变速抽水蓄能机组运行工况转换控制研究

姜海军，徐 青，张高高，梁廷婷，陈晓刚

[1.南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司,江苏省南京市 211106；2.国网新源控股有限公司,北京市 100005；3.国网浙江省电力有限公司，浙江省杭州市 310007]

0 引言

随着大量风能、太阳能等间歇性可再生能源并网发电运行，基于大容量电能存储技术的电力平衡控制已成为电网安全稳定运行与控制的迫切需求[1][2]。抽水蓄能电站具有调峰、填谷、调频及事故备用等功能，是当前解决电力系统调峰问题以及确保系统安全稳定运行的最为经济有效的手段之一[3][4]。由于定速抽水蓄能机组抽水工况只能采取“开机—满负荷—停机”控制方式，无法满足电网连续、快速、准确进行频率调节和调整有功功率的要求。对此，变速抽水蓄能机组是解决问题的优选方案。变速抽水蓄能机组具有一定程度的异步运行能力，通过相位、幅值控制可获得快速有功功率和无功功率响应，有利于电力系统稳定运行[5][6]。

变速抽水蓄能机组主要由发电—电动机、水泵—水轮机、交流励磁系统、调速器和监控系统组成，如图1所示。发电—电动机采用可以工作在发电工况和抽水工况的双馈型感应电机，当其转子频率f1发生变化时，改变交流励磁电流输出频率f2，能使电机定子频率f保持不变，这样发电—电动机就实现了恒频率变转速运行[7]。水泵—水轮机在发电工况下是系统的原动机以水轮机运行方式运行，抽水工况下是系统的负载以水泵运行方式运行。发电—电动机由交流励磁系统控制，水泵—水轮机由调速器控制，监控系统负责交流励磁系统和调速器的协调控制。

变速抽水蓄能机组与定速抽水蓄能机组在系统结构、磁极、转子线圈、励磁、转速等方面有着明显的不同[8]，而且，变速抽水蓄能机组的励磁系统采用交流变频装置代替了定速抽水蓄能机组的普通可控硅直流整流装置，具备水泵工况启动功能，因此，变速抽水蓄能机组取消了静止变频启动装置。这些方面的不同使得两者的控制系统也存在着较大的差异。本文对变速抽水蓄能机组运行工况转换控制进行探讨研究。

图1 变速抽水蓄能机组结构图Figure 1 Structural chart of variable speed pumped storage unit

1 变速抽水蓄能机组概况

运行工况转换方式

变速抽水蓄能机组基本运行工况主要包括：发电、发电调相、抽水、抽水调相、空转、空载和停机等运行工况，这些基本运行工况之间的转换构成了变速抽水蓄能机组运行工况转换方式。变速抽水蓄能机组运行工况转换方式见表1。

续表

2 运行工况转换控制

2.1 设计原则

变速抽水蓄能机组运行工况多，转换控制复杂，操作频繁，对运行工况转换控制的可靠性和操作成功率要求高，为保证运行工况转换准确、安全、可靠运行，控制流程需遵循以下设计原则[9]:

（1）模块化编程原则。变速抽水蓄能机组工况转换控制流程复杂，为了编写工况转换控制流程简单、修改方便和节省内存空间，需要将工况转换控制流程进行模块化分解，即由几个子流程模块组合构成一个完整的工况运行转换控制流程。

（2）灵活操作原则。变速抽水蓄能机组工况转换控制流程具有灵活的操作性，即工况转换控制流程在收到操作命令后，既可以自动地完成全部工况转换控制流程，也可以进行单步执行工况转换控制流程。

（3）冗余容错原则。变速抽水蓄能机组工况转换控制流程具有自检查和自校核的纠错能力，当工况转换控制流程出现非法或不合理的转换操作时，程序可自动进行闭锁保护并进行报警，确保工况转换控制流程正确运行。

（4）优先转换原则。变速抽水蓄能机组工况转换控制流程具有优先转换功能，即变速机组的事故停机或正常停机转换流程的优先级高于其他工况转换控制流程，当事故停机或正常停机转换流程被执行，将中断正在运行的其他工况转换控制流程，从事故停机或正常停机转换流程第一步开始执行事故停机或正常停机控制流程；另外，当工况转换控制流程操作发生超时故障时，控制流程直接进入事故停机流程，使机组停机。

（5）可扩展原则。变速抽水蓄能机组工况转换控制流程具有添加工况转换控制流程和修改原有控制流程的功能，便于扩充和完善机组工况转换控制流程。

（6）安全可靠原则。变速抽水蓄能机组工况转换控制流程具有安全可靠性，每一步操作均设置启动判断条件，当启动判断条件满足时，解除下一步操作流程的闭锁，执行下一步工况转换控制流程；若启动判断条件不满足，则中断工况转换控制流程，直接跳转到事故停机控制流程，使机组停机。在机组工况转换控制流程执行过程中，若机组状态发生变化，或者机组设备突发故障，不允许该工况转换控制流程继续执行时，则自动终止该工况转换控制流程，进入到事故停机控制流程，使机组停机。

2.2 运行工况转换控制流程

变速抽水蓄能机组的运行状态分为稳定运行工况、暂时运行工况和特殊运行工况。稳定运行工况包括：停机态、空转态、空载（旋转备用）态、发电态、发电调相态、抽水调相态和抽水态七种工况。暂时运行工况包括：中转停机态和旋转态两种工况。黑启动为特殊运行工况。根据变速抽水蓄能机组运行工况转换控制设计原则，稳定运行工况和特殊运行工况作为操作目标，暂时运行工况则不能作为操作目标。由于各工况转换控制流程中有部分设备控制操作是相同的，因此可将工况转换控制流程进一步细化，分解成独立的子控制流程模块，这样将变速抽水蓄能机组运行工况转换控制流程模块化，每种工况转换流程就可由稳定运行工况、暂时运行工况和特殊运行工况之间的转换控制流程组成，从而降低各工况转换控制流程的复杂性和编程工作量，提高控制流程的执行效率和灵活性。

根据模块化分解原则，可将变速抽水蓄能机组运行工况转换控制流程转换为图2变速抽水蓄能机组运行工况转换控制结构图和图3变速抽水蓄能机组事故停机控制结构图，变速抽水蓄能机组运行工况转换控制流程模块化组合见表2。

2.3 运行工况转换控制优先级

为了便于运行操作，变速抽水蓄能机组运行工况转换设置了如下10种运行工况转换控制操作：空转、空载（旋转备用）、发电、发电调相、抽水调相、抽水、停机、机械事故停机、电气事故停机和黑起动流程。

考虑机组运行操作安全性，机组工况转换控制操作设置了优先级，其优先级为：电气事故停机＞机械事故停机＞停机＞空转=空载（旋转备用）=发电=发电调相=抽水=抽水调相=黑起动，事故停机控制操作优先级最高，当高优先级工况转换控制操作被执行，将中断并禁止低优先级工况转换控制操作；当同等级工况转换控制操作被执行，将禁止其他同等级工况转换控制操作。

图2 变速抽水蓄能机组运行工况转换控制结构图Figure 2 Structural diagram of operating conditions conversion control for variable speed pumped storage unit

图3 变速抽水蓄能机组事故停机控制结构图Figure 3 Accident shutdown control structure diagram of variable speed pumped storage unit

3 结束语

本文简要分析了变速抽水蓄能机组与定速抽水蓄能机组在机组工况转换控制方面的差异，介绍了变速抽水蓄能机组运行工况转换控制方式及控制原则，探讨研究了变速抽水蓄能机组运行工况转换控制流程。该工况转换控制流程具有模块化、容错、安全可靠等特点，能够满足变速抽水蓄能机组运行工况转换控制要求。

表2 变速抽水蓄能机组运行工况转换控制模块化组合表Table 2 Modular combination table of operating conditions conversion control for variable speed pumped storage unit