勢性能[4]

（1）擴大調節范圍：在水泵工況下，全功率變頻抽水蓄能機組可以在較大范圍內實現轉速和功率調節，提高抽水蓄能機組的運行靈活性。

（2）提高系統穩定性：發電、抽水工況皆可通過自動頻率控制維持電網頻率穩定，并可實現快速響應有功功率，借助全功率變頻器實現虛擬同步機功能，可屏蔽機組水力振動等因素對電力系統的影響，有利于電力系統穩定性的提高。

（3）系統無功補償和吸收：可以在各種運行狀態，甚至在停機狀態下實現對電網無功功率的快速補償和吸收，降低電網電能損耗，可配套風電廠完成無功補償。

（4）快速機組啟停和工況轉換：全變頻抽水蓄能機組可免設水泵工況啟動裝置，由于保留了在低轉速下的大力矩，理論上水泵水輪機可以在水中從低轉速直接啟動。

（5）提高運行效率：在發電工況下，全功率變頻抽水蓄能機組可以通過轉速調節使水輪機運行在最優工況，尤其是低水頭工況和部分負荷工況下效果明顯。

（6）發電機與電網解耦：全功率變頻器實現了發電機組與電網的部分解耦，限制了網側故障電流，發電機不會因為電網故障而失去同步，同時發電機可通過全功率變頻器實現黑啟動。

（7）提升新能源消納：抽水工況下可在較大范圍內實現用電功率變化，從而消納可再生能源波動出力。

1.3 應用于抽水蓄能機組的全功率變頻器

區別于交流勵磁變速抽水蓄能機組所采用的變頻器，用于抽水蓄能機組的全功率變頻器還未經歷長時間和廣泛的發展和應用。目前的技術和產品基本有以下兩種[5-6]：

（1）背靠背電壓源變頻器，原理結構見圖2。變頻器可以看作是電網側變流器與電機側變流器通過直流電路連接在一起。這種變頻器的主要特點是無功功率不能存儲，必須通過變頻器不斷地完全傳輸。另一方面，兩側變頻器均可獨立控制電壓、無功功率、頻率。

變流器的有功功率額定值是由水泵水輪機的額定有功功率決定的，其無功功率額定值是由電網要求決定的。由于變流器與電網直接相連，一般由變頻器從電網吸收/向電網提供無功功率，因此同步電機只需提供有功功率，可運行于單位功率因素下，設計時可減小同步電機的尺寸，電機容量可減小10%～15%。瑞士的Grimsel 2工程1號機組就采用了此種變頻器拓撲，具體接線圖詳見本章工程案例。該類型變頻器系統所占空間較大，輸入、輸出側需配置升壓、降壓變壓器，損耗較大。

圖2 電壓源變頻器基本結構原理示意圖Figure 2 Schematic diagram of basic structure principle of VSI

（2）新一代產品模塊化多電平靜止變頻器（modular multilevel converter，MMC）。MMC結構的基本元件是一個基本單元，基本單元的額定電壓、電流是由電力半導體器件和電容器決定的。最新的換流器采用MMC拓撲結構類型，電壓是由n個串聯的單元建立起來的，采用多個串并聯提高電流能力，詳見圖3。換流器的組成元件采用新型高通流IGCT，通態損耗小、通流能力強。

圖3 MMC換流器結構示意圖Figure 3 Schematic diagram of basic structure of MMC

該類型變頻器具有如下優勢：具有更高的功率密度和空間優化；具有更高的設備容量和更好的電壓拓展，不需要變壓器進行調壓；電壓畸變率小，更接近正弦波；輸出電壓波形變幅值小，dv/dt?。粨Q流器的效率更高，通常大于98.5%；全象限運行提供了更快速的啟停和運行反轉時間，更寬的運行范圍；模塊化單元設計便于提高設備冗余設計，使設備具備更高的可靠性。MMC結構換流器可以形成比較好的電壓波形，如圖4所示，無須設置濾波器。

圖4 MMC換流器輸出電壓波形圖Figure 4 Output voltage waveform diagram of MMC converter

2 工程案例

全功率變頻抽水蓄能機組技術的應用對提高電網運行靈活性和實現新能源的高比例消納具有重要意義。目前，世界各國都在根據自身實際需求規劃應用全功率變頻抽水蓄能機組，已在瑞士、奧地利進行試點應用研究。

2.1 瑞士Grimsel 2號抽水蓄能電站

瑞士的Oberhasli水力發電公司（KWO）下屬的Grimsel 2號抽水蓄能電站使用ABB基于IGCT技術的全功率變頻器將原有的一臺定速機組改裝為100MW的全功率變頻抽水蓄能機組，使該機組實現了在抽水工況下的功率調節和變速運行，取得了良好的效果。該抽水蓄能電站建造于1974～1980年，共有4臺橫臥式同步機組（水泵工況4×90MW、發電工況4×80MW），上下水庫平均水頭400m，平均流量4×22m3/s，同步轉速為750r/min，電站內部結構及設備連接圖詳見圖5。

圖5 瑞士Grimsel 2號抽水蓄能電站內部結構及設備連接圖Figure 5 Connection and arrangement of the equipments in Switzerland Grimsel 2 PSPS

原運行方式中，瑞士Grimsel 2號抽水蓄能電站的功率調節能力完全依靠于4臺機組的啟停，當所需抽水功率介于多臺水泵機組滿發功率之間時，電站將同時運行一臺發電機組以彌補差值。然而，同時進行抽放水是非常不經濟的，電站效率降低且造成水資源的浪費。因此，為了更有效地調節功率，KWO決定將其中一臺機組改裝為全功率變頻機組。改造后的1號機組于2013年5月投入運行。其中，100MW變頻器由兩個50MW單元組成，每個單元包含輸入輸出變壓器，并與發電機和電網串聯。該變頻器使用了24個IGCT并聯雙相模塊。該全功率變頻機組實現了在60～100MW之間的水泵功率連續變化，下限60MW由于水泵流道內空化現象所限。通過變頻器，整個機組的啟動時間縮短至大約10s，之后水泵水輪機在球閥關閉的情況下加速至600r/min，并在球閥打開后，根據現有水頭情況下的最小功率，將轉速調整至大約690r/min[7-8]。

瑞士Grimsel 2號全功率變頻器的工作原理圖如圖6所示。

圖6 瑞士Grimsel 2號全功率變頻器工作原理圖Figure 6 Schematic diagram of basic principle of FSC in Switzerland Grimsel 2 PSPS

改造方案中，2臺輸入變壓器和2臺輸出變壓器與100MW變頻器分設于地下洞室的上下層，同時冷卻系統取自現有電站的冷卻水系統，如圖7所示。

圖7 瑞士Grimsel 2號全功率變頻器布置示意圖Figure 7 Schematic diagram of FSC arrangement in Switzerland Grimsel 2 PSPS

2.2 奧地利Malta Oberstufe抽水蓄能電站

奧地利Malta Oberstufe抽水蓄能電站為了最大化運行靈活性，參與歐洲高度動態電力市場，并支持德國新能源消納，計劃于2021年初前改造兩臺80MW機組為全功率變頻機組，同時計劃在發電和抽水工況下都能參與一次控制調頻，從而最大化經濟收益。初步預期在水泵工況下實現6～80MW的用電負荷調節，在發電工況下實現2.8～79.4MW的發電功率調節，并將水輪機轉速調節范圍擴大至40%～100%。Malta Oberstufe全功率變頻抽水蓄能機組預期運行曲線如圖8所示。

奧地利Malta Oberstufe抽水蓄能電站的80MW全功率變頻器擬采用新一代產品“模塊化多電平靜止變頻器（MMC）”，初步設計需要單層27m×9m×4m（長×寬×高）的房間布置變頻器，同時對于每臺80MW變頻器另需要考慮以下設備和空間：控制室和輔助室（3m×2m×1m）、水冷設備（4m×2m×2m）、預充電裝置（2m×1m×2m）、機柜（1m×0.8m×1m）等，變頻器結構和布置如圖9所示。

圖8 奧地利Malta Oberstufe全變頻機組預期運行曲線Figure 8 Expected operating curve of FSC unit in Austria Malta Oberstufe PSPS

圖9 奧地利Malta Oberstufe 2×80MW變頻器布置圖Figure 9 Arrangement of 2×80MW FSC in Austria Malta Oberstufe PSPS

3 應用前景及重點研究方向

全功率變頻技術的發展和工程應用給變速抽水蓄能電站的建設提供了又一個可行的技術路線。一方面，基于全功率變頻抽水蓄能機組的優越性能、成功案例及系統和產品的技術發展，研究其在省級電網中應用的作用和必要性，在實現局部電網穩定、結合新能源送端打包進而節省輸送線路投資等方面，都具有重要的研究意義；另一方面，鑒于全功率變頻抽水蓄能機組技術的應用案例還不夠廣泛、產品系列和技術亟待研發升級、機組和變頻器系統集成技術和性能有待進一步優化、工程投資需與技術匹配且經濟合理，圍繞以下幾個方面開展全面而深入的研究和探索也成為當務之急：

（1）研究典型新能源發電特性及負荷特性，結合全功率變頻抽水蓄能機組的運行性能和技術特點，分析其參與調峰調頻服務、抑制新能源發電波動、提高新能源消納水平功能效果，分析其中小容量全變頻抽水蓄能機組在省級電網中應用的作用和必要性。

（2）研究國內外全功率變頻器最新的技術發展和技術路線，優選功率器件、變頻器類型及多電平拓撲的集成方案，研究設備內部配置和接線、參數、性能、尺寸、價格等對不同等級和參數的工程的適應性；提出技術可靠、經濟合理的全變頻抽水蓄能機組應用的全功率變頻設備產品技術方案。

（3）結合工程實例及電網要求，研究電力系統發生故障時全功率變頻抽水蓄能機組電壓穿越能力的技術要求以及對全功率變頻抽水蓄能機組勵磁系統的技術要求（如勵磁強勵等）；研究全功率變頻抽水蓄能機組變頻器、調速器系統及和勵磁系統之間的協調控制；對于全功率變頻抽水蓄能機組，由于機組主接線回路中串有變頻器，需進一步研究發變組保護配置方案；分析研究全功率變頻抽水蓄能機組各運行工況的控制流程。

（4）結合工程實例，研究水泵水輪機在抽水工況、發電工況下的轉速調節范圍、運行效率、穩定性等技術參數，發掘其靈活性潛力；結合變頻器技術方案優選電站電氣主接線設計（包括發電機斷路器的設置與否），合理選擇發電電動機在應用全功率變頻技術時的主要技術參數，以優化機組性能；研究新建電站的廠房布置設計和改造電站廠房布置可行的實施方案；對采用全功率變頻技術進行經濟評價。

（5）結合國內外工程應用案例，總結變速抽水蓄能技術的技術路線和當前技術水平，對比研究交流勵磁和全功率變頻兩種類型變速抽水蓄能機組的系統設計、設備配置、工作機理、技術參數和機組調節特性；結合產品和工程研究成果，全面深入評估全功率變頻器設備容量和電壓可拓展的最高可靠水平，進一步研究交流勵磁和全功率變頻變速機組應對不同工程特性參數抽水蓄能電站的技術可行性和經濟合理性，提出科學的應用范疇。

4 結束語

在能源結構由傳統能源轉變為大力發展風電、光伏清潔能源的現階段，提高能源利用效率和提高新能源消納水平、提高電網靈活性和穩定性更成為迫切需求，變速抽水蓄能機組的研究和應用因而成為重要任務。交流勵磁變頻技術的研發和應用已經取得了長足的發展和進步，下一階段應進一步結合國際工程應用經驗，深入研究全功率變頻技術的系統設計、產品設計，合理評估工程投資，為未來抽水蓄能電站的運行優化和建設規劃提供合理、科學的技術支持和經濟評價參考。