基于新型電力系統條件下抽水蓄能電站靜止變頻器配置臺數的優化研究

董海洋，衣傳寶，王 龍

（山東濰坊抽水蓄能有限公司，山東省濰坊市 262600）

0 引言

抽水蓄能是當今世界容量最大、最具經濟性的大規模儲能方式，抽水蓄能電站被廣泛建設，在電網中發揮調峰、調頻、調相、儲能、系統備用、黑啟動等六大功能。隨著新型電力系統的發展，抽水及抽水調相功能逐漸成為抽水蓄能電站發揮重要作用的關鍵，靜止變頻器啟動相比其他抽水及抽水調相啟動方式有諸多優點，合理配置靜止變頻器的臺數作為提升抽水啟動響應速度、提升電站運行可靠性的有效手段，可使抽水蓄能電站不斷適應新型電力系統的發展變化。

1 基于新型電力系統運行方式下電網對抽水蓄能的需求分析

1.1 新型電力系統運行模式轉變

新型電力系統發展過程中，新能源占比逐漸加大逐步實現綠色低碳轉型，特高壓交直流輸電實現了電能從發電中心向受電中心的遠距離大功率電能轉移[1]。

在全球應對氣候變化，我國努力實現“2030 年前碳達峰、2060年前碳中和”目標，加快能源綠色低碳轉型的新形勢下，新能源裝機容量持續快速增加，在電網中所占比例逐漸增大。由于太陽能、風能等新能源受季節、氣候、晝夜等因素影響，發電出力波動較大，使電網的潮流波動更加頻繁。同時，特高壓交直流輸電的跨地區大功率電能轉移，將潮流波動引向受端電網，對受電端電網負荷調節能力提出了挑戰。

1.2 新型電力系統條件下抽水蓄能電站作用轉變

隨著新型電力系統的發展，抽水蓄能作用逐漸增大的同時，也在發生著變化。調峰作用更加重要，并且逐步從彌補用電高峰的功率缺額向消納用電低谷的富余電量轉變，儲能作用更加突出，另外，調頻、調相及系統備用的作用也進一步增強，并對抽水蓄能電站消納電量的響應速度和可靠性也提出了更高的要求。[2]

抽水蓄能發揮作用的主要形式從發電轉為抽水及抽水調相，抽水運行方式也從長時間抽水轉為短時間多臺次快速啟動抽水。

2 抽水蓄能電站抽水啟動工作方式及原理

由于抽水蓄能機組的發電電動機為同步電動機，水泵工況機組啟動的過程實質上是大型同步電動機的啟動過程，如果機組在靜止狀態下直接并入電網，會因電網電壓直接加在機組定子繞組上產生很大的定子電流，對電網和機組均造成較大的沖擊，威脅電網和機組安全，因此，需要采用輔助的設備將抽水蓄能機組從靜止拖動到同步轉速，實現同期并網[3]。

抽水蓄能電站機組的啟動方式有同軸電動機啟動、異步啟動、背靠背啟動、半同步啟動、同軸水輪機啟動以及靜止變頻器啟動，由于機組容量的不斷增加，許多啟動方式已不能滿足要求，靜止變頻器啟動和背靠背啟動成為機組抽水工況的主要啟動方式。[4]

2.1 靜止變頻器啟動工作原理

靜止變頻器利用晶閘管換流裝置將工頻交流電整流成直流電，再將直流電逆變成為頻率可調的變頻交流電，將該變頻交流電輸出至同步電動機的定子繞組，形成變頻的旋轉定子磁場，與轉子中勵磁電流形成的轉子磁場相互作用，帶動轉子旋轉，隨著靜止變頻器輸出交流電的頻率不斷增大，定子磁場的轉速不斷提升，帶動轉子轉速從零逐步提升至額定轉速后機組并網，完成啟動過程[5]。

2.2 背靠背啟動工作原理

背靠背啟動需要一臺機組做發電機運行來啟動其他抽水蓄能機組，啟動前將被拖動機組與拖動機組在電氣上連接，兩臺機組定子三相繞組連接并在轉子施加勵磁。當拖動機組以發電方向啟動時，輸出變頻電壓，該電壓在被拖動機組定子形成變頻電流和變頻磁場，拖動被拖動機轉子旋轉，轉速達到額定轉速后以準同期方式并網，再解除拖動機，完成啟動過程。

2.3 兩種啟動方式的優缺點

靜止變頻器啟動適用于各種容量的電動機啟動，尤其適用于大容量電動機。靜止變頻器啟動方式是抽水蓄能機組抽水及抽水調相工況啟動的首選啟動方式。因變頻器功率元件都是靜止元件，維護工作量小，工作可靠性高，設備布置比較靈活，可多臺機組共用一套。它的主要優點是其他啟動方式所無法比擬的。

背靠背啟動需要兩臺機組配合啟動，需要兩臺機組通過隔離開關及母線實現電氣連接，啟動過程中需要隨時監視檢測兩臺機組的轉速并保證勵磁、調速器等多套設備協同工作，否則將會導致拖動失敗。背靠背啟動的復雜性導致其可靠性大大降低。同時，機組背靠背啟動受水道閉鎖影響，不能實現所有機組全部啟動抽水。[6]

從可靠性、啟動靈活性等方面相比較，靜止變頻器啟動有著較大的優越性。抽水蓄能發展初期受限于國外技術壁壘和較高的設備進口費用，在國家創新驅動戰略的大力推動下，“十二五”期間我國研制成功了首套具有完全自主知識產權的大型抽水蓄能電站靜止變頻器，該設備于2014年4月在響水澗抽水蓄能電站正式投入運行，截至目前，安徽績溪、白蓮河等多家抽水蓄能電站國產靜止變頻器已投入運行，達到國際先進水平，越來越多的新建電站安裝國產靜止變頻器，國產靜止變頻器已在國內抽水蓄能產業中占據了較大份額，同時帶來了靜止變頻器的購置成本大幅下降，實現了自主可控，為大范圍推廣使用創造了條件。

3 抽水蓄能電站適應新型電力系統發展的優化思路

從新型電力系統的發展方向可以看出，抽水蓄能電站的抽水及抽水調相工況將取代發電工況成為在電網中發揮作用的主要形式，也指明了抽水蓄能電站為適應新型電力系統發展的優化突破口，即解決抽水及抽水調相啟動響應過慢、備用啟動方式不可靠的問題。

3.1 靜止變頻器的一般配置

依據NB/T 10072—2018《抽水蓄能電站設計規范》要求，“當機組臺數為6臺及以上時，宜選用兩套變頻啟動裝置（SFC），互為備用。機組臺數少于6臺時，宜選用一套變頻啟動裝置，并以背靠背同步啟動作為備用啟動方式；當廠內或鄰近有常規水電機組可利用時，也可采用常規機組同步啟動方式；機組容量不大，且在電網允許的情況下，可選擇異步啟動”[7]。目前，抽水蓄能電站一般選址上水庫均無自然來水，多為兩管四機或三管六機的機組安裝方式，單機容量150～400MW不等，單機容量較大，靜止變頻器啟動就成為抽水蓄能電站的常規啟動方式。靜止變頻的配置臺數及啟動方式也相應依據此規范進行設置。

兩管四機型式的電站，靜止變頻器布置在主變壓器副廠房一側，通過啟動母線與各機組連接，每臺機組額外設置拖動閘刀，用于機組間互相拖動，以背靠背啟動作為備用啟動方式。

三管六機型式的電站，靜止變頻器布置在主變壓器副廠房兩側，每臺靜止變頻器通過啟動母線連接3臺機組，啟動母線中間設置隔離開關，機組不再設置拖動閘刀，兩臺變頻器之間互相備用。

3.2 新型電力系統下抽水蓄能電站優化思路

抽水及抽水調相工況響應過慢。目前抽水蓄能機組發電工況從停機到發電穩態的時間一般為3～5min，可以滿足電網大功率電源缺失的迅速響應。而抽水工況的啟動時間一般要達到13～15min，且因為電站常規布置1～2臺靜止變頻器，安裝4臺機組的電站完成全部機組拖動啟動需要60min，安裝6臺機組的電站完成全部機組拖動啟動需要45min（每臺靜止變頻器連續拖動3臺機組啟動消耗的時間），尚不能完全滿足電網在大功率負荷缺失情況下對抽水蓄能電站迅速響應的要求。這就出現了電網調度為保抽水負荷投入的及時性，需要電站將多臺機組啟動到抽水調相工況進行空載備用的情況。

機組抽水啟動可靠性較低。安裝4臺機組的電站只配置1臺靜止變頻器對該靜止變頻器的穩定性要求極高，靜止變頻器任何輕微故障將直接導致電站失去可靠的抽水啟動手段[8]；背靠背啟動方式作為備用抽水啟動方式可靠性較差，且只能啟動3臺機組進行抽水；隨著電站運行時間的增加，電子元件的壽命降低，靜止變頻器的故障率不斷提升，導致電站的運行可靠性大幅降低，成為電站運行的安全隱患；因靜止變頻器的關鍵性和唯一性，其檢修改造的困難及代價也是巨大的，甚至需要全廠機組長時間退出備用。

靜止變頻器啟動頻繁加速老化檢修進程。每臺靜止變頻器拖動啟動的機組臺數過多，啟動頻率的增加會加速電子元器件的老化，且由于靜止變頻器的主要依靠晶閘管等功率元件進行整流逆變，不適宜長時間運行。隨著電網運行方式的變化，每臺機組一天啟動抽水的次數可能從1次增加至2～3次或更多，因此更增加了靜止變頻器的工作負擔，加速了其大修改造的進程，造成運行成本的大幅提高。

綜上所述，為更好地適應新型電力系統發展，充分發揮抽水蓄能電站功能作用，可以通過增加靜止變頻器的配置臺數實現靜止變頻器的互相備用，提高抽水蓄能機組抽水及抽水調相啟動的響應速度。而解決這個問題，就需要從抽水蓄能電站的設計和廠房開挖之初考慮，需要在地下廠房內提前開挖出足夠空間布置冗余的靜止變頻器。

4 抽水蓄能靜止變頻器合理配置臺數分析

一管四機型式的抽水蓄能電站由于水道閉鎖原因，依靠背靠背啟動方式只能啟動一臺機組抽水，常規情況都會配置2臺靜止變頻器作為抽水啟動手段，所以本文不再討論。本文主要討論在新型電力系統的運行模式下，為提高電站抽水啟動服務電網的響應速度，保障抽水蓄能電站運行及備用的可靠性，兩管四機和三管六機型式的抽水蓄能電站中靜止變頻器的合理配置臺數。

為提高機組的抽水響應速度，降低靜止變頻器的老化消耗，每臺機組配置1臺靜止變頻器理應是最優的，但因在同一水道中同時啟動兩臺機組抽水的情況下，輸水壓力鋼管中會出現較大的水力擾動，同時考慮投資的最優化，所以共用一條水道的兩臺機組僅適宜配置一臺靜止變頻器。

4.1 兩管四機電站靜止變頻器配置分析

由于兩管四機型式的電站配置1臺靜止變頻器，在新型電力系統中存在可靠性和抽水啟動響應速度極低的問題，為適應新型電力系統的發展需求，提高服務電網的能力，配置2臺靜止變頻器較為合理。2臺靜止變頻器分別布置于主變壓器副廠房兩側，每臺靜止變頻器輸入斷路器通過啟動母線連接兩臺機的被拖動閘刀，中間設置聯絡閘刀，每臺靜止變頻器負責拖動同一水道的兩臺機組，任一臺故障時另外一臺作為備用。

在電網需要緊急啟動多臺機組抽水時，1號靜止變頻器分別拖動1、2號機組啟動，2號靜止變頻器分別拖動3、4號機組啟動，可保證30min內4臺機組全部完成抽水啟動，較原來啟動時間減少一半；該模式下，兩臺靜止變頻器相互備用，任一臺故障或檢修情況下，另一臺可保持備用并完成全部4臺機組啟動，并可取消背靠背啟動備用方式，可靠性大幅提升；每臺靜止變頻器只需拖動兩臺機組，每日啟動次數減半，且由于維護更加方便，可進行更深入、可靠的定期檢查維護，不必擔心機組失去備用，因此靜止變頻器的使用壽命進一步增加，大大降低了大修改造成本。

4.2 三管六機電站靜止變頻器配置分析

三管六機型式的電站本身已經配置了2臺靜止變頻器，能夠滿足互相備用，可靠性相對較高，為適應新型電力系統的發展需要，進一步提高其抽水啟動的響應速度，可選擇配置3臺靜止變頻器，每臺靜止變頻器負責拖動同一水道的兩臺機組。兩臺靜止變頻器仍然布置在主變壓器副廠房兩側，第三臺靜止變頻器垂直于主變壓器副廠房布置，每臺靜止變頻器輸入斷路器通過啟動母線連接兩臺機的被拖動閘刀，相互之間設置聯絡閘刀，3臺靜止變頻器互相備用。

在電網需要緊急啟動多臺機組抽水時，3臺靜止變頻器分別拖動各自連接的機組依次啟動，可保證30min內6臺機組全部完成抽水啟動，較原來啟動時間減少15min，在1臺靜止變頻器故障的情況下，仍可在60min內完成6臺機組全部抽水啟動；每臺靜止變頻器只需拖動兩臺機組，每日啟動次數為原來的2/3，可一定程度上提升靜止變頻器的使用壽命，降低大修改造成本。

5 結束語

在新能源大力發展，特高壓交直流電源大量接入新型電力系統的發展形勢下，抽水蓄能電站的抽水工況及抽水調相工況將取代發電工況發揮越來越重要的作用，對抽水蓄能電站抽水及抽水調相啟動的響應速度、靈活性、可靠性提出了更高的要求，作為機組抽水啟動的核心設備，靜止變頻器的合理配置及使用將成為抽水蓄能服務新型電力系統的關鍵。通過分析，在兩管四機和三管六機型式的抽水蓄能電站，適宜安裝與輸水系統水道相等數量的靜止變頻器，以達到最優的抽水及抽水調相啟動響應效率，最大程度地服務新型電力系統。