全功率變速抽水蓄能機組用于提升電網頻率穩定性控制策略研究

陳 超，汪衛平，劉海濱，邱雪俊，陳 磊

（華東瑯琊山抽水蓄能有限責任公司，安徽省滁州市 239000）

0 引言

近年來，隨著風電、光伏發電等間歇性可再生能源的大規模接入，在電網中所占比例日益增大，這給電網的安全穩定運行提出了很大的挑戰[1]，電網頻率控制尤其是夜間頻率控制變得更加困難[2-3]。電網頻率控制的高要求與頻率控制手段匱乏特別是精細化控制手段匱乏形成一對矛盾。

抽水蓄能電站在調峰填谷、保障電網穩定運行方面作用突出[4-5]，但傳統的定速抽水蓄能機組在水泵工況只能滿負荷抽水，不能根據系統需要進行功率調節，因此無法滿足電網快速、準確進行電網頻率調節的要求。而可變速機組與定速機組相比，最大的區別在于機組能在額定同步轉速附近的一定范圍內無級變速運行，實現抽水功率可調，無論是提高電網安全穩定運行水平還是提高資源利用率，均具有現實意義。

變速抽水蓄能機組根據拓撲差異可以分為全功率型和雙饋型兩種。前者通過背靠背交直流變流器接入電網，其變流器容量通常與機組容量相近。隨著大功率電力電子器件技術的發展，國內變速抽水蓄能機組技術得到了很大的發展。文獻[6]研究了雙饋型變速抽水蓄能機組建模方法，重點分析了水輪機的模型。文獻[7]同樣基于雙饋型變速抽水蓄能機組提出基于PID控制的虛擬慣性控制策略。文獻[8]研究了全功率變速抽水蓄能機組平抑新能源功率波動控制方法。上述研究成果為變速抽水蓄能機組的理論和應用研究提供了良好的基礎，但在變速抽水蓄能機組參與電網安全穩定控制策略方面還有待進一步深入。

本文針對全功率變速抽水蓄能機組的快速調節特性，研究其用于提升電網頻率穩定性的綜合有功控制策略。首先，基于對全功率變速抽水蓄能機組的數學模型分析，在機電暫態仿真軟件DIgSILENT中搭建了100MW全功率變速抽水蓄能機組模型，并驗證其有功功率快速調節特性。其次，針對變速抽水蓄能機組的快速調節能力，提出了全功率變速抽水蓄能機組參與電網頻率調節的綜合控制策略，包括參與電網正常一次調頻及緊急情況下有功—頻率控制策略。最后，基于搭建的典型電網模型，驗證了本文所提出的有功綜合控制策略。結果表明：全功率變速抽水蓄能機組通過快速的功率調節和頻率響應，能夠顯著提升系統的頻率穩定性。

1 全功率變速抽水蓄能機組數學模型

對于全功率變速抽水蓄能機組的并網變流器，目前也較多采用雙PWM背靠背式結構，分別由網側逆變器和機側整流器組成。如圖1所示給出了全功率變速抽水蓄能機組發電系統的拓撲結構。

1.1 水泵水輪機

發電工況下，水泵水輪機與常規水電機組的水輪機控制類似，通過導水葉開度的調節實現功率的調節，其數學模型如圖2所示。

圖1 全功率變速抽水蓄能機組拓撲結構Figure 1 Topological structure of FSC-VSPS

圖2 水輪機模型控制框圖Figure 2 Control block diagram of hydraulic turbine model

而在電動工況下，水泵水輪機工作在水泵狀態，其入力與轉速呈三次方關系[9]，通過轉速的調節，可實現水泵抽水功率的調節。

1.2 機側變流器

機側變流器直接與機組相連，其外環控制根據控制目標的不同，可以分為有功類控制和無功類控制。對于有功類控制，通常采用定直流電壓控制，其主要目標為控制機側變流器、網側變流器功率的平衡。而對于無功類控制，可采用定交流電壓控制，以維持機端電壓穩定，其控制框圖如圖3所示。

圖3 機側變流器控制框圖Figure 3 Control block diagram of side converter

其中，VAC、VACref分別為機端母線電壓實測值、參考值；Vdc、Vdcref分別為直流母線電壓實測值、參考值。

1.3 網側變流器

網側變流器直接與外電網相連，與機側變流器類似，通過有功、無功解耦控制可以實現有功類控制和無功類控制，且在發電、抽水工況下可以實現四象限運行。對于有功類控制，通常采用定有功功率控制，而對于無功類控制，可采用定交流電壓或定無功功率控制，其控制框圖如圖4所示。

其中，P、Pref分別為網側有功功率實測值、參考值；Q、Qref分別為網側無功功率實測值、參考值；VAC、VACref分別為交流母線電壓實測值、參考值。

圖4 網側變流器控制框圖Figure 4 Control block diagram of grid side converter

2 全功率變速抽水蓄能機組功率調節特性研究

基于上述基本控制理論，在DIgSILENT軟件中分別搭建全功率變速抽水蓄能機組發電和抽水工況下機電暫態模型，其容量為100MW，機端母線電壓為10.5kV，額定頻率為50Hz。下面分別基于發電工況、抽水工況仿真全功率變速抽水蓄能機組響應功率調節指令情況。

2.1 發電工況

在正常運行時，全功率變速抽水蓄能機組工作在發電工況，發電功率90MW，在0.5s發出功率指令由90MW階躍至100MW，其有功功率響應曲線如圖5所示。可以看出，發電工況下，變速抽水蓄能機組功率響應在0.1s左右即可達到目標值。

圖5 發電工況有功功率響應Figure 5 Active power response in generating mode

2.2 抽水工況

在正常運行時，泵功率為滿功率抽水100MW，在0.5s發出功率指令由100MW下階躍至90MW，其有功功率響應曲線如圖6所示。可以看出，抽水工況下，全功率變速抽水蓄能機組功率響應在0.1s左右即可達到目標值。

由上述分析可知，全功率變速抽水蓄能機組在發電、抽水兩種工況下均具備快速功率響應能力，且通過電力電子接口可實現非同步轉速運行，提高機組在不同水頭、流速下的運行效率。

3 參與電網頻率調節控制策略研究

3.1 參與電網一次調頻控制

對于常規機組，如運行在泵工況，其輸出功率無法響應電網頻率變化。相比于常規抽水蓄能機組，全功率變速抽水蓄能機組在發電、抽水工況下均具備快速響應能力[9-10]，且實現了輸出功率與電網頻率的解耦控制，因此，可以很好地應用于參與大電網頻率調節，提升系統頻率穩定性。

圖6 抽水工況有功功率響應Figure 6 Active power response in pumping mode

通過對外環功率控制指令進行附加控制，提出基于全功率變速抽水蓄能機組的有功—頻率控制策略，其控制框圖如圖7所示。附加功率控制指令滿足由式（1）得到：

其中，fref、f、Δf分別為電網頻率基準值、測量值、頻率偏差量，db為死區環節輸出，Kd、KdrooP分別為虛擬慣性系數、頻率下垂控制系數。由于采用電力電子接口并網，全功率變速抽水蓄能機組無法對電網提供慣性支撐，因此，通過添加虛擬慣性控制環節，使全功率變速抽水蓄能機組具備一定的慣量支撐能力。

圖7 一次調頻控制框圖Figure 7 Primary frequency control block diagram

3.2 參與電網緊急頻率控制

對于一些分層分區相對明確的地區電網，一旦500kV主變壓器出線N-2或者進線故障，可能造成局部孤網的現象，引起局部電網的頻率穩定問題。為了維護緊急情況下的系統頻率穩定，常規的第三道防線控制措施主要包括主動解列、負控系統快速減負荷、優化全網低頻減載配置等措施，降低大面積停電風險。

基于以上背景，本文提出全功率變速抽水蓄能機組參與電網緊急頻率控制策略。

在發電運行工況下，如果頻率跌落到一定邊界（如49.9Hz）時，開始發電機功率的快速調節，增加變速抽水蓄能機組的發電機功率至最大水平，如果頻率繼續下降則維持最大功率，如果頻率恢復，發電機功率也恢復到故障前水平，如果頻率高于50.1Hz，則將發電機功率降低至最小功率，經ts延時后，如果頻率恢復，同時也將功率恢復至故障前水平。如果頻率繼續升高，則在高周切機第一輪次（50.6Hz）直接切除機組。因此，在緊急情況下，考慮首先通過變速抽水蓄能機組的快速調節，對電網提供支撐。結合變速抽水蓄能機組功率調節后系統的頻率情況，進一步判斷是否需要切機或切泵。其控制策略如圖8所示。

圖8 發電工況緊急頻率控制策略Figure 8 Emergency frequency control strategy in generating mode

在泵運行工況下，如果頻率跌落到一定邊界（如49.9Hz）時，開始負荷功率的快速調節，降低變速抽水蓄能機組的負荷至最小負荷水平，如果頻率繼續下降至低頻減載第一輪次，如49Hz，則直接將泵切除。如果頻率高于50.1Hz，則將泵功率增加至最大功率，經ts延時后，如果頻率恢復，同時也將功率恢復至故障前水平。如果頻率沒有恢復，則維持泵運行的最大功率。其控制策略如圖9所示。

4 算例仿真

4.1 算例介紹

基于DIgSILENT/PowerFactory軟件，搭建含100MW全功率變速抽蓄機組的地區電網仿真模型，其單線圖如圖10所示。該電網包含1個容量120MW的雙饋風電場。全功率變速抽蓄機組可工作于發電、抽水2種工況。

圖9 抽水工況緊急頻率控制策略Figure 9 Emergency frequency control strategy in pumping mode

圖10 測試系統單線圖Figure 10 Single line diagram of test system

4.2 發電工況

正常情況下，變速抽水蓄能機組工作于發電工況，發電功率為80MW，分別驗證上述控制策略的有效性。

第2s時刻系統發生負荷階躍（突增70MW），分別仿真變速抽水蓄能機組在有、無一次調頻功能情況下系統頻率響應情況，如圖11所示。可以看出，通過變速抽水蓄能機組的快速調節，能夠顯著提升系統頻率穩定性。

圖11 發電工況系統頻率響應對比Figure 11 System frequency response comparison in generating mode

圖12 發電工況系統頻率響應對比Figure 12 System frequency response comparison in generating mode

進一步地，仿真系統第2s發生負荷跳閘故障（損失功率90MW），基于上述緊急頻率控制策略，需采用快速回降發電功率并最終切機。下面分別仿真比較以下3種情況下系統頻率響應情況：

（1）無措施；

（2）僅快速回降發電功率；

（3）快速回降發電功率+切機。

系統頻率曲線如圖12所示。可以看出，采用綜合頻率控制策略，能夠顯著提升系統發生大擾動情況下的頻率穩定性。而采用僅回降發電功率措施下，系統恢復頻率較高，需要進一步采取切除其他常規機組等措施。

4.3 抽水工況

正常情況下，變速抽水蓄能機組工作于抽水工況，發電功率為80MW，分別驗證上述控制策略的有效性。

第2s時刻系統發生負荷跳閘（功率50MW），分別仿真變速抽水蓄能機組在有、無一次調頻功能情況下系統頻率響應情況，如圖13所示。可以看出，通過變速抽水蓄能機組的快速調節，能夠顯著提升系統頻率穩定性。

圖13 抽水工況系統頻率響應對比Figure 13 System frequency response comparison in pumping mode

進一步地，仿真系統第2s發生機組跳閘故障（損失功率120MW），基于上述緊急頻率控制策略，需采用快速回降抽水功率并最終切泵。下面分別仿真比較以下3種情況下系統頻率響應情況：

（1）無措施；

（2）僅快速回降抽水功率；

（3）快速回降抽水功率+切泵。

系統頻率曲線如圖14所示。可以看出，采用綜合頻率控制策略，能夠顯著提升系統發生大擾動情況下的頻率穩定性。而采用僅回降抽水功率措施下，系統恢復頻率較高，需要進一步采取切負荷等其他措施。

圖14 抽水工況系統頻率響應對比Figure 14 System frequency response comparison in pumping mode

5 結束語

本文研究了利用全功率變速抽水蓄能機組提升系統頻率穩定性的有功綜合控制策略。基于測試系統的仿真驗證結果表明：全功率變速抽水蓄能機組具備快速功率響應能力，可有效提升系統在不同程度擾動下的頻率穩定性。