全功率变频抽水蓄能机组技术应用浅析

衣传宝，杨 梅，梁廷婷，梁国才

（1.国网新源控股有限公司，北京市 1007611；2.中国电建集团北京勘测设计研究院，北京市 100024）

0 引言

为了转变能源结构，促进节能减排，提高能源利用效率，近年来，我国正大力发展风电、光伏等可再生清洁能源。目前我国已经成为全球风电、光伏发电装机容量和发电量最大的国家，并且电力系统中风电、光伏发电的比例仍在持续增加。然而，风电、光伏发电出力具有随机性、间歇性的特点，大规模的风电、光伏新能源并网给电网的安全稳定运行带来前所未有的挑战。同时，随着社会经济的不断发展和人民生活水平的提高，对电网灵活性要求也越来越高。现有电网灵活性不足，对风电、光伏清洁能源的接纳能力有限，使得新能源消纳问题较为突出。近年来，虽然我国整体弃风弃光率逐年下降，但新能源消纳水平依然较低，如何提高新能源消纳水平成为电网能源转型亟待解决的关键难题之一。

在目前的电力系统中，抽水蓄能电站是公认的寿命周期长、容量大、最可靠、最经济、技术最成熟、环境友好的储能方式，具有启动迅速、爬坡卸荷速度快、运行灵活可靠等特点，既能削峰又可填谷。抽水蓄能电站能很好地适应电力系统负荷变化，改善火电和核电机组运行条件，平滑规模化新能源输出功率，提高电网运行经济效益。传统的抽水蓄能机组一般为定速运行机组，运行效率相对较低，调节速度相对较慢且在水泵工况只能满负荷抽水，不能根据系统需求进行抽水功率的调节，并且在水泵工况下不具备无功调节能力，因此无法满足电网快速、准确进行电网频率调节的要求。

随着电力电子技术的发展，采用变速技术的抽水蓄能机组，可以快速调节有功功率和无功功率，提高系统的稳定性和快速响应能力，实现电站和系统的柔性连接，具备大范围无功补偿能力，可以有效地控制电网负荷频率，平衡可再生能源引起的频率波动，提高新能源利用效率。因此，变速抽水蓄能机组也日益成为实现高比例消纳新能源的有效手段之一[1-2]。

目前国际上投入运行的变速抽水蓄能机组有两种技术路线，即交流励磁（双馈）变频变速抽水蓄能机组和全功率变频变速抽水蓄能机组。

国际上已经有超过18个电站、约40台交流励磁变速抽水蓄能机组在日本、德国、斯洛文尼亚、瑞士、葡萄牙、法国、印度、中国等国家的电网中发挥着重要作用或正在建设中，最高额定水头达到714m，最大容量达到460MW，最高同步转速达到600r/min。除日本国内3台作为初始研试的机组外，后续的交流励磁变速机组单机容量均超过170MW以上，约80%的机组单机容量达到230MW以上。由此看来，交流励磁变速抽水蓄能技术在多个国家的大容量蓄能机组上得到了较为广泛的应用。

对于大容量变速抽水蓄能机组，一方面，交流励磁装置的容量仅占机组容量的1/8～1/6，有利于电站的设备布置和投资；另一方面，交流励磁变速发电电动机转子结构和启动程序相对复杂。同时，对于中小容量的机组，采用同步电机配置全容量的变流器，对发电电动机结构无特殊要求，但也能实现抽水蓄能机组的变速运行，在改造升级项目上更易于实施并已取得成功案例，因而全功率变频抽水蓄能机组随着市场需求也逐步得到了关注，开展相关技术研究和工程应用。

本文将从全功率变频抽水蓄能机组技术的基本原理、性能优势、产品特点、工程案例、应用前景及重点研究方向等方面进行初步探讨。

1 全功率变频抽水蓄能机组技术特点综述

1.1 全功率变频抽水蓄能机组的基本原理

全功率变流器是在发电电动机定子与电网间连接一个与发电电动机容量相同的变频器。发电模式时，将发电机发出的电压、频率不同的电能，经过变频、变压后，变成与电网电压、频率相同的电能，输入电网；反之，电动模式时，则作为电动机，功率流向相反，电机从电网吸收电能。

全功率变频抽水蓄能机组的基本结构原理示意图如图1所示。

图1 全功率变频抽水蓄能机组的基本结构原理示意图Figure 1 Schematic diagram of basic structure principle of full size converter PSPS unit

从结构上看，全功率变频抽水蓄能机组采用常规的同步发电电动机机，通过变频器与变压器相连，通过改变发电电动机定子三相磁通的频率改变发电电动机的转速，即可实现机组的变速运行，从而快速响应系统频率变化和提高机组的运行效率。

由于变频器能产生非常大的转矩电流，所以电机在发电及电动模式下均能实现从零到额定转速（或更高）的变化，不需要静止变频器和换相开关，且机组在电动与发电模式间的切换非常快。变频器可以产生/吸收无功功率，具有非常好的低电压穿越（LVRT）能力，在非常严重的电网扰动时，可以极大地支持电网的稳定性。另外，当发电电动机停止运行时，网侧换流器可以作为静止无功补偿设备（STATCOM），保持与电网的连接，给电网实现无功支撑[3]。

1.2 全功率变频抽水蓄能机组的优势性能[4]

（1）扩大调节范围：在水泵工况下，全功率变频抽水蓄能机组可以在较大范围内实现转速和功率调节，提高抽水蓄能机组的运行灵活性。

（2）提高系统稳定性：发电、抽水工况皆可通过自动频率控制维持电网频率稳定，并可实现快速响应有功功率，借助全功率变频器实现虚拟同步机功能，可屏蔽机组水力振动等因素对电力系统的影响，有利于电力系统稳定性的提高。

（3）系统无功补偿和吸收：可以在各种运行状态，甚至在停机状态下实现对电网无功功率的快速补偿和吸收，降低电网电能损耗，可配套风电厂完成无功补偿。

（4）快速机组启停和工况转换：全变频抽水蓄能机组可免设水泵工况启动装置，由于保留了在低转速下的大力矩，理论上水泵水轮机可以在水中从低转速直接启动。

（5）提高运行效率：在发电工况下，全功率变频抽水蓄能机组可以通过转速调节使水轮机运行在最优工况，尤其是低水头工况和部分负荷工况下效果明显。

（6）发电机与电网解耦：全功率变频器实现了发电机组与电网的部分解耦，限制了网侧故障电流，发电机不会因为电网故障而失去同步，同时发电机可通过全功率变频器实现黑启动。

（7）提升新能源消纳：抽水工况下可在较大范围内实现用电功率变化，从而消纳可再生能源波动出力。

1.3 应用于抽水蓄能机组的全功率变频器

区别于交流励磁变速抽水蓄能机组所采用的变频器，用于抽水蓄能机组的全功率变频器还未经历长时间和广泛的发展和应用。目前的技术和产品基本有以下两种[5-6]：

（1）背靠背电压源变频器，原理结构见图2。变频器可以看作是电网侧变流器与电机侧变流器通过直流电路连接在一起。这种变频器的主要特点是无功功率不能存储，必须通过变频器不断地完全传输。另一方面，两侧变频器均可独立控制电压、无功功率、频率。

变流器的有功功率额定值是由水泵水轮机的额定有功功率决定的，其无功功率额定值是由电网要求决定的。由于变流器与电网直接相连，一般由变频器从电网吸收/向电网提供无功功率，因此同步电机只需提供有功功率，可运行于单位功率因素下，设计时可减小同步电机的尺寸，电机容量可减小10%～15%。瑞士的Grimsel 2工程1号机组就采用了此种变频器拓扑，具体接线图详见本章工程案例。该类型变频器系统所占空间较大，输入、输出侧需配置升压、降压变压器，损耗较大。

图2 电压源变频器基本结构原理示意图Figure 2 Schematic diagram of basic structure principle of VSI

（2）新一代产品模块化多电平静止变频器（modular multilevel converter，MMC）。MMC结构的基本元件是一个基本单元，基本单元的额定电压、电流是由电力半导体器件和电容器决定的。最新的换流器采用MMC拓扑结构类型，电压是由n个串联的单元建立起来的，采用多个串并联提高电流能力，详见图3。换流器的组成元件采用新型高通流IGCT，通态损耗小、通流能力强。

图3 MMC换流器结构示意图Figure 3 Schematic diagram of basic structure of MMC

该类型变频器具有如下优势：具有更高的功率密度和空间优化；具有更高的设备容量和更好的电压拓展，不需要变压器进行调压；电压畸变率小，更接近正弦波；输出电压波形变幅值小，dv/dt小；换流器的效率更高，通常大于98.5%；全象限运行提供了更快速的启停和运行反转时间，更宽的运行范围；模块化单元设计便于提高设备冗余设计，使设备具备更高的可靠性。MMC结构换流器可以形成比较好的电压波形，如图4所示，无须设置滤波器。

图4 MMC换流器输出电压波形图Figure 4 Output voltage waveform diagram of MMC converter

2 工程案例

全功率变频抽水蓄能机组技术的应用对提高电网运行灵活性和实现新能源的高比例消纳具有重要意义。目前，世界各国都在根据自身实际需求规划应用全功率变频抽水蓄能机组，已在瑞士、奥地利进行试点应用研究。

2.1 瑞士Grimsel 2号抽水蓄能电站

瑞士的Oberhasli水力发电公司（KWO）下属的Grimsel 2号抽水蓄能电站使用ABB基于IGCT技术的全功率变频器将原有的一台定速机组改装为100MW的全功率变频抽水蓄能机组，使该机组实现了在抽水工况下的功率调节和变速运行，取得了良好的效果。该抽水蓄能电站建造于1974～1980年，共有4台横卧式同步机组（水泵工况4×90MW、发电工况4×80MW），上下水库平均水头400m，平均流量4×22m3/s，同步转速为750r/min，电站内部结构及设备连接图详见图5。

图5 瑞士Grimsel 2号抽水蓄能电站内部结构及设备连接图Figure 5 Connection and arrangement of the equipments in Switzerland Grimsel 2 PSPS

原运行方式中，瑞士Grimsel 2号抽水蓄能电站的功率调节能力完全依靠于4台机组的启停，当所需抽水功率介于多台水泵机组满发功率之间时，电站将同时运行一台发电机组以弥补差值。然而，同时进行抽放水是非常不经济的，电站效率降低且造成水资源的浪费。因此，为了更有效地调节功率，KWO决定将其中一台机组改装为全功率变频机组。改造后的1号机组于2013年5月投入运行。其中，100MW变频器由两个50MW单元组成，每个单元包含输入输出变压器，并与发电机和电网串联。该变频器使用了24个IGCT并联双相模块。该全功率变频机组实现了在60～100MW之间的水泵功率连续变化，下限60MW由于水泵流道内空化现象所限。通过变频器，整个机组的启动时间缩短至大约10s，之后水泵水轮机在球阀关闭的情况下加速至600r/min，并在球阀打开后，根据现有水头情况下的最小功率，将转速调整至大约690r/min[7-8]。

瑞士Grimsel 2号全功率变频器的工作原理图如图6所示。

图6 瑞士Grimsel 2号全功率变频器工作原理图Figure 6 Schematic diagram of basic principle of FSC in Switzerland Grimsel 2 PSPS

改造方案中，2台输入变压器和2台输出变压器与100MW变频器分设于地下洞室的上下层，同时冷却系统取自现有电站的冷却水系统，如图7所示。

图7 瑞士Grimsel 2号全功率变频器布置示意图Figure 7 Schematic diagram of FSC arrangement in Switzerland Grimsel 2 PSPS

2.2 奥地利Malta Oberstufe抽水蓄能电站

奥地利Malta Oberstufe抽水蓄能电站为了最大化运行灵活性，参与欧洲高度动态电力市场，并支持德国新能源消纳，计划于2021年初前改造两台80MW机组为全功率变频机组，同时计划在发电和抽水工况下都能参与一次控制调频，从而最大化经济收益。初步预期在水泵工况下实现6～80MW的用电负荷调节，在发电工况下实现2.8～79.4MW的发电功率调节，并将水轮机转速调节范围扩大至40%～100%。Malta Oberstufe全功率变频抽水蓄能机组预期运行曲线如图8所示。

奥地利Malta Oberstufe抽水蓄能电站的80MW全功率变频器拟采用新一代产品“模块化多电平静止变频器（MMC）”，初步设计需要单层27m×9m×4m（长×宽×高）的房间布置变频器，同时对于每台80MW变频器另需要考虑以下设备和空间：控制室和辅助室（3m×2m×1m）、水冷设备（4m×2m×2m）、预充电装置（2m×1m×2m）、机柜（1m×0.8m×1m）等，变频器结构和布置如图9所示。

图8 奥地利Malta Oberstufe全变频机组预期运行曲线Figure 8 Expected operating curve of FSC unit in Austria Malta Oberstufe PSPS

图9 奥地利Malta Oberstufe 2×80MW变频器布置图Figure 9 Arrangement of 2×80MW FSC in Austria Malta Oberstufe PSPS

3 应用前景及重点研究方向

全功率变频技术的发展和工程应用给变速抽水蓄能电站的建设提供了又一个可行的技术路线。一方面，基于全功率变频抽水蓄能机组的优越性能、成功案例及系统和产品的技术发展，研究其在省级电网中应用的作用和必要性，在实现局部电网稳定、结合新能源送端打包进而节省输送线路投资等方面，都具有重要的研究意义；另一方面，鉴于全功率变频抽水蓄能机组技术的应用案例还不够广泛、产品系列和技术亟待研发升级、机组和变频器系统集成技术和性能有待进一步优化、工程投资需与技术匹配且经济合理，围绕以下几个方面开展全面而深入的研究和探索也成为当务之急：

（1）研究典型新能源发电特性及负荷特性，结合全功率变频抽水蓄能机组的运行性能和技术特点，分析其参与调峰调频服务、抑制新能源发电波动、提高新能源消纳水平功能效果，分析其中小容量全变频抽水蓄能机组在省级电网中应用的作用和必要性。

（2）研究国内外全功率变频器最新的技术发展和技术路线，优选功率器件、变频器类型及多电平拓扑的集成方案，研究设备内部配置和接线、参数、性能、尺寸、价格等对不同等级和参数的工程的适应性；提出技术可靠、经济合理的全变频抽水蓄能机组应用的全功率变频设备产品技术方案。

（3）结合工程实例及电网要求，研究电力系统发生故障时全功率变频抽水蓄能机组电压穿越能力的技术要求以及对全功率变频抽水蓄能机组励磁系统的技术要求（如励磁强励等）；研究全功率变频抽水蓄能机组变频器、调速器系统及和励磁系统之间的协调控制；对于全功率变频抽水蓄能机组，由于机组主接线回路中串有变频器，需进一步研究发变组保护配置方案；分析研究全功率变频抽水蓄能机组各运行工况的控制流程。

（4）结合工程实例，研究水泵水轮机在抽水工况、发电工况下的转速调节范围、运行效率、稳定性等技术参数，发掘其灵活性潜力；结合变频器技术方案优选电站电气主接线设计（包括发电机断路器的设置与否），合理选择发电电动机在应用全功率变频技术时的主要技术参数，以优化机组性能；研究新建电站的厂房布置设计和改造电站厂房布置可行的实施方案；对采用全功率变频技术进行经济评价。

（5）结合国内外工程应用案例，总结变速抽水蓄能技术的技术路线和当前技术水平，对比研究交流励磁和全功率变频两种类型变速抽水蓄能机组的系统设计、设备配置、工作机理、技术参数和机组调节特性；结合产品和工程研究成果，全面深入评估全功率变频器设备容量和电压可拓展的最高可靠水平，进一步研究交流励磁和全功率变频变速机组应对不同工程特性参数抽水蓄能电站的技术可行性和经济合理性，提出科学的应用范畴。

4 结束语

在能源结构由传统能源转变为大力发展风电、光伏清洁能源的现阶段，提高能源利用效率和提高新能源消纳水平、提高电网灵活性和稳定性更成为迫切需求，变速抽水蓄能机组的研究和应用因而成为重要任务。交流励磁变频技术的研发和应用已经取得了长足的发展和进步，下一阶段应进一步结合国际工程应用经验，深入研究全功率变频技术的系统设计、产品设计，合理评估工程投资，为未来抽水蓄能电站的运行优化和建设规划提供合理、科学的技术支持和经济评价参考。