交流勵(lì)磁變速抽蓄機(jī)組參與地區(qū)電網(wǎng)二道防線控制的分析

陳 斌

（衢州市衢江區(qū)水利局,浙江 衢州 324002）

抽水蓄能電站能夠在一定程度上緩解電網(wǎng)高峰與低谷之間的供需矛盾,可以承擔(dān)調(diào)頻、調(diào)壓及事故備用等動態(tài)功能。我國已建的抽水蓄能電站是保證電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行的得力工具。本文提出了變速抽蓄機(jī)組主動參與地區(qū)電網(wǎng)第二道防線的控制策略,并仿真驗(yàn)證了其可行性。

1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理分析

1.1 變速抽蓄機(jī)組系統(tǒng)構(gòu)成

交流勵(lì)磁變速抽水蓄能機(jī)組是利用雙饋感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子串入的轉(zhuǎn)差頻率電壓進(jìn)行勵(lì)磁,調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓的幅值、頻率和相位,實(shí)現(xiàn)定子恒頻恒壓輸出。整個(gè)變速抽水蓄能機(jī)組的基本構(gòu)成中,轉(zhuǎn)子由兩個(gè)“背靠背”連接的電壓型PWM變換器進(jìn)行勵(lì)磁。保證能量雙向流動的同時(shí),使輸出定子電壓的幅值、頻率、相位連續(xù)可調(diào),實(shí)現(xiàn)變速抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電狀態(tài)和泵運(yùn)行狀態(tài)的有功無功調(diào)節(jié),并使輸出頻率范圍滿足變速機(jī)組的滑差頻率正負(fù)10%調(diào)速范圍要求。

變速抽蓄機(jī)組的運(yùn)行工況有發(fā)電、抽水、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相、背靠背拖動、黑啟動、線路充電和旋轉(zhuǎn)備用等。各種工況之間的切換可達(dá)20種之多,轉(zhuǎn)換過程也較為復(fù)雜,常用的有3 種工況,即發(fā)電、抽水以及停機(jī)工況,其轉(zhuǎn)換時(shí)間大致從25 s～410 s變化不等。

1.2 雙饋電機(jī)控制原理

雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子由雙PWM變流器進(jìn)行勵(lì)磁控制。而雙饋電機(jī)在三相坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型是非線性、時(shí)變的高階系統(tǒng),采用矢量控制可以實(shí)現(xiàn)一定程度的解耦。利用d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換,使定子三相電流分解為直流勵(lì)磁電流分量和轉(zhuǎn)矩電流分量,調(diào)速時(shí)保持勵(lì)磁電流分量不變,達(dá)到接近直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩控制規(guī)律效果。

d-q坐標(biāo)下轉(zhuǎn)子和定子按電動機(jī)慣例的電機(jī)方程為：

代入（1）（2）得電壓方程為：

轉(zhuǎn)矩方程：

運(yùn)動方程：

雙饋?zhàn)兯俸泐l發(fā)電系統(tǒng)若采用轉(zhuǎn)子磁鏈或氣隙磁鏈定向,則定子有功功率和無功功率的計(jì)算較復(fù)雜,會影響了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)處理。因此采用定子磁鏈定向：

1.3 發(fā)電電動機(jī)控制原理

為了實(shí)現(xiàn)對電機(jī)控制量的準(zhǔn)確控制,需要把電壓、電流從三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系進(jìn)行解耦控制。通常選取d軸為轉(zhuǎn)子的中心軸線,q軸為沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向,且d軸滯后q軸90°,轉(zhuǎn)子以 的角速度與d-q坐標(biāo)系同步旋轉(zhuǎn)。

d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的同步機(jī)組數(shù)學(xué)模型為：

式中：id、iq分別為發(fā)電機(jī)的d軸與q軸電流；Ld、Lq分別為發(fā)電機(jī)的d軸、q軸電感, Ra為定子電阻；e為電頻率,e=npg；np為同步發(fā)電機(jī)組的極對數(shù)；0為磁鏈；ud、uq分別為機(jī)端電壓的d軸、q軸分量。

定義q軸反電勢eq=e0,d軸反電勢ed= 0,令發(fā)電機(jī)d軸和q軸電感相等,則上式可以等效為：

因此,由上式可以進(jìn)一步得到直驅(qū)電機(jī)在dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的等值電路,見圖1。

圖1 發(fā)電電動機(jī)等效電路

1.4 原動機(jī)和調(diào)速器

抽水蓄能機(jī)組原動機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成,見圖2,包括AGC系統(tǒng)、電子調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、引水和泄水系統(tǒng)、水輪發(fā)電機(jī)組和測量元件。

圖2 原動機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)控制原理框圖

電子調(diào)節(jié)器根據(jù)機(jī)組頻率、功率和AGC系統(tǒng)的負(fù)荷給定信號,實(shí)現(xiàn)頻率和功率閉環(huán)調(diào)節(jié),電子調(diào)節(jié)器的輸出被執(zhí)行機(jī)構(gòu)按一定特性轉(zhuǎn)換成主接力器行程偏差,控制機(jī)組功率、轉(zhuǎn)速。

2 抽水蓄能電站的控制作用

2.1 控制策略

在地區(qū)電網(wǎng)第二道防線的應(yīng)用研究上,主要考慮通過變速抽蓄機(jī)組在泵運(yùn)行工況下通過多臺機(jī)組的快速調(diào)節(jié)代替切泵。實(shí)現(xiàn)“以調(diào)代切”的方法應(yīng)用于第二道防線,有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）不損失抽蓄機(jī)組,比故障后抽蓄機(jī)組的再次啟動更加經(jīng)濟(jì)；

（2）有利于故障后無功電壓的快速恢復(fù),由于抽蓄機(jī)組仍然在電網(wǎng)中運(yùn)行,且無功可以獨(dú)立控制,在嚴(yán)重故障后可以向系統(tǒng)提供緊急無功電壓支撐；

（3）功率控制的精細(xì)化,由于變速抽蓄機(jī)組在泵運(yùn)行工況下連續(xù)可調(diào),因此功率控制可以更加精細(xì),而傳統(tǒng)抽蓄機(jī)組切泵的方式則離散度較大。

變速抽蓄機(jī)組在抽水工況下,其有功可根據(jù)外部頻率信號實(shí)現(xiàn)定頻率控制或功率信號實(shí)現(xiàn)定功率控制。這些功能可通過變速抽蓄機(jī)組與穩(wěn)控協(xié)調(diào)配合,作為穩(wěn)控策略的一種新的手段。

2.2 在典型地區(qū)電網(wǎng)中的應(yīng)用仿真

衢江抽水蓄能電站自2018年12月省發(fā)改項(xiàng)目核準(zhǔn)以來,籌建期工程已于2020年7月16日開工,主體工程已完成招投標(biāo)工作, 計(jì)劃2025年3月下水庫開始蓄水,2025年9月上水庫開始蓄水,2026年8月底首臺機(jī)發(fā)電,2027年8月底全部機(jī)組發(fā)電。

在泵運(yùn)行工況下,雙回線路總功率為600 MW,若發(fā)生線路N-1故障,單回線路輸送功率超600 MW,超出熱穩(wěn)極限。如按照常規(guī)處理方式,需要采取切負(fù)荷或切泵措施,而該措施存在切負(fù)荷經(jīng)濟(jì)代價(jià)高、社會影響大、切泵導(dǎo)致系統(tǒng)恢復(fù)緩慢的缺點(diǎn)。而按照本報(bào)告所提出的處理方式,采用“以調(diào)代切”,變速抽蓄機(jī)組迅速回降功率至單臺抽水功率50 MW,可在100 ms內(nèi)迅速將線路功率降至460 MW左右,滿足線路熱穩(wěn)要求。單線輸送功率、變電站220kV母線電壓分別見圖3和圖4。另外,從系統(tǒng)電壓響應(yīng)曲線可以看出,由于采用“以調(diào)代切”的控制策略,保留了變速抽蓄機(jī)組的無功電壓支撐能力,因此通過“以調(diào)代切”可以提升系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性。

圖3 單回線輸送功率

圖4 母線電壓

3 結(jié)語

衢州作為國家生態(tài)文明建設(shè)示范市和浙江“大花園”的核心區(qū),水、光、風(fēng)等可再生能源資源豐富,具有培育壯大清潔能源產(chǎn)業(yè)的良好基礎(chǔ)。謀劃推進(jìn)抽水蓄能電站項(xiàng)目,是深入貫徹落實(shí)黨中央關(guān)于碳達(dá)峰碳中和決策部署、扎實(shí)推動共同富裕示范區(qū)建設(shè)的重大舉措,對于擴(kuò)大有效投資、穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)增長具有重要意義。各地各部門要提高思想認(rèn)識,堅(jiān)持系統(tǒng)思維,完善工作機(jī)制,進(jìn)一步強(qiáng)化責(zé)任意識、服務(wù)意識,全力支持、全力保障項(xiàng)目建設(shè),及時(shí)協(xié)調(diào)解決項(xiàng)目推進(jìn)中遇到的問題,確保在建項(xiàng)目加快進(jìn)度,謀劃項(xiàng)目做實(shí)前期,同時(shí)搶抓政策“窗口期”,積極向上對接,爭取更多項(xiàng)目納入國家和省規(guī)劃盤子,加快推動經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展全面綠色低碳轉(zhuǎn)型,率先走出生態(tài)優(yōu)先、綠色低碳的高質(zhì)量發(fā)展之路。

本文提出了變速抽蓄機(jī)組主動參與地區(qū)電網(wǎng)第二道防線控制策略,并基于該策略校核變速抽蓄機(jī)組容量的適應(yīng)性,給出了詳細(xì)的研究思路。基于典型地區(qū)電網(wǎng)的仿真結(jié)果表明：通過變速抽蓄機(jī)組主動參與地區(qū)電網(wǎng)第二道防線控制,可以很好地提升地區(qū)電網(wǎng)安全、穩(wěn)定性。另外,從地區(qū)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的分析結(jié)果表明,典型地區(qū)電網(wǎng)變速抽蓄機(jī)組300MW的容量可以滿足該典型地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性需求。綜上所述,無論是從碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的需要,還是從浙江省電力發(fā)展的需要,從電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行要求考慮,建設(shè)衢江抽水蓄能電站是十分必要的,也是經(jīng)濟(jì)合理的。