抽水蓄能电站应用及频率稳定控制研究

张燕平，毋丽丽

（许昌职业技术学院，河南 许昌 461000）

抽水蓄能电站应用及频率稳定控制研究

张燕平，毋丽丽

（许昌职业技术学院，河南 许昌 461000）

文章首先介绍了常规的频率稳定控制手段的研究现状，由此引入抽水蓄能电站的研究，对抽水蓄能电站的发展应用、数学模型及频率稳定控制策略的研究现状分别展开了介绍。

抽水蓄能；低频减载；频率稳定

1　常规的频率稳定控制策略研究

目前在电力系统中应用得最广泛的低频控制手段就是低频减载装置UFLS。

（Under Frequency Load Shedding）。UFLS是维持电力系统稳定可靠运行的最后一道防线，它在世界范围内得到了广泛的应用。随着计算机技术的应用和发展，遗传算法、模糊理算法等高级算法被引入电力系统研究和应用领域。这些算法具有计算快、计算能力强、自学能力强等众多优点。利用这些算法进行低频减载的方案设计和优化，能够减轻负荷过切的现象。可通过实现一次调频和低频减载的协调控制的方法来提高电力系统遭受动力大扰动后的稳定控制水平和性能［1-2］。

如何利用新型的储能手段—抽水蓄能电站来抑制低频现象，从而减少负荷的损失，并且快速有效地恢复电网频率将是一个全新的课题。

2　抽水蓄能电站的应用

我国已建和在建的抽水蓄能电站统计情况如表1所示。

表1　我国已建和在建抽水蓄能统计

13江苏溧阳2×50000 14河南回龙2×60000 15吉林白山2×150000 16山东泰安4×250000 17浙江桐柏4×300000 18安徽琅琊山4×150000 19江苏宜兴4×250000 20山西西龙池4×300000 21河北张河湾4×250000 22广东惠蓄8×300000 23河南宝泉4×300000 24湖北白莲河4×300000 25安徽佛磨2×80000 26辽宁蒲石河4×300000 27湖南黑麋峰4×300000 28安徽响水涧2×250000 29内蒙古呼和浩特 4×300000 30福建仙游4×300000 31江苏溧阳6×250000

从表1可以看出，抽水蓄能在我国的应用很广泛。因此如何利用好抽水蓄能的特点将其应用到电力系统的频率稳定控制中，最大限度地发挥抽水蓄能的作用是目前值得研究的课题。

3　抽水蓄能数学模型研究

抽水蓄能机组和一般水轮机组具有较大的差别，抽水蓄能机组的水轮机是可逆式水泵水轮机。在发电工况下顺转，在抽水工况下逆转，在两种工况下的转矩特性和流量特性也具有很大的差别。而且抽水蓄能机组还有多种运行工况，抽水蓄能的模型的研究一直是一个比较复杂的问题。

我国对可逆式水泵水轮机的研究始于20世纪70年代初，进入21世纪以后，国家科研把可逆式水泵水轮机的研制工作提到重点日程上来，从这段时间的文献来看，研究范围广泛，涉及过渡过程的研究、水泵水轮机的参数选择和优化探讨、模型试验台的建立及模型试验的研究、国外机组引进消化研究、水力性能的模拟研究等方面。文献［3］分析了水泵水轮机全特性曲线的S形特性，该S形区水泵水轮机流道内流动状况很不稳定，为了详细了解区域的流动特性，选取开度下水轮机飞逸工况、水轮机工况、零流量附近反水泵工况、零流量附近制动工况等几个工况点进行全流道定常流和非定常流数值分析。文献［4］在基于曲面拟合的水泵水轮机全特性曲线的变换新方法的基础上，将移动最小二乘近似应用于对全特性的曲面拟合。通过最小二乘曲面拟合与移动最小二乘拟合的水泵水轮机全特性拟合曲面和S区域拟合情况的对比，以及抽水蓄能电站过渡过程计算结果与实测值的对比，发现移动最小二乘近似能够更好地拟合水泵水轮机的全特性曲线。最后对移动最小二乘近似参数权函数因子、计算点影响域中的节点数及影响半径乘子对计算结果的影响作了分析，得出了初步的建议。文献［5］针对国内首次抽水蓄能电站水泵水轮机组第三方试验同台对比试验，进行了水轮机模型测试方法的改进，解决了水泵水轮机四象限试验、瞬时工况点数据采集、水泵大流量工况压力面空泡观测等试验技术难点。模型试验取得了理想的效果；效率试验的测试不准确度小，试验工况稳定、数据重复性好，采集的“S”特性区和反水泵区的数据点密集。此次试验表明，国内试验台有能力完成抽水蓄能水泵水轮机的模型验收试验。为了消除水泵水轮机全特性曲线的“S”特性所引起的单位流量和单位力矩的多值性和变换后曲线的不均匀性，实现计算机存储数据的连续性，该文献提出了水泵水轮机全特性曲线的新变换方法。该方法引入了导叶相对开度以获得均匀分布的变换曲线，然后利用最小二乘曲面拟合法对其进行曲面拟合，得出了可连续求导的连续拟合函数。这种改造方法可以改善各种导叶开度工况尤其是小开度工况和零开度工况全特性曲面的拟合精度，因为这种方法可以实现在同一过渡过程中全关到全开（或是全开到全关）的各种水力瞬变过程的计算。

在过渡过程模型方面，文献［6］深入分析了高水头混流可逆式水泵水轮机和球阀各自流量特性的特点，提出了在过渡过程中将导叶和球阀动作相配合的调节规律优化思路。通过对某高水头抽水蓄能电站水力过渡过程的计算分析表明，这种调节规律能大幅降低水锤压力，有效防止“S”区的水力振荡。文献［7］为了研究水泵水轮机的全特性曲线对抽水蓄能电站过渡过程的影响，根据两者之间的相关性调整和优化可逆机转轮设计，该文结合工程算例，对抽水蓄能电站机组可控和不可控等不同状态下的过渡过程采用不同的水泵水轮机准轮全特性曲线进行了模拟计算。计算表明，转轮全特性曲线是影响过渡过程的重要因素之一，根据过渡过程的相关性与转轮全特性曲线的分析得知，可逆机轮转的设计可以使用全三维方法。可以在设计的过程中改变特性曲线形状，适当调整导叶相对高度等参数，减缓开度线变化斜率，可优化过渡过程。文献［8］简要介绍了导叶不同装置（MGV装置）的基本原理和工作特性，提出并联过流、同轴同特性的双轮机可逆机组模拟的建模思路，并且建立了可逆机组（含MGV装置）甩负荷过渡过程仿真计算的数学模型。并最终通过针剂试验实测结果和计算结果进行对比分析，从而验证了该数学模型的正确性。

上述的研究主要是抽水蓄能机组过渡过程的数学模型以及水轮机全特性曲线模型。而过渡过程的研究较为简单，忽略了运行工况的差异对发电机模型参数的影响，这将影响基于抽水蓄能机机组的频率稳定控制策略。

4　抽水蓄能频率控制策略研究

频率稳定控制随着互联电网跨区域技术的发展逐渐成为电网互联运行的关键技术之一。传统的频率稳定控制策略—低频减载控制代价较大，因此本节主要介绍抽水蓄能参与频率稳定控制的研究现状。

抽水蓄能起初的应用是与核电配套运行的，核电承担着电网的基荷保持持续稳定的功率输出，抽水蓄能承担着电网的峰荷进行调峰调频。因此关于抽水蓄能方面的研究主要集中在调度策略和经济运行方面。在电网紧急状态下，利用抽水蓄能机组的工况转换进行频率稳定控制的研究才刚刚起步。

有文献指出，可以利用抽水蓄能机组工况转换迅速的特点，当电力系统发生严重故障而导致频率出现大的跌落时，在低频减载装置动作之前切除处于抽水工况的蓄能机组（低频切泵）以抑制频率的下降，该文首次提到了利用抽水蓄能机组的工况转换去解决电力系统的频率稳定问题。在低频切泵策略的研究中，文献［9］和文献［10］台湾电网首次研究了低频策略的应用，具体方法是在同一运行方式下选择典型的故障，对故障场景运用仿真依次模拟，对动态频率轨迹进行观察，然后根据实际功率缺额以及频率变化趋势选择切泵台数和延时。文献［11］基于以上基础，引入了新的频率安全考核指标“暂态频率偏移可裕度”，运用新指标对低频策略进行整定，低频减载协调优化与低频切泵在此基础上的整定都取得了良好的效果。以上两种低频切泵策略都没有考虑到电网频率动态特性及电网故障的规模等边界条件。而边界条件的改变很可能会让控制效果变差。文献［12］综合以上切泵策略，最终比较理想地解决了电网频率动态特性改变和故障规模的问题。具体方法是采用拉格朗日算法求解将额定频率和轨迹曲线围成的面积最小函数，从而找到了依据最优频率轨迹的低频切泵策略。综上研究说明，作为一种频率控制手段，低频切泵策略在紧急故障情况下可以有效阻止频率的下降，也可以减少负荷损失。

目前对于低频切泵策略的研究还存在很多不足，第一，虽然研究了低频切泵策略，但没有研究转发电的策略；第二，没有考虑抽水蓄能机组本身的动态变化过程（从抽水工况转为停机工况），只是将抽水蓄能水泵工况看作普通负载；第三，对大规模风电接入电网后的影响也考虑过少。因此，对于抽水蓄能频率稳定策略还有待给出一套全面系统的理论基础和切实可行的控制方法。

［1］LI Z，YILU L，GROW M L.Coordination of UFLS and UFGC by application of D-SMES［A］.Power Engineering society General meeting，2005（10）：1064-1070.

［2］CHU V N，GUROV N S，VENKATA S S，et al.An adaptive approach to load shedding and spinning reserve control during under frequency conditions［J］.Trans on energy Conversion，1995（4）：12-14.

［3］张金兰，王正伟，常时近，等.混流式水泵水轮机全特性曲线S形区流动特性［J］.农业机械学报，2011（1）：39-43

［4］邵卫云，张雄.水泵水轮机全特性曲线的拟合—移动最小二乘近似［J］.水力发电学报，2004（5）：102-106.

［5］马素萍，朱雷，张海平，等.抽水蓄能机组水泵水轮机模型测试［J］.水利水电技术，2012（4）：94-97.

［6］侯才水.可逆式机组甩负荷水力过渡过程的优化［J］.南昌水专学报，2004（2）：75-77.

［7］杨琳，陈乃祥.水泵水轮机转轮全特性与抽水蓄能电站过渡过程的相关性分析［J］.清华大学学报，2003（10）：1424-1427.

［8］刘德有，孙华平，游光华，等.含MGV装置的可逆机组过渡过程计算数学模型［J］.河海大学学报，2007（4）：448-451.

［9］李爱民，蔡泽祥.基于轨迹分析的互联电网频率动态特性及低频减载的优化［J］.电工技术学报，2009（9）：171-177.

［10］侯学勇，鞠平，邱巍，等.电力系统低频减载优化研究［J］.中国电力，2008（12）：10-13.

［11］赵强，刘肇旭，张丽.对中国低频减载方案制定中若干问题的探讨［J］.电力系统自动化，2010（11）：48-53.

［12］张滇生，陈涛，李永兴.日本抽水蓄能电站考察述评［J］.南方电网技术，2009（5）：1-5.

A General Overview of the Application of Pumped Storage Power Station and Frequency Stability Control

Zhang Yanping， Wu Lili （Xuchang Vocational and Technical College， Xuchang 461000， China）

This paper firstly introduced the research status of traditional frequency stability control and then the research of pumped storage power station is discussed. The paper also introduce the develpment， mathematical model and frequency stability control policies of the station of today.

pumped storage； UFLS； frequency stability

张燕平（1981-），女，河南许昌。