全功率變頻抽水蓄能機組在局部電網(wǎng)應(yīng)用模擬分析

葉 宏，孫 平，王婷婷，梁國輝，畢 旭，李赫明，康 旭

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；2.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京市 100024，3.國網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，唐山市 064309）

0 引言

傳統(tǒng)的抽水蓄能電站大多采用定速機組，抽水工況下輸入功率不能調(diào)節(jié)，不能滿足電網(wǎng)快速、準(zhǔn)確調(diào)整電網(wǎng)頻率的要求，無法為大規(guī)模新能源接入提供更強的靈活性。發(fā)電工況下，電站上、下水庫水位同時變化，水頭也跟著變動，最佳發(fā)電效率時的轉(zhuǎn)速隨之變動。因此，抽水機組需要變速運行。可變速抽水蓄能技術(shù)能夠通過調(diào)節(jié)水輪機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在水泵（抽水）工況和水輪機（發(fā)電）工況下都實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的功率快速調(diào)節(jié)，能夠提高機組水頭適用范圍，從而提高電站的運行效率，大大提升了抽水蓄能機組的靈活性和使用率，為電網(wǎng)提供了更好的支撐作用，并支撐新能源并網(wǎng)和高比例消納[1]。

全功率變頻技術(shù)應(yīng)用于抽水蓄能機組中，對于提高電網(wǎng)運行靈活性，助力消納高比例的再生能源具有重要意義。全功率變頻蓄能機組已在瑞士和奧地利投產(chǎn)，世界第一個全功率變頻抽水蓄能工程是60MW，在已有的發(fā)電機和電網(wǎng)之間增加變頻器，實現(xiàn)在更大水頭范圍內(nèi)的運行。瑞士Grimsel的100MW全功率變頻機組也投入了正式運行[2]。目前，國內(nèi)春廠壩電站5MW全功率變頻調(diào)速抽水蓄能機組示范項目，研制了國內(nèi)首臺微小型全國產(chǎn)化全功率變頻調(diào)速機組成套設(shè)備，對小容量抽水蓄能機組采用全功率變頻調(diào)速技術(shù)以及其在新型電力系統(tǒng)中的調(diào)控方式進行探索。

1 全功率變頻抽水蓄能機組技術(shù)

抽水蓄能電站的作用主要有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等。與傳統(tǒng)的定速機組相比，變速機組能夠完成無級調(diào)節(jié)，能夠提高系統(tǒng)運行靈活性，利于電網(wǎng)安全和穩(wěn)定運行；同時能夠改善水輪機水力特性，減少空蝕、振動及泥沙磨損等，增大運行范圍，從而提高機組運行的穩(wěn)定性[3]。

目前由于變頻器容量小，變速抽水蓄能機組均采用雙饋變速機組，但受雙饋機組轉(zhuǎn)子設(shè)計的限制，其轉(zhuǎn)速無法匹配泵用水輪機的最優(yōu)速度。此外，機組啟動程序復(fù)雜，還需用水輪機進行抽水，無法滿足電網(wǎng)需求。因此，全功率變流器同步電機成為未來發(fā)展趨勢[4]。

全功率變流器是在發(fā)電機的定子和電網(wǎng)之間連接一臺變頻器，把不同頻率和電壓的功率轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)電壓、頻率相同的功率，然后輸入電網(wǎng)。在規(guī)模比較小的水電站中，全功率變頻結(jié)構(gòu)的抽水蓄能一般更優(yōu)于雙饋類型的抽水蓄能，因為變頻器容量相對比較小。

該技術(shù)部分隔離發(fā)電機與電網(wǎng)，使電動機調(diào)速范圍更寬，電網(wǎng)異常及故障情況下具有更強的兼容性，對現(xiàn)有抽水蓄能電站機組改造成全功率變流器變速機組帶來方便，說明全功率運行方式的優(yōu)越性。但是由于發(fā)電機與電網(wǎng)分離，發(fā)電機的速度和頻率變化幅度較大。

但變頻器容量是與發(fā)電機1:1匹配容量的，造價相對較貴，在目前技術(shù)條件下應(yīng)用于大容量時不太經(jīng)濟；換流器的損耗也比較大；同步電機的轉(zhuǎn)子損耗比同容量雙饋電機低。考慮到較高的換流器損耗，全功率變頻類型的變速抽水蓄能效率整體上比雙饋類型的低。這些因素限制了100MW以上的全功率變頻類型變速抽水蓄能的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進步和換流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的發(fā)展，可以提高該限制。

因此，隨著新型電子設(shè)備價格逐漸降低，使得變流器在投資中的占比逐漸降低，雙饋變速機組投資小的優(yōu)勢將會越來越小。因機組具有可變轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)較為平滑，減少摩擦損失，降低水流對水輪機的損壞，降低機組維修成本。因此，無論是新建電站，還是改造現(xiàn)有抽水蓄能機組，全功率變流器都具有優(yōu)越性。全功率變頻蓄能機組具備五方面的優(yōu)勢[5][6]，分別為：

（1）擴大調(diào)節(jié)范圍，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性：水泵工況時，機組能實現(xiàn)更大范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)速變化和功率調(diào)節(jié)，從而提高抽水運行的靈活性；通過自適應(yīng)頻率控制，能夠保持穩(wěn)定的電網(wǎng)頻率，并快速進行有功功率響應(yīng)；能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬同步機功能，避免機組水力振動等因素對電網(wǎng)的影響，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（2）補償與吸收系統(tǒng)無功：能夠快速補償、吸收電網(wǎng)中各種運行狀態(tài)，甚至停機狀態(tài)下的無功補償，降低電網(wǎng)的電能損耗；并能實現(xiàn)與風(fēng)電場配套完成無功補償。

（3）實現(xiàn)快速機組啟停，提高運行效率：機組不設(shè)水泵工況啟動裝置，由于保留了低轉(zhuǎn)速下的較大力矩，理論上可直接由低轉(zhuǎn)速啟動；在發(fā)電工況下，可通過調(diào)速使水輪機處于最佳運行狀態(tài)，特別是在低水頭、部分負(fù)荷運行工況下運行效果較為明顯。

（4）部分解耦發(fā)電機和電網(wǎng)：限制電網(wǎng)側(cè)的故障電流，使發(fā)電機不因電網(wǎng)故障，而失去同步。

（5）提高可再生能源消納能力：抽水狀態(tài)下的電力變化可以實現(xiàn)較大范圍的變化，從而使可再生能源的不穩(wěn)定和富裕出力得到消納。

2 風(fēng)光蓄配套局部電網(wǎng)模擬模型構(gòu)建

根據(jù)定速型和變速型抽水蓄能機組的運行特性，從單機及多機聯(lián)合出力約束、抽發(fā)電量平衡約束和水庫蓄水量約束等方面展開研究。在此基礎(chǔ)上，研究抽水蓄能聯(lián)合風(fēng)光火運行，以促進風(fēng)光消納為目標(biāo)，運用生產(chǎn)運行模擬的方法優(yōu)化抽水蓄能運行曲線[7-8]。

根據(jù)抽水蓄能機組出力特性，得到抽水蓄能機組聯(lián)合出力模擬特性如下所示：

其中，Pf,i,j×Pc,i,j=0。

式中：Pf,i,j——第i天j時刻的抽水蓄能機組發(fā)電功率（為正值）；

Pc,i,j——第i天j時刻的抽水蓄能機組抽水用電功率（為負(fù)值）；

N——機組臺數(shù)；

PN——單臺抽水蓄能機組的裝機容量。

抽水蓄能電站在任意時刻的水位需滿足上下水庫庫容約束，通過模擬運行進行方案比較，以達(dá)到系統(tǒng)破壞率最小。目標(biāo)函數(shù)：

式中：t——模擬時段；

Xi——i電站（風(fēng)電、光伏）的出力；

Yi——i抽水蓄能機組的出力；

Ii——0、1變量；

Si——負(fù)荷需求。

3 全功率變頻抽水蓄能機組在局部電網(wǎng)應(yīng)用模擬分析

由于大電網(wǎng)電源結(jié)構(gòu)復(fù)雜，全功率變頻抽水蓄能機組對系統(tǒng)的作用難以量化，故本次研究考慮先在風(fēng)光蓄局部電網(wǎng)中分析全功率變頻抽水蓄能機組的作用，在滿足系統(tǒng)出力要求的基礎(chǔ)上，通過模擬運行進行比較，確定出破壞率最小的方案（見圖1）。

圖1 模擬分析邏輯框架Figure 1 Simulation analysis logic framework

3.1 基本條件假定

（1）局部電網(wǎng)。

假設(shè)某局部電網(wǎng)要求抽水蓄能電站功率值在-1500～1500MW之間進行靈活調(diào)節(jié)；同時電網(wǎng)中配有9300MW的風(fēng)電和光伏，只有采用抽水蓄能電站與之配合，才能滿足100%采用可再生能源的要求。

（2）機組出/入力。

抽水蓄能電站定速機組單機容量為300MW，全功率變頻機組為100MW。根據(jù)目前水泵水輪機機組的技術(shù)特性，假定機組抽水與發(fā)電的出力與入力[9-10]：

推薦理由:全書用指南的內(nèi)容結(jié)構(gòu)，考察筆記似的敘述，再配上作者這幾年在北極拍攝的圖片，將北極地區(qū)的風(fēng)物人情展現(xiàn)在讀者面前，系統(tǒng)介紹了地處北極腹地的斯瓦爾巴群島環(huán)境，以及那里的動物、植物、地貌和人類歷史遺跡，作者力求以客觀的筆觸，為讀者揭開這片神奇島嶼的面紗，帶讀者走進那片屬于北極熊的土地。

1）定速機組發(fā)電出力變化范圍取50%～100%，即可調(diào)節(jié)范圍150～300MW；抽水入力不可調(diào)，為-300MW。

2）全功率變頻機組發(fā)電出力變化范圍取20%～100%，即可調(diào)節(jié)范圍20～100MW；抽水入力變化幅度為60%～100%，即可調(diào)節(jié)范圍-100～-60MW。

3）假定發(fā)電工況時，定速機組和變速機組在正常運行的任何水頭下，均能以其出力變化范圍內(nèi)的任何出力發(fā)電；假定抽水工況時，機組在正常運行的任何揚程下，均能以其入力變化范圍內(nèi)的任何入力抽水。

（3）考慮最大幅度配合局部電網(wǎng)，當(dāng)定速機組能夠滿足系統(tǒng)出力要求時，優(yōu)先調(diào)用定速機組。

（4）出/入力擬合區(qū)間。

抽水蓄能在局部電網(wǎng)中運行出力區(qū)間為0～1500 MW，入力區(qū)間為0～1500 MW，實際運行出力曲線擬合范圍在 -1500 ～ 1500 MW。

3.2 全功率變頻機組對電網(wǎng)的配合能力及效果分析

3.2.1 方案1

發(fā)電工況：單臺定速機組發(fā)電最小出力值150MW，5臺定速機組發(fā)電出力區(qū)間為150～1500MW。

抽水工況：定速機組抽水入力不可調(diào)節(jié)，只能以-300MW、-600MW、-900MW、-1200MW、-1500MW這5個功率抽水。

方案1發(fā)電的死區(qū)（抽水蓄能電站無法匹配的功率區(qū)間）為0～150MW，抽水除了-300MW、-600MW、-900MW、-1200MW、-1500MW以外均為死區(qū)。

3.2.2 方案2

發(fā)電工況：全功率變速機組發(fā)電最小出力值為20MW，因此，6臺變速機組+3臺定速機組方案發(fā)電可以給出的出力區(qū)間為20～1500MW。

抽水工況：一臺變速機組抽水的功率區(qū)間為-60～-100MW，經(jīng)過變速機組與定速機組的組合，6臺變速機組+3臺定速機組方案抽水的功率區(qū)間為-60～-100MW，-120～-1500MW。

方案2的發(fā)電死區(qū)為0～20MW，抽水死區(qū)為-60～0MW，-100～-120MW。

3.2.3 實際功率曲線的擬合及結(jié)果分析

以各機組臺數(shù)方案理論功率分析為基礎(chǔ)，分別對5臺定速機組、6臺變速機組+3臺定速機組2個機組臺數(shù)方案進行配合局部電網(wǎng)運行的實際功率曲線擬合。成果見表1～表3。

表1 抽水蓄能配合局部電網(wǎng)7月實際功率 曲線擬合成果Table 1 Fitting results of actual power curve of pumping storage combined with isolated grid in July

表2 抽水蓄能配合局部電網(wǎng)12月實際功率曲線擬合成果Table 2 Fitting results of actual power curve of pumping storage combined with isolated network in December

表3 抽水蓄能配合局部電網(wǎng)全年8760h實際功率曲線擬合成果Table 3 Fitting results of 8760 hour actual power curve of pumping storage combined with isolated network in the whole year

經(jīng)分析，方案1抽水工況下的配合能力低于0.4%。考慮局部電網(wǎng)對抽水蓄能電站的功率需求，模擬運行抽水蓄能電站實際的功率過程，發(fā)現(xiàn)冬季新能源波動較大，對蓄能電站的調(diào)用更為復(fù)雜，方案1的實際功率對局部電網(wǎng)需求的功率來說破壞率達(dá)到50%，隨著全功率變頻機組的投入運行，抽水蓄能配合局部電網(wǎng)運行出力值落入死區(qū)的概率逐漸降低，相應(yīng)可擬合的概率逐漸升高，若投入6臺全功率變頻機組（單機100MW）后破壞率下降到8%左右。

在7月份選取一個典型日，抽水蓄能各變速機組臺數(shù)方案配合局部電網(wǎng)的實際功率曲線分別見圖2。

由圖2、圖3可以看出，在抽水工況，5臺定速機組方案只能以-300MW的整數(shù)倍進行抽水；6臺變速機組+3臺定速機組方案擬合效果明顯好于5臺定速機組方案，基本與目標(biāo)出力線重合。

圖2 5臺定速機組方案典型日抽水蓄能模擬分析成果Figure 2 Typical daily pumping and storage simulation analysis results of 5 constant speed units

圖3 6臺全變（600MW）+3臺定速機組（900MW）典型日模擬分析成果Figure 3 Typical daily simulation analysis results of 6 full transformers （600MW）with 3 constant speed units （900MW）

因此，隨著全功率變頻機組的投入運行，抽水蓄能配合局部電網(wǎng)運行出力值落入死區(qū)的概率逐漸降低，相應(yīng)可擬合的概率逐漸升高，若投入6臺全功率變頻機組（單機100MW）后破壞率下降到8%左右。

從抽水蓄能配合局部電網(wǎng)系統(tǒng)運行來看，隨著變速機組臺數(shù)的增加，調(diào)節(jié)范圍更廣，但受變速機組出力/入力變化調(diào)節(jié)范圍的影響，全功率變頻機組方案投入后死區(qū)范圍會明顯變小。調(diào)整區(qū)間較大，則抽水蓄能電站對局部電網(wǎng)系統(tǒng)電力需求的擬合程度越好，越能減少破壞次數(shù)。

4 結(jié)論

在我國能源結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)能源向風(fēng)電、光伏發(fā)電等清潔能源轉(zhuǎn)型時期，在以新能源為主的新型電力系統(tǒng)中，提高新能源消納水平，提高電網(wǎng)的靈活性和穩(wěn)定性，顯得尤為緊迫。交流勵磁變頻技術(shù)的研究與運用有了較大的發(fā)展進步，全功率變頻技術(shù)的不斷發(fā)展與工程實踐為變速抽水蓄能電站的發(fā)展和推廣提供了又一條切實可行的技術(shù)途徑。通過對全功率變頻系統(tǒng)設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計的深入分析，對工程的投入和經(jīng)濟效益進行合理的評估，可以為今后的工程規(guī)劃和運營提供科學(xué)的技術(shù)支撐。