抽水工況下抽水蓄能電廠風電波動調節技術

摘 要：鑒于多數抽水蓄能電站安裝可逆式機組的現狀，該文提出一種運用雙饋變速技術擴展風電波動調節范圍的方案，利用電子元件實現發電機轉子交流勵磁，進而對機組的轉速與功率進行解耦控制，達到動態調節、快速響應的目的。使用Matlab平臺構建抽水蓄能機組模型并進行動態調節仿真，結果表明機組電磁功率調節的速動性良好，無論是在水輪機工況還是水泵工況下都能完成風電功率波動調節，切實提高抽水蓄能機組的調節能力。

關鍵詞：抽水蓄能機組；雙饋電機；調速器；動態調節；Matlab仿真

中圖分類號：TM614 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0168-04

Abstract： In view of the current situation of installing reversible units in most pumped storage power stations， this paper proposes a plan to use doubly-fed variable speed technology to expand the range of wind power fluctuation regulation. Electronic components are used to realize AC excitation of the generator rotor， and then the speed and power of the unit are decoupled， thus achieving the purpose of dynamic adjustment and rapid response. The model of the pumped storage unit is built using Matlab platform and dynamic adjustment simulation is carried out. The results show that the electromagnetic power adjustment of the unit has good quickness， and the wind and electricity power fluctuation adjustment can be completed regardless of whether it is under water turbine operating conditions or pump operating conditions， which effectively improves the regulation ability of the pumped storage unit.

Keywords： pumped storage unit; doubly-fed machine; governor; dynamic regulation; Matlab simulation

常規的抽水蓄能機組在發電工況下支持動態調節，若處于抽水工況時無法調節，這種特性會導致風電并網時風電波動的調節范圍受到限制，不利于保證電網運行的穩定性和可靠性。近幾年出現的三機式抽水蓄能機組和變速抽水蓄能機組很好地解決了上述問題，前者的特點是調節范圍大、工況轉換時間短、機組設計更加靈活，但是存在系統結構復雜、建設與維護成本較高等弊端；后者融合了雙饋變速技術，實現對機組轉速與功率的解耦控制，在保證電網調節穩定性和改善水泵水輪機運行特性等方面有良好效果，成為解決抽水蓄能機組動態調節問題的最優選擇。

1 抽水蓄能機組的風電波動調節方案及其優勢

將交流勵磁技術應用到抽水蓄能電廠的可逆式發電機轉子上，通過外接電子控制器件的方式調節同步發電機的轉速，從而實現對機組轉速與機組功率的解耦控制。該控制方案的特點體現在：第一，支持對機組有功功率和無功功率的獨立調控，保證了抽水蓄能機組無論是出于發電工況還是抽水工況都能根據需要完成電網調節，從而大幅度提升電網運行的穩定性。第二，在一定程度上改善了可逆式水泵水輪機的運行特性。常規的抽水蓄能機組在水泵工況（即抽水工況）下不能通過調節導葉開度的方式改變水泵吸收功率。采用交流勵磁技術后，抽水蓄能機組在水輪機工況（即發電工況）下保持較高的機組運行效率，在水泵工況下也具備了一定的轉速調節能力（調節范圍在±10%左右），并且使用性能更好的電子控制期間還能進一步擴展調節范圍[1]。第三，抽水蓄能機組通過靈活調節機組轉速，還能降低運行期間發生氣蝕、不穩定等情況的概率，對維護機組運行穩定性也有積極幫助。

2 變速抽水蓄能機組動態模型的構建

2.1 雙饋電機矢量控制原理

將交流勵磁技術應用到抽水蓄能機組中，實現了對發電電動機的雙饋變速控制，進而保證了機組轉速始終維持在最佳工況點，達到了改善機組運行特性、提升機組運行效率的目的。在抽水蓄能機組的運行中，電機轉速在受到外部因素（如電壓波動、潤滑變差等）影響后，實際轉速與同步轉速之間出現偏差。這時候利用外接電子器件向電機轉子提供一個三相低頻交流電實現勵磁，通過改變勵磁電流的幅值、頻率等參數實現了發電機的恒頻恒壓發電[2]。考慮到變頻調速系統中有功功率、無功功率等標量的計算難度較大，因此本文基于矢量控制方法對雙饋電機的有功和無功進行解耦控制，其控制原理如圖1所示。

圖1 交流勵磁同步電機轉子側雙閉環控制原理圖

如圖1所示，該控制系統主要分為功率控制外環和轉子電流控制內環2部分，兩者組合形成了閉環調節結構。在功率控制外環中，Pmeas和Qmeas分別表示有功功率和無功功率，2項參數根據需要并入電網的功率來確定。經過PI控制器的處理后得到定子電流的有功分量（iqs）和無功分量（ids）；在轉子電流控制內環中，將定子電流（iqr）與定子電流的有功分量（iqs）作為PI控制器的輸入，經過處理后得到電壓分量（vqr）；同理可得vdr。將該系統最終輸出的vqr與vdr進行坐標轉換，可以求出發電機轉子的三相電壓控制量v1r，v2r，v3r。

2.2 水輪機工況下機組控制模型

相比于傳統可逆式機組，應用了交流勵磁技術的抽水蓄能機組其創新點在于機組轉速和系統頻率相互獨立，實現了對機組轉速和機組出力2個變量的分別控制。這就意味著抽水蓄能機組在出力不變的情況下其工況點是允許變化的，只要能保證機組始終處于最佳工況點，即可讓抽水蓄能電站取得最佳效益。基于此，本文將機組出力、機組轉速作為控制目標，設計了對應的控制方案。

在1#控制方案中，通過機組調速器控制水泵水輪機導葉的開度，進而改變機組出力；通過功率變頻器控制雙饋電機的功率，進而改變機組轉速。該方案的控制結構如圖2所示。

在2#控制方案中，通過功率變頻器直接改變機組出力，通過調速器控制導葉開度進而改變機組轉速。相比于1#控制方案，該方案的特點是顯著提升了對機組功率的控制速度，并且保證了水泵水輪機的運行不會受到導葉開度調節的干擾。該控制結構如圖3所示。

綜上，2#控制方案無論是在控制響應速度還是在跟蹤最佳工作點方面均表現出優勢，因此本文選擇該方案構建了抽水蓄能機組模型。除此之外，在機組模型中還加入了輔助控制功能，例如機組轉速越限功能、功率給定控制功能等。以轉速越限功能為例，若轉速接近安全閾值時雙饋機組會提供額外的功率支撐，保證機組始終處于合理轉速，維護機組的運行安全。

2.3 水泵工況下機組控制模型

在水泵工況下，主要采取改變轉速的方式改變水泵功率，調節導葉開度對水泵功率的影響可以忽略不計。根據前文分析，基于交流勵磁技術的抽水蓄能機組可以做到機組轉速與電網頻率的耦合斷開，這就使得在可靠并網前提下允許機組運行速度在一定范圍內變化。將雙饋電機應用到機組功率的動態調節中，能夠使水泵轉速跟隨機組功率作出相應的變化，滿足抽水蓄能機組在水泵工況下的動態調節需要。本文在設計水泵工況下機組控制模型時，從實用性考慮也加入了一些輔助功能。例如查找最優轉速功能，雙饋機組在接收到功率給定目標信號后，會根據該水泵的“運行功率-轉速”曲線查找在給定功率下的最優轉速，并計算最優轉速與實際轉速的差值，將該差值作為PID控制器的輸入，經過處理后PID控制器輸出額外轉速控制分量并作用于雙饋機組，從而讓水泵實際轉速趨近于最優轉速[3]。

3 機組抽水工況下的功率動態調節仿真

為了驗證水輪機工況和水泵工況下抽水蓄能機組的動態調節效果，本文獲取某抽水蓄能電站的實際運行數據，基于Matlab平臺構建了抽水蓄能機組模型，通過簡單的PI控制得到了2種工況下機組對風電波動的調節效果[4]。

3.1 變速抽水蓄能機組電磁功率調節特性

使用建立的抽水蓄能機組模型，開展了電磁功率調節特性仿真。設定機組的初始運行功率為1 p.u.，并維持該功率讓機組穩定運行10 s。在第10秒時，將雙饋發電電動機的給定功率減小20%，即0.8 p.u.。觀察此時的功率變化，如圖4所示。

結合圖4可知，在第10秒改變機組功率后，電機電磁功率能夠做到同步跟蹤給定功率，在第10.1秒時已經完成了功率調節，整個調節過程用時不足0.1 s。此外，電磁功率的超調量可以忽略不計（不足0.1 p.u.），說明該機組的電磁功率調節具有良好的速動性和準確性。考慮到抽水蓄能機組在水輪機工況和水泵工況下的控制策略存在差異，因此在仿真試驗中分別對2種工況下的動態調節過程進行了驗證。

3.2 水輪機工況下運行時的動態調節仿真

使抽水蓄能機組模型在水輪機工況下運行，初始功率1 p.u.，仍然是在第10 秒時減少20%，分別統計在100 s內水壓、流量、導葉開度以及機械力矩4項參數的相對變化量，結果如圖5所示。

由圖5可知，在機組穩定運行的前10秒，4項參數的相對變化量均為0；從第10秒減小機組的有功功率后，4項參數均出現了不同程度的波動變化，并且在第50秒左右才重新恢復穩定，調節用時約40 s。與上文的電磁功率調節（圖4）相比，動態調節用時更長，這說明在水輪機工況下機組調節存在慣性，即“飛輪效應”。受此影響，水泵水輪機的機械動態特性只存在于抽水蓄能電站內部，而不會對電網產生影響，從而提高了動態調節的靈活性、保障了并網的安全性[5]。

3.3 水泵工況下運行時的動態調節仿真

在各項試驗條件不變的情況下，探究水泵工況下抽水蓄能機組模型4項參數的相對變化量，結果如圖6所示。

圖6 水泵工況下甩負荷時水泵水輪er7PnYhChBV99MCt+K4DKk/+O64Jhy61ACi0kPRwf/Q=機各變量的變化曲線

如圖6所示，在第10秒改變機組有功功率后，4項參數發生不同程度的波動變化，大概在第20秒時相繼恢復穩定，整個調節過程用時10 s左右。對比水輪機工況下的抽水蓄能機組運行情況，可以發現水泵工況下機組功率的跟隨速度更快，自適應能力更強。綜上，基于交流勵磁技術的變速抽水蓄能機組可以同時滿足水輪機工況和水泵工況下的風電波動調節需要，并且在水泵工況下調節用時更短，為風電可靠并網創造了有利條件。

4 結論

抽水蓄能作為現階段技術較為成熟且應用成本較低的儲能方式，可以將風力發電機組產生的電能儲存起來，并通過調峰、調頻作用解決大規模風電并網對電網產生的沖擊影響。但是抽水蓄能電站在實際運行中存在動態調節能力差、系統頻率偏差大、電站總體運行效率低等問題。基于交流勵磁技術的變速抽水蓄能機組可以利用機組轉動產生的飛輪效應，提高了機組功率的響應速度，并且支持在水輪機工況和水泵工況下的動態調節，讓機組始終處于最佳工況。在滿足轉速調節要求、拓寬調節范圍以及保證機組穩定運行等方面發揮了積極作用，在風電技術成熟發展和普及應用的背景下，變速抽水蓄能機組的應用前景十分廣闊。

參考文獻：

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