大規模風電并網下的抽水蓄能機組調頻控制的研究

中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司 蔡穎倩

風力發電類型主要有離網型發電、并網型發電。所謂的并網發電，是指利用大規模風力發電廠以及大量風電機實現電力系統介入發電，既能增加供電量、提高風力資源利用率，又能降低發電成本，確保發電企業擁有可觀效益，因此大規模風電并網項目的推進確實具備很有必要。而抽水蓄電機組調頻控制的應用，可實現電力系統中負荷側與發電側均衡分布。一旦遭受風電波動時，能夠經由調頻控制操作，重新調整電力頻率，以免電力系統遭受損壞。

在大規模風電并網中，因抽水蓄能機組調頻控制方式優勢顯著，能隨時根據風電功率變化規律展現調節效能，從而保證短時功率波動問題得到妥善處置，保障電力系統穩定運行。此外，此種調節方式的應用，要想應對水利系統復雜條件，提高機組控制水準，需加強調頻控制的優化改造，這樣方可在提升調頻性能前提下，削弱風電功率波動的危害。基于此，理應圍繞抽水蓄能機組調頻控制的特征，提出可行性優化思路，借此體現出它的現實意義。

1 大規模風電并網下棄風形成機理

在大規模風電并網下之所以會產生棄風，是因為電力系統調頻能力薄弱，或電力系統故障及輸電能力較差等。為進一步體現出風電并網項目的可行性，充分利用風能轉化電能，滿足當前用電需求，還需結合棄風形成機理，針對抽水蓄能機組調頻控制模式的應用成果予以優化，便于在新型調頻控制方法下，電力系統能夠持久保持均衡穩態。依據調頻控制能力薄弱形成棄風的具體原因，在為風電并網系統采用抽水蓄能機組時，應盡量減少棄風形成容量，就此精準評估風力發電實效性。

從目前我國風電發電項目分布區域進行分析，風能本身具備隨機性，且風能產生量與日照條件存在密切相關性。即晝夜風能產生量差異明顯，就此引起了風能發電負荷波動明顯。此時需依靠機組系統予以調控，以此抑制棄風的形成。參照圖1可知：在風電棄風產生的陰影區域，在機組運行時上調旋轉備用量能夠隨著移動，轉而向風電接納空間轉移，從而表明棄風的形成不利于改善風電并網項目的發電質量。要想切實處理棄風問題，理應從上調可用調峰容量方面，優化系統運行狀態。而在大規模風電并網項目中，加強對抽水蓄能機組調頻控制的優化設計，能夠切實實現風能的高效利用[1]。

圖1 棄風形成機理曲線圖

2 大規模風電并網下抽水蓄能機組調頻控制優化方法

2.1 建立調頻控制優化模型

針對大規模風電并網下抽水蓄能機組的調頻控制進行優化，可更好的利用其調峰填谷、調頻調相等功能。基于系統調峰角度，建立調頻控制優化模型。抽水蓄能機組多為可逆式機組，有著較為靈活的運行方式。抽水蓄能機組的運行約束主要與自身固有特性有關，同時受到運行條件的限制。建立調頻控制優化模型的過程中，應該充分考慮各類運行約束。

抽水蓄能機組的運行狀態以布爾變量xk,j,t、yk,j,t表示。抽水蓄能機組處于發電、抽水等運行狀態，有著具體的功率限制。抽水蓄能電站需要定期進行調節，在不同的調節周期應保障水庫蓄水的平衡，明確其蓄能約束以及各時間段的蓄能變化情況，了解水庫蓄能值（最大值、最小值）、水位（最高、最低）、發電和抽水效率（水輪機）、出力優化的時段間隔。在實際的運行過程中，無同時發電和抽水的情況。抽水蓄能機組的工作運行過程中，能夠快速進行機組啟停、工況轉換等方面的調節響應。

火電機組的出力及爬坡約束，需考慮到出力限制、最小運行時間、最小停運時間等因素。在調頻控制優化模型中，應具體了解火電機組功率、機組爬坡功率的上限和下限。在優化模型中求解系統潮流，并考慮到電網線路傳輸容量限制的影響。應用直流潮流模型，根據其電網傳輸容量約束，探究抽水蓄能機組調頻控制策略。根據優化模型中的各類約束，具體了解電力系統風電棄風的影響因素。在抽水蓄能電站中，完成調峰運行，可有效減少系統風電棄風。在優化模型求解的過程中分析模型約束條件，應用布爾變量表示系統狀態。在求解結果中，能夠了解風電并網系統棄風量，并可得到最優運行出力。調頻控制優化模型的應用可有效解決風電棄風問題，為大規模風電并網下抽水蓄能機組調頻控制的優化提供重要的支持。

2.2 依托魯棒原理生成魯棒控制器

結合抽水蓄能機組調頻控制特點，它主要是通過減載運行的形式實現電力功率的合理調節。但考慮到傳統調頻控制方法很難達到連續調控效果，從而引起風能損耗。因此在改造設計中可依托魯棒原理科學設計魯棒控制器，由此輔助抽水蓄能機組，實現電力系統頻率的優化條件。同往日常用的同步發電機組方式，抽水蓄電機組顯然更具優勢。若能充分結合魯棒原理理論生成魯棒控制器，可從中應對原有調頻控制結果的不確定風險。

具體可參照下屬關系式求取最優解。即‖TWZ‖式中W、z、y 以及TWZ（s）均代表系統輸入、輸出測量以及性能指標、閉環傳遞函數等。如能設計適合的魯棒控制器，可避免調頻控制系統在發揮效能時受外界環境影響而增大偏差。因此應圍繞魯棒原理理論設計魯棒控制器[2]。

首先，在設計魯棒控制器時，應先行了解魯棒控制器運行思路，而后選定適合的應用軟件，并進入建模等環節。魯棒控制器要求在設計后能夠針對系統參數進行精準采集，并結合系統模型借助計算軟件求解，以便在實際應用中能夠有效掌握電力頻率波動情況。

其次，應根據電力系統的運行流程，為其設置魯棒控制器的應用流程框架。其中在電力網絡與火電機組、抽水蓄能機組間建立對應關系，使其在魯棒控制器干預下實現電能的良性循環。而對于期間產生的電力波動負荷，應通過電力網絡進行有效轉換與控制。在建模階段，模型中還要設置控制對象與外部擾動模塊。基于功率與頻率相互表達關系設計調頻控制回路，在此回路中多分布著壓力管道、發電機與調速器等組件，在建模后可參照抽水蓄能機組調頻控制標準加以優化，且無需改造部件結構。

最后，需根據風電出力特性設計魯棒控制器。其中在電力系統運行中，風能的介入能改變電力系統頻率，而抽水蓄能機組可起到調頻控制作用。在利用線性矩陣不等式關系設計魯棒控制器時，還可依靠頻率波動值與風電出力擾動值自主建成魯棒控制器，用于輔助調頻控制系統，支撐大規模風電并網項目的廣泛發電。

2.3 推行風電波動調節模式

在大規模風電并網下應用抽水蓄能機組能有效實現調頻控制，經過對電能的合理存儲與使用能產生調峰效果。由于在風電并網項目建設中要求調頻電源更加靈活，所以針對抽水蓄能機組性能予以優化，能滿足調頻需求。為進一步改善電網運行質量，可利用風電波動調節模式，積極應對調頻控制環節產生的各種風險。本次研究中具體以兩種不同的抽水蓄能機組調峰能力的比對，確定適合應用在大規模風電并網環境中的機組類型。

第一種是三機式機組，是以同軸設計的形式保持系統頻率的合理調控。在水泵以及沖擊式水輪機的協同運行階段能產生回流情況。在對風力發電系統產生的富余電能進行利用時，能通過水輪機等組件的運作消耗電能，由此為電力系統進行調頻控制。此種類型的抽水蓄能機組面對不同工況，轉換時間與常規機組存在一定差異。其中在由靜止向水泵轉換工況中，三機式機組需要80s 的轉換時間，照比常規機組能夠提前260s。而由調項至水輪機工況轉換時其轉換時間為20s，比常規機組提前50s。由此證實此類機組的應用確實能夠達到顯著的調頻控制效能，且可減少因長時間轉換形成的能耗量。

第二種是變速式機組，在運行期間借助電子器件能增加響應速度，保持電網系統穩態運行。與常規機組比較也有著突出的調頻控制作用。而對比上述兩組機組，可發現前者明顯需要的轉換周期更短。在相同工況下，變速式機組與三機式機組轉換時間均短于常規機組（可逆式機組）。例如在水泵至水輪機工況運行中，變速式機組消耗280s 完成轉換。三機式機組僅需25s，自此增加了抽水蓄能機組的靈活度，可憑借機組系統的實時響應特點，滿足大規模風電并網調頻需求。其中應格外注意的是：選擇機組類型時，還應參照調頻控制要求，促使經過優化后機組性能得以提升，為電力系統頻率的調控帶來可靠的輔助保障[3]。

基于此，在優化抽水蓄電機組時，應從上述機組類型對比中判定風電波動調節模式的可行性，而后依靠機組功能，為電力系統的風能介入過程打造穩定運行環境。

2.4 實現功率調節動態仿真設計

在改造抽水蓄能機組時，要想充分展現其調頻控制價值，還可利用仿真設計的方式對機組性能予以驗證。匯總上述兩種類型的運行特性，可結合功率調節動態仿真設計結果確定最佳機組類型。其中在三機式機組仿真設計環節，可將其應用在實踐項目中，記錄電力系統功率變化趨勢，從中判定此類型機組是否具備調峰作用。從相關研究成果中了解到：隨著球閥開度的變化水泵功率未產生明顯波動。因此在三機式機組運行中若針對球閥開度予以調整，很難實現功率調節目的，且還需利用建模軟件對其展開仿真驗證試驗。

在三機式機組保持水泵、水輪機、機組同步運行時，能將系統功率控制在額定功率范圍內。在導葉開度變化階段，功率與之呈正相關，可在大規模風電并網背景下根據發電量的降低而減少系統負荷，自此保持供電穩定性。尤其是在機組運行時，機組吸收功率為60%額定功率，水輪機為40%，水泵則為100%額定功率，以便在機組運行中促進電力系統功率的有效調控[4]。

于仿真設計中能從調頻控制成果中驗證機組功效。針對變速式機組進行仿真設計時，將其應用在風電并網項目中，基于功率調節模式，此類型的機組基本上不會產生慣性反應，尤其在運行10s 后電動機功率可降低20%左右。在多個工況調頻結果中，在水輪機、水泵運行中皆呈現規律性變化趨勢。由于電力系統在風力發電介入中具備高度靈活性要求，因此，應用抽水蓄能機組、結合動態仿真設計效果，確定不同機組調頻控制作用，可增加機組使用可行性。對于電力系統調頻要求，可從水輪機及水泵組件功率調節的渠道，保證機組運行能隨時根據功率變化而自行調控。匯總兩種類型抽水蓄能機組仿真設計數據可了解到：使用變速式機組與三機式機組均能產生顯著的調頻作用，且可適當規避頻率調節偏移風險，促使風電波動在良好的調控條件下，維持電力系統在風電并網環境里的運行穩態。

3 結語

在風電裝機容量日益擴增時，為適應大規模風電并網條件，理應加大對抽水蓄能機組調頻控制模式的關注度，并從調頻控制優化模型、魯棒控制器、風電波動調節模式及功率調節動態仿真設計等方面著手，促使在其助力下電力系統的功率得到合理調節，從而維持風力發電穩定性，滿足當前電能用戶實際用電需求，提升供電服務水準，妥善處置系統頻率偏差問題。