可变速抽水蓄能机组水泵水轮机能量特性及效益优势浅析

张 韬，高彦明

（1.哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司，黑龙江省哈尔滨市 150040；2.水力发电设备国家重点实验室，黑龙江省哈尔滨市 150040；3.南方电网调峰调频发电有限公司，广东省广州市 511400）

0 引言

新中国成立后，我国经济不断发展，电力系统经历了以下几个阶段：

（1）经济落后阶段。该阶段我国的发电设备研发和生产能力不足，发电量较低，仅可满足国家最基本生产生活需要。

（2）经济快速发展阶段。1980年后我国的科技研发能力迅速提高，发电设备包含水电、火电、核电等多种形式。尤其随着第二、三产业的高速发展，使得社会用电量迅速增加，电网用电量峰谷差逐渐显现，日调节需求显著提高，需要设备提供调峰填谷功能。此时，电网功率调节形式以日调节为主，用电波峰波谷调节量基本稳定，常规定速抽水蓄能机组作为具有调峰填谷功能的调节机组被广泛投入电网。

（3）经济高质量发展阶段。2010年后经济发展进入新阶段，社会用电量进一步增大，发电设备除火电、水电、核电外，大量新能源并网发电，丰富了电源形式，但风电、太阳能发电等新能源具有随机性、波动性、间歇性等特点，在短时间内会造成电网功率的大幅波动，给电网的安全稳定造成极大挑战。因此，具有功率快速调节功能的可变速抽水蓄能机组的大量应用将是大势所趋。

发电设备的经济效益是业内研究和关注的重点课题，研究时通常将之融入电站效益一并探讨。抽水蓄能电站的效益[1]可分为电网效益和社会效益，而电网效益又分为静态效益和动态效益。其中，静态效益可分为容量效益和能量转换效益；动态效益包括调频、负荷跟踪、旋转备用、调相、提高系统运行可靠性等[2]。学者对以上抽水蓄能电站的各种效益都进行了大量的研究，其中以抽水蓄能电站对节能环保效益的分析[3]以及新能源与抽水蓄能电站协同作用效益的分析[4]最为重要，最能体现抽水蓄能电站在效益方面的价值。

本文研究的目标是抽水蓄能电站能量转换的“心脏”——水泵水轮机，分析定速水泵水轮机与可变速水泵水轮机各自的特点并进行比较。同时，将可变速水泵水轮机由于机组转速可变化而引起水泵工况和水轮机工况能量效益提升的特性进行分析。

1 定速与可变速水泵水轮机的能量特性

定速水泵水轮机由于机组转速固定不变，水泵工况一个扬程只能对应一个功率值。当定速机组运行到某一特定扬程时，只能从电网吸收唯一的功率值，对于电网功率的短时、瞬时波动无法做出响应，更无法调节、吸纳电网多余功率。而可变速水泵水轮机在电站运行范围内任何扬程下都可以快速对电网的功率波动以及电网功率调节需求做出一定量的响应。这个功率响应量也就是可变速水泵水轮机在某一扬程下的功率调节范围，该范围的设计值需要在电站设计阶段根据电站在电网中的作用进行设定，然后通过水力设计达到设计目标。

1.1 水泵工况能量特性

可变速水泵水轮机的选型非常重要，它直接影响机组功率调节范围的大小、压力脉动幅值等重要水力参数，文献[5]中较为详细地分析了可变速水泵水轮机水泵选型特点及方法，本文不再论述。

图1为定速水泵水轮机水泵能量曲线，从图中可知，对于定速机，一个扬程只能对应一个工况点（一个流量和一个功率），即工况点1。也就是说，在同一时刻，定速机的功率调节量是固定不变的，无法根据电网的功率波动调节需求做出响应；而可变速水泵水轮机，在水泵运行工况扬程变化范围内，一个扬程可以对应一个功率调节范围。从图2可知，最小扬程Hmin下，功率调节范围在工况点3和工况点5之间，即功率调节范围为（P3，P5）；最大扬程Hmax下，功率调节范围为（P4，P7）；在水泵运行工况扬程变化范围内，最大功率调节幅度为（Pmin，Pmax），功率调节量随机组转速的变化，由定速机的一条线变成了变速机的一个面，功率调节能力极大提高，调节量显著增大。

图1 定速水泵水轮机能量特性曲线Figure 1 The energy characteristic curve of the fixed speed pump-turbine

图2 给出了水泵工况在流量—扬程曲线，流量—功率曲线以及扬程—功率曲线中的运行区域（阴影区）。通过各特性曲线可知，可变速水泵水轮机水泵工况在高扬程下，运行范围受到叶片水泵进口二次流的限制；在低扬程下，受到大流量转轮叶片空化的限制；而在大流量区，则受到最大功率的限制[6][7]，因此形成了图中阴影表示的运行区域。

图2 可变速水泵水轮机水泵能量特性曲线Figure 2 The energy characteristic curve of the variable speed pump-turbine

1.2 水轮机工况能量特性

在设计定速水泵水轮机时，必须首先满足水泵工况的运行，导致其水轮机工况的运行范围S1远离最优区，进而造成水轮机工况效率与稳定性欠佳。由图3可知，可变速水泵水轮机在水轮机工况运行时，可将机组转速下调至水轮机运行范围合适的数值，如图3中的S2。同时，由于机组转速的下降，使得最低水头单位转速随之下降，最低水头单位转速与叶片正面脱流初生线的交点由原先约50%额定功率变为20%～30%额定功率，即稳定运行的功率下限从定速时的50%额定功率下降到20%～30%额定功率，可稳定运行的功率范围最大可增加60%。该运行范围基本覆盖最优区，效率及稳定性更高，可稳定运行的功率范围更宽。

图3 模型水泵水轮机综合特性曲线Figure 3 The comprehensive characteristic curve of model pump-turbine

2 可变速水泵水轮机的能量效益优势

2.1 水泵工况能量效益

定转速抽水蓄能电站在调节新能源功率，降低弃风、弃光率方面已有较大贡献。例如，辽宁蒲石河抽水蓄能电站夜间利用电网内风电所发电力抽水储能，白天再利用储存的水能并网发电，风能得到充分利用，降低了弃风率。华东地区风能和太阳能资源丰富，且用电量较大，当地抽水蓄能电站为了充分利用新能源，同时满足吸收新能源发电功率的需求和当地用电需求，通常一天之内多次抽水和发电，对降低弃风、弃光率，节能减排具有不可替代的作用。

然而由于上一节所讲的原因，定转速水泵水轮机不能灵活的调节电网的功率波动和需求，使得常规定速抽水蓄能电站的静态效益和动态效益均大打折扣。可变速抽水蓄能电站水泵水轮机的调节能力极大提高，可以增强吸纳电网中随机、波动、瞬时功率的灵活性，更加充分安全的利用新能源，进一步降低弃风、弃光率。

从水泵特性角度分析，由于定速水泵水轮机水泵功率调节形式为一维线段，而可变速水泵水轮机水泵功率调节范围是由定速机的功率调节范围扩展而得，形成一个二维平面，因此两者水泵工况能量效益的关系可近似为：

式中：Evariable_p——可变速水泵水轮机水泵能量效益；

Econstant_p——定速水泵水轮机水泵能量效益；

k——定速与可变速水泵水轮机水泵能量效益关系系数。

综上由式（1）可知，可变速水泵水轮机水泵工况的功率调节幅度，即能量效益，与定速机的平方成正比，能量效益显著提高。

2.2 水轮机工况能量效益

由图3可知，定速水泵水轮机工况运行范围远离最优区，且受到转轮叶片脱流初生线的限制，可安全稳定的运行区为S1，面积为A1；在变速的情况下，水轮机运行范围基本覆盖最优区，且运行范围S2向低负荷区有较大扩展，面积为A2。水轮机的能量效益不仅体现在效率值上，还体现在运行范围的宽广程度上，前者用加权平均效率表示，后者用运行范围的面积表示。

由于A2>A1且ηvariable_t_avg>ηconstant_t_avg，因此Evariable_t>Econstant_t。

3 某海水抽水蓄能电站可变速水泵水轮机的能量效益

海水抽水蓄能电站是抽水蓄能电站的一种新型式[8][9]，在国家重点研发计划《海水抽水蓄能电站前瞻技术研究》项目的研究中，以某具体拟建设的海岛电站为研究目标（相应参数见表1），研究可变速水泵水轮机的选型方法、水力特性、控制策略等。

表1 目标电站及机组参数Table 1 The target power plant and unit parameters

可变速水泵水轮机水泵选型特点和方案在文献[5]中已经论述，优化后其水泵能量特性流量—功率曲线示意图如图4所示。在最低扬程下其功率调节幅度约为25.5%，在最高扬程下其功率调节幅度约为18.2%，最大功率调节幅度约为32%；同时，其水轮机工况加权平均效率，可变速与定速情况下相比，提高约1%，由此可见可变速水泵水轮机的能量效益优势明显。

图4 某海水抽水蓄能电站可变速水泵水轮机水泵能量特性Figure 4 The energy characteristics of the variable speed pump-turbine about one seawater pumped storage

4 结论

本文详细讨论了可变速水泵水轮机水泵工况和水轮机工况的能量特性，分析了其特性特点，并比较了可变速机与定速机能量特性的差异，给出了两者能量效益的比较公式，最后简要介绍了海蓄课题中研发设计的可变速水泵水轮机能量效益对比结果。研究可变速水泵水轮机的相关文献较少，其中文献[5]和文献[10]对其特性均进行了分析介绍，但文献[5]侧重水泵选型的原则和方法，文献[10]对其进行较为全面但不深入的介绍。本文针对可变速水泵水轮机水泵特性流量—扬程曲线，流量—功率曲线、扬程—功率曲线均进行了详细的分析，使读者和设计者对可变速水泵水轮机水泵特性有更加充分清晰的认识，具有较高的指导性和实用性。同时首次尝试性的给出了定速和可变速水泵水轮机能量效益的关系公式，然而由于可变速能量效益统计数据欠缺，无法准确表示其公式，还需有待完善。