交流励磁变速抽蓄机组参与地区电网二道防线控制的分析

陈 斌

（衢州市衢江区水利局,浙江 衢州 324002）

抽水蓄能电站能够在一定程度上缓解电网高峰与低谷之间的供需矛盾,可以承担调频、调压及事故备用等动态功能。我国已建的抽水蓄能电站是保证电网经济、安全、稳定运行的得力工具。本文提出了变速抽蓄机组主动参与地区电网第二道防线的控制策略,并仿真验证了其可行性。

1 系统构成及原理分析

1.1 变速抽蓄机组系统构成

交流励磁变速抽水蓄能机组是利用双馈感应电机的转子串入的转差频率电压进行励磁,调节励磁电压的幅值、频率和相位,实现定子恒频恒压输出。整个变速抽水蓄能机组的基本构成中,转子由两个“背靠背”连接的电压型PWM变换器进行励磁。保证能量双向流动的同时,使输出定子电压的幅值、频率、相位连续可调,实现变速抽水蓄能机组在发电状态和泵运行状态的有功无功调节,并使输出频率范围满足变速机组的滑差频率正负10%调速范围要求。

变速抽蓄机组的运行工况有发电、抽水、发电调相、抽水调相、背靠背拖动、黑启动、线路充电和旋转备用等。各种工况之间的切换可达20种之多,转换过程也较为复杂,常用的有3 种工况,即发电、抽水以及停机工况,其转换时间大致从25 s～410 s变化不等。

1.2 双馈电机控制原理

双馈电机的转子由双PWM变流器进行励磁控制。而双馈电机在三相坐标系下的数学模型是非线性、时变的高阶系统,采用矢量控制可以实现一定程度的解耦。利用d-q旋转坐标变换,使定子三相电流分解为直流励磁电流分量和转矩电流分量,调速时保持励磁电流分量不变,达到接近直流电机的转矩控制规律效果。

d-q坐标下转子和定子按电动机惯例的电机方程为：

代入（1）（2）得电压方程为：

转矩方程：

运动方程：

双馈变速恒频发电系统若采用转子磁链或气隙磁链定向,则定子有功功率和无功功率的计算较复杂,会影响了控制系统的实时处理。因此采用定子磁链定向：

1.3 发电电动机控制原理

为了实现对电机控制量的准确控制,需要把电压、电流从三相静止坐标系转换至d-q旋转坐标系进行解耦控制。通常选取d轴为转子的中心轴线,q轴为沿转子旋转的方向,且d轴滞后q轴90°,转子以 的角速度与d-q坐标系同步旋转。

d-q旋转坐标系下的同步机组数学模型为：

式中：id、iq分别为发电机的d轴与q轴电流；Ld、Lq分别为发电机的d轴、q轴电感, Ra为定子电阻；e为电频率,e=npg；np为同步发电机组的极对数；0为磁链；ud、uq分别为机端电压的d轴、q轴分量。

定义q轴反电势eq=e0,d轴反电势ed= 0,令发电机d轴和q轴电感相等,则上式可以等效为：

因此,由上式可以进一步得到直驱电机在dq旋转坐标系下的等值电路,见图1。

图1 发电电动机等效电路

1.4 原动机和调速器

抽水蓄能机组原动机及调速系统的构成,见图2,包括AGC系统、电子调节器、执行机构、引水和泄水系统、水轮发电机组和测量元件。

图2 原动机及调速系统控制原理框图

电子调节器根据机组频率、功率和AGC系统的负荷给定信号,实现频率和功率闭环调节,电子调节器的输出被执行机构按一定特性转换成主接力器行程偏差,控制机组功率、转速。

2 抽水蓄能电站的控制作用

2.1 控制策略

在地区电网第二道防线的应用研究上,主要考虑通过变速抽蓄机组在泵运行工况下通过多台机组的快速调节代替切泵。实现“以调代切”的方法应用于第二道防线,有以下几个优点：

（1）不损失抽蓄机组,比故障后抽蓄机组的再次启动更加经济；

（2）有利于故障后无功电压的快速恢复,由于抽蓄机组仍然在电网中运行,且无功可以独立控制,在严重故障后可以向系统提供紧急无功电压支撑；

（3）功率控制的精细化,由于变速抽蓄机组在泵运行工况下连续可调,因此功率控制可以更加精细,而传统抽蓄机组切泵的方式则离散度较大。

变速抽蓄机组在抽水工况下,其有功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蓄机组与稳控协调配合,作为稳控策略的一种新的手段。

2.2 在典型地区电网中的应用仿真

衢江抽水蓄能电站自2018年12月省发改项目核准以来,筹建期工程已于2020年7月16日开工,主体工程已完成招投标工作, 计划2025年3月下水库开始蓄水,2025年9月上水库开始蓄水,2026年8月底首台机发电,2027年8月底全部机组发电。

在泵运行工况下,双回线路总功率为600 MW,若发生线路N-1故障,单回线路输送功率超600 MW,超出热稳极限。如按照常规处理方式,需要采取切负荷或切泵措施,而该措施存在切负荷经济代价高、社会影响大、切泵导致系统恢复缓慢的缺点。而按照本报告所提出的处理方式,采用“以调代切”,变速抽蓄机组迅速回降功率至单台抽水功率50 MW,可在100 ms内迅速将线路功率降至460 MW左右,满足线路热稳要求。单线输送功率、变电站220kV母线电压分别见图3和图4。另外,从系统电压响应曲线可以看出,由于采用“以调代切”的控制策略,保留了变速抽蓄机组的无功电压支撑能力,因此通过“以调代切”可以提升系统电压稳定性。

图3 单回线输送功率

图4 母线电压

3 结语

衢州作为国家生态文明建设示范市和浙江“大花园”的核心区,水、光、风等可再生能源资源丰富,具有培育壮大清洁能源产业的良好基础。谋划推进抽水蓄能电站项目,是深入贯彻落实党中央关于碳达峰碳中和决策部署、扎实推动共同富裕示范区建设的重大举措,对于扩大有效投资、稳定经济增长具有重要意义。各地各部门要提高思想认识,坚持系统思维,完善工作机制,进一步强化责任意识、服务意识,全力支持、全力保障项目建设,及时协调解决项目推进中遇到的问题,确保在建项目加快进度,谋划项目做实前期,同时抢抓政策“窗口期”,积极向上对接,争取更多项目纳入国家和省规划盘子,加快推动经济社会发展全面绿色低碳转型,率先走出生态优先、绿色低碳的高质量发展之路。

本文提出了变速抽蓄机组主动参与地区电网第二道防线控制策略,并基于该策略校核变速抽蓄机组容量的适应性,给出了详细的研究思路。基于典型地区电网的仿真结果表明：通过变速抽蓄机组主动参与地区电网第二道防线控制,可以很好地提升地区电网安全、稳定性。另外,从地区电网安全稳定的分析结果表明,典型地区电网变速抽蓄机组300MW的容量可以满足该典型地区电网的稳定性需求。综上所述,无论是从碳达峰、碳中和目标的需要,还是从浙江省电力发展的需要,从电网安全、稳定运行要求考虑,建设衢江抽水蓄能电站是十分必要的,也是经济合理的。