变速抽水蓄能机组在地区电网中的应用研究

衣传宝， 梁廷婷， 汪卫平， 陈 超， 何俊峰，付俊波

（1.国网新源控股有限公司，北京市 100761；2.华东琅琊山抽水蓄能有限责任公司，安徽省滁州市 239000；3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

0 引言

随着电网及社会经济的发展，地区电网峰谷差呈现逐年上升的趋势，调峰压力逐年增大。出于环保需求，小电源逐步退役，新能源发电不断增加，进一步增加了地区电网的调峰压力。传统的抽水蓄能机组在发电状态下可以比较灵活地调整出力，是电网日内调峰和调频的重要手段。但传统的抽水蓄能机组，在发电状态下的调节速度相对较慢，在抽水状态下负荷不能调节，这限制了抽水蓄能机组在电网应用的场景[1]。因此，开发多种调峰调频电源的能力对电网运行的安全性和稳定性尤为必要。

1935 年，德国工程师Tuxen 提出了双轴励磁思路，开启了交流励磁研究领域。20 世纪60 年代，交流励磁开始应用于抽水蓄能机组中，从而产生了可变速抽水蓄能机组，其在发电、抽水工况下均可在一定范围内调节功率，其优良的性能带动了相关领域的研究及试验。随着可逆混流式水轮机制造技术、大功率电力电子器件与现代控制技术的发展，转子采用三相交流励磁的可变速抽水蓄能机组技术得到飞速发展，并逐步投入了商业应用[2]。20 世纪90年代，日本开始应用可变速抽水蓄能发电系统，用于负荷及频率控制。近年来，随着大量风力发电的接入，欧洲开始引入可变速抽水蓄能机组，用于电网功率平衡控制。我国通过技术引进和自主研发，也开展了变速抽水蓄能机组技术的研究及应用。丰宁抽水蓄能二期工程就部分采用了变速抽水蓄能机组[3，4]。变速抽水蓄能的研究方向从建模仿真、特性研究拓展到优化调度、交流励磁抗扰控制等方面[5-7]。

1 变速抽水蓄能机组的原理及控制特性

1.1 变速抽水蓄能机组的原理

变速抽水蓄能机组主要包括可逆式水轮机、交流励磁发电机、交流励磁及控制系统等部分，如图1所示。其与常规抽水蓄能机组主要的区别在于变速抽水蓄能机组采用交流励磁发电机，并增加了交流励磁及控制系统。

图1 变速抽水蓄能机组构成示意图Figure 1 Composition of variable speed pumped storage unit

传统同步发电机采用集中励磁绕组，其励磁电流为直流，只能控制励磁电压的幅值来控制励磁电流的大小。由于受静态稳定极限的约束，无法进入深度吸无功的运行状态。另外，其转子磁场相对于转子的位置是固定不变的，当进行有功、无功调节时必然伴随着转子的机械过渡过程。而交流励磁发电机由于转子励磁绕组为三相对称绕组，且励磁电压的频率、幅值、相位及相序均为可调，通过调节励磁电压的幅值、频率、相位、相序可以控制发电机励磁磁场大小及其相对于转子本体的位置。

可变速抽水蓄能发电电动机组根据水头变化可在一定转速范围内运行，以满足水泵水轮机接近最优单位转速而得到较高的效率，同时减轻水轮机叶片气蚀和泥沙磨损。

1.2 变速抽水蓄能机组的控制特性

由于采用交流励磁，变速抽水蓄能机组在发电、抽水状态下均有极快的响应速度。图2～图9分别为变速抽水蓄能机组在发电、抽水工况下有功、无功上/下阶跃响应。从图中可以看出，变速抽水蓄能机组有功、无功响应速度极快，时间在0.1s左右。而且有功、无功功率可以分别独立控制。

图2 发电工况时有功下阶跃试验Figure 2 Downward step test of active power under power generation condition

图3 发电工况时有功上阶跃试验Figure 3 Upward step test of active power under generating condition

图4 发电工况时无功下阶跃Figure 4 Downward step test of reactive power under generating condition

图5 发电工况时无功上阶跃Figure 5 Upward step test of reactive power under generating condition

图6 抽水工况下的有功上阶跃Figure 6 Upward step test of active power under pumping condition

图7 抽水工况下的有功下阶跃Figure 7 Downward step test of active power under pumping condition

图8 抽水工况下的无功下阶跃Figure 8 Downward step test of reactive power under pumping condition

图9 抽水工况下的无功上阶跃Figure 9 Upward step test of reactive power under pumping condition

2 变速抽水蓄能机组的应用场景及发展趋势

由于变速抽水蓄能机组有着极高的响应速度，且抽水工况下负荷在一定范围内可调，在电网中有广泛的应用前景。从国内外变速抽水蓄能机组的应用情况来看，变速抽水蓄能机组的应用主要体现在两个方面，一是参与系统的频率调节，减少电网在夜间时段的热备用；二是与新能源的协调配合，减少电网的功率波动，维持电力的供需平衡。

从变速抽水蓄能的规划及装机情况来看，变速抽水蓄能机组在日本和欧洲仍然有较大的应用前景。我国也正在积极开展变速抽水蓄能的相关研究，随着新能源的快速发展和核电机组的大规模并网，地区电网调峰调频面临较大的压力，对电源功率的快速调节需求越来越强烈。虽然大规模电池储能技术、新能源快速功率调节技术、火电机组的深度调峰技术取得较大进步，但就综合技术经济效益来说，抽水蓄能仍然占据重要地位。变速抽水蓄能可以克服传统抽水蓄能抽水功率不可调的缺陷，进一步提升了抽水蓄能的技术优势。

当今世界抽水蓄能电站的发展趋势是机组大容量化、高水头化、高转速化和调速化。从日本抽水蓄能的发展来看，其变频调速经历了循环变流变频器、GTO变频器，GCT和IEGT逆变器/变频器的路线，其体积逐步小型化，可降低占地面积及土建成本。变频调速机组另外一个发展趋势是，机组本身的高转速、大容量化。大机组的大量使用，对于其安全稳定运行就有了更高的要求，需要更大容量、更大电流、更小体积、更低成本的变频器元件。

3 变速抽水蓄能机组在地区电网中的应用

3.1 变速抽水蓄能机组在地区电网中作用概述

变速抽水蓄能机组具有传统抽水蓄能机组的所有优点，因此可以在地区电网调频、调峰中发挥重要作用。此外，由于变速抽水蓄能机组具有更快的响应速度，尤其是抽水工况下负荷可调，因此可以使电网调节更加细腻，对于大机小网的地区来说意义更加突出，可以在以在电网优化调度中发挥重要作用，提高新能源消纳比例。同时，还可参与到地区电网二、三道防线控制之中。

3.2 变速抽水蓄能机组在地区电网优化调度中作用及方案

变速抽水蓄能机组可以应用于地区电网优化调度中，其方案如图10所示。调度系统控制系统根据负荷波动以及频率偏差分别得到的附加控制量∆PW、∆fP；调度系统综合库容、负荷预测等情况进行最优控制，得到最优功率这些量相叠加形成有功功率的参考量Pref。其中，∆PW通常采用波动性负荷或可再生能源发电处理的测量值与预测值之差形成：

式中：pmea、ppre分别表示负荷或可再生能源出力的测量值及预测值；∆fP根据式（2）得到，除可满足频率偏差控制的需求外，还可增加系统的振荡阻尼。

图10 可变速抽水蓄能机组功率的调节Figure 10 power regulation of variable speed pumped storage unit

式中：Kdroop为下降调节系数，Td、Tfilt分别为调节系统与滤波系统的时间常数；fref、fgrid分别为参考频率和电网的实际频率。机组的无功功率则依据电压稳定控制需要计算形成。在有功、无功参考值确定的情况下，控制系统通过锁相获得电网相位和频率，采用d-q解耦实现功率控制。

3.3 变速抽水蓄能机组在地区电网二、三道防线中的作用

原有的电力系统安全稳定三道防线中，抽水蓄能机组通常不作为稳定控制系统的控制对象，但随着抽水蓄能机组在电网中的比例逐步增加，抽水蓄能机组的控制作为稳定控制的一种手段也逐步得到了应用。如现有的电网系统保护建设方案中，抽水蓄能电站在泵运行状态就作为稳定控制第二道防线的稳控切除对象。

对于地区电网尤其是大机小网现象比较明显的电网，抽水蓄能机组电站参与地区电网的二道防线有较大的经济价值。在作为二道防线的切负荷对象时，常规抽水蓄能机组单台满功率直接切除，假定单台的容量为1，4台抽水蓄能机组的切除颗粒度组合可以为1、2、3、4，设计的4种容量。而变速抽水蓄能机组的单台调节容量假设为0.7～1.1之间，则4台机组的组合切负荷的容量为0.7～1.1、1.4～4.4之间的连续功率可调。切负荷的颗粒度相对精细得多。

变速抽水蓄能机组在抽水工况下，其有功功率可根据外部频率信号实现定频率控制或功率信号实现定功率控制。这些功能可通过变速抽水蓄能机组与稳控协调配合，作为稳控策略的一种新的手段。

常规的抽水蓄能机组在正常运行时存在频率死区，即频率超过一定范围时开始调节功率，但常规抽水蓄能机组在泵状态下的功率恒定，频率变化时不进行功率调节。而变速抽水蓄能机组则可以在泵状态下根据频率变化实现功率的快速调节。在抽水工况下运行时，检测到频率超过某一频率定值时，增大泵的运行转速，从而增大泵的吸收有功功率。相当于在高周切机动作之前，就开始降低了整体的剩余功率的差额。当检测到频率低于工频某一频率定值时，降低泵的运行转速，减小了泵吸收的有功功率，相当于在第三道低频减载负荷动作之前就开始采取了降低负荷的措施。

综上所述，变速抽水蓄能机组可以优化地区电网二、三道防线，减少事故情况下的切机切负荷量。

4 结束语

变速抽水蓄能机组改变了传统抽水蓄能机组的抽水状态下固定负荷的特性，变速机组在抽水状态下运行仍然具有一定的功率调节能力，这一特性高度契合电网新能源大规模并网、能源结构转型的发展趋势，可在电网中充分发挥调频、调峰、新能源消纳等方面发挥重要作用；同时，还可以优化现有的二、三道防线，丰富控制手段，减少切机切负荷量。