抽水蓄能变速机组应用技术概述

卢伟甫，王 勇，樊玉林，陈 瑞，孙晓霞

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

0 引言

目前国内解决电力系统调峰的手段——抽水蓄能电站，全部是定速抽水蓄能机组，只能采取“开机—满负荷—停机”控制方式，不能调节输入功率。随着电网中核电等稳定供电电源和风电、光伏发电等间歇性可再生能源所占比例日益增大，电网稳定运行，尤其是夜间频率控制变得更为困难[1-3]。当出现频率波动情况时，定速抽水蓄能机组无法满足电网快速、准确进行频率调节的要求。为此，连续可调抽水蓄能变速机组成为优选方案之一[4-6]。

然而传统的电力系统优化规划和调度研究未考虑抽水蓄能变速机组特性对规划模型、调度策略及算法的影响。同时，对于抽水蓄能双馈电机交流励磁控制技术与调速器两者之间的联合协调控制，故障策略保护技术等方面研究也较少。因此非常有必要对相关应用技术进行研究，保证抽水蓄能变速机组参与电网有功功率准确有效，为电网安全稳定运行提供更有力的保障。

1 抽水蓄能变速机组工作原理和优势

与定速机组转子直流励磁相比，抽水蓄能变速机组转子采用交流励磁，转子上采用三相对称分布的励磁绕组，由幅值、频率、相位以及相序任意可调的变频器提供励磁[7]。

转子绕组通以频率为f2的对称交流电，在电机气隙中就会产生一个相对转子旋转的磁场，其转速为Nr，转速与励磁电流频率满足式（1）：

式中 p——电机极对数。

要产生恒定电磁转矩，定、转子电流产生的磁场转速必须相同。即交流励磁产生的旋转磁场加上转子实际转速N等于定子旋转磁场的转速，即同步转速Ns，见式（2）：

式（2）中正负表示Nr与N转向相同或相反。相同时，取正，N小于Ns，称为欠同步运行；相反时，取负，N大于Ns，称为超同步运行。

将式（2）代入式（1），得式（3）：

可知，当转子转速N变化，通过调节f2，使得从定子角度看上去的转子磁场转速就可以保持恒定的同步转速。

转子交流频率、幅值、相位可调的优势：

（1）水轮机工况水轮机的运行范围调节更加灵活。

可逆式水泵水轮机运两种工况的最高效率区不重合，通常按水泵工况为基础进行水力设计，以水轮机工况的要求来校核，因此一般水轮机工况不能在最优运行区运行。相比定速机组，可变速机组可在满足相应水头和要求的出力下，调节转速、导叶开度，保持最高效率，即使水轮机工况在出力一定条件下发电需要的水最少，或水量相同条件下机组发出的功率更多。

（2）水泵工况可以快速地调节机组入力（轴功率）等。

定速抽蓄机组水泵工况额定转速运行时，根据水泵特性曲线，对应某个扬程的输入功率值限定在一个点，不能调节。由于可变速机组的水泵转速可调，对应某个扬程，调整转速，从而调节输入功率。水泵的入力与转速的三次方成正比，当转速升高10%或降低10%时，相应的水泵入力增大33.1%或减小27.1%。因此水泵工况电网频率变化时，变速机组具有自动调整输入功率的能力，为电力系统提供频率自动控制容量。

（3）实现有功、无功的快速调节机。

定速机组其励磁调节大多数采用直流励磁，通过调节励磁电流来调节同步发电机的无功功率，达到电网的要求。变速电机的励磁电流幅度可调，因此机组吸收或发出无功分量可以调节，功率因数也可调整，还可实现深吸无功稳定运行。变速机组的励磁电流相位可调，可使得发电状态的电磁调节过程快速完成，从而可快速调节发电机电压或无功。

（4）具有一定程度的异步运行能力，有利于电网稳定性。

变速机组具有一定程度的异步运行能力，它通过相位控制可获得快速有功功率响应，因为比常规同步电机具有较好的稳定运行性能，有利于电力系统稳定性的提高。即使机组失步以后，变速机组也较易于再同步。

（5）在水泵工况下可实现自启动。

定速抽水蓄能机组的起动方式通常为：定子外接变频器变频启动方式为主，背靠背作为备用方式。而变速机组则能实现自启动，具体起动方式为：在水泵工况启动前，先通过隔离开关短路定子回路，并通过定子回路中串联电阻提高启动转矩。起动过程中，交流励磁系统的输出频率逐渐变化，故变速机组能实现平滑启动。

目前，全世界变速抽水蓄能机组应用台数最多的是日本，如额定转速600r/min的小丸川电站机组，容量为475MVA/460MW的葛野川电站机组，投运时间超过20年的大河内电站机组和奥清津电站二期机组（1996 年投运）。欧洲也是可变速机组的集中应用之地，如德国Goldisthal抽水蓄能电站、斯洛文尼亚的AVCE抽水蓄能电站，分别安装了2台331MVA、1台195MVA的可变速机组。抽水蓄能变速机组运行优越性显著，对提高电网电能品质作用明显。我国的抽水蓄能电站建设进入快车道，但对变速抽水蓄能机组的建设应用缺乏研究。

2 抽水蓄能变速机组应用技术

2.1 容量配比和运维成本分析

仅从机组性能和运行效果来看，最优的配比方案应该是全部建设抽水蓄能变速机组。但我国电网规模较大，区域电网之间的连接相对较强，电网之间、网内各类电源之间的互补性较强，少量的变速机组投入大的电网中，很难体现出变速机组的优越性能，同时在变速机组建设成本较高的事实之下，不可能也没必要全部建设变速机组[8]。

利用模拟软件建立各类型区域的抽水蓄能变速机组运行效益评估模型，进行定量的实证分析，得到现有2030年电力规划方案下各区域科学合理的抽水蓄能变速机组容量在抽水蓄能机组中的配置比例。某一容量配比下的抽水蓄能变速机组使用该容量配比情景下的电力系统总费用与无变速机组情景下的电力系统总费用之差来刻画。

如图1所示，华北区域、华东区域、西北区域使得系统运行效益最优的新建抽水蓄能变速机组容量配比大致为50%、70%、40%。通过对比可见，华东区域负荷峰谷差较大，对抽水蓄能机组的调峰需求也较为突出。西北区域负荷峰谷差较小，负荷较为平稳，因此利用抽蓄电站进行调峰填谷的需求不大。当低于最佳容量配比时，当抽水蓄能变速机组容量逐步增加时，体现出明显的削峰填谷作用，系统调峰需求减小，火电等常规机组利用率提高，发电量与发电煤耗均有所下降，燃料成本与变动运行费用明显降低，对变速机组容量配比增加带来的投资增加抵消效果明显。当抽水蓄能变速机组容量配比超过最佳容量配比，抽水蓄能削峰填谷的空间明显减弱，系统运行费用的减少量逐步放缓，其抵消变速机组容量配比增加带来的投资增加作用越来越不明显。

图1 不同区域各配比情景运行效益（a）2030年华北区域各配比情景运行效益；（b）2030年华东区域各配比情景运行效益；（c）2030年西北区域各配比情景运行效益Figure 1 Operational benefits versus ratio in different regions

抽水蓄能电站的运维成本费用主要是由外购原材料和燃料动力费、修理费、工资及福利费等组成[9]，而修理费占运行维护费的87%。修理费包括修理费、设备检测费、委托运维费等。变速机组运行后的运维检修对象与定速机组基本一致，最大的区别在于变速机组转子采用双层绕组、励磁变频装置较大，从而导致相应的检修内容有所增加。我国目前尚无连续调节变速机组的建设、运行、管理经验，缺少抽水蓄能变速机组的实际运维成本数据。目前通过调研同时拥有定速机组与变速机组配置的日本奥清津、德国Goldisthal抽蓄电站的运行状况，变速机组与定速机组的运维成本并无明显差别。

2.2 调度策略和调用顺序

图2 变速机组与间歇性电源的配合调度策略与调度性能评价研究方法Figure 2 Research method for coordination scheduling strategy and scheduling performance evaluation of variable speed unit and intermittent power supply

2.2.1 调度策略研究

我国电网实行五级调度：国、网、省、地、县，抽水蓄能机组由网调或者省调直接调度[10，11]。相比常规定速机组，变速机组在电力调度系统中有利于促进坚强智能电网的建设，提高电网安全稳定性，可有效降低电站启停对局部电网的冲击，有利于提高与可再生能源电源的契合度等优势。因此基于变速机组的作用，对含变速机组与风电、太阳能发电等间歇性电源的配合调度策略与调度性能评价进行研究，方法如图2所示。首先对间歇性电源不确定性进行处理：对于风电，风机与风机间相对位置、风机所在地气温、湿度、地表等地理因素带来的预测误差分布可能不同。对于光伏发电，光伏阵列所在地区气温、湿度、云层、污秽程度等地理和气象条件都会影响光伏发电的预测准确度。根据中心极限定理，对于大量随机因素影响导致的预测误差可认为其服从正态分布。利用误差分布函数将间歇性电源预测出力离散化为一定数量的代表性出力场景。同时建立抽水蓄能变速机组处理模型：建立其水轮机工况与水泵工况运行模型、上下水库库容模型和工况选择约束。

接着将短期发电调度分解为2个阶段：日前调度阶段和时前调度阶段，基于二阶段决策理论，构建含抽水蓄能电站的电力系统经济调度模型并采用先进的优化算法如粒子群算法进行求解，得到变速机组的调度策略。为进一步化抽水蓄能电站产生的经济、环境等综合效益，对电站的运行情况进行评价，构建抽水蓄能参与电力系统调度性能评价模型，具体包含调度运行评价、调度经济性评价、调度环境效益评价，最后进行实证分析。

以三种情景实证分析为例，分别如表1～表3所示，分别给出了无抽蓄情景、定速抽蓄情景和变速抽蓄情景的弃风弃光情况。

表1 逐时段弃风弃光情况—无抽蓄情景Table 1 Gradual abandoned energy without pumped-storage power station

表2 逐时段弃风弃光及抽蓄出力安排情况—定速抽蓄情景Table 2 Gradual abandoned energy with fixed speed pumped-storage power units

表3 逐时段弃风弃光及抽蓄出力安排情况—变速抽蓄情景Table 3 Gradual abandoned energy with variable speed pumped-storage power units

经分析，三种情景下弃风弃光率分别为：24.2%、19.9%、16.9%。系统中没有抽蓄时，受火电机组启停调峰、低位运行煤耗升高、弃风弃光较多等因素影响，系统运行成本最高。加入定速抽蓄后，系统运行成本相比无抽蓄情景降低，主要由降低火电机组启停次数、提高新能源消纳能力和系统平均煤耗率下降带来；将定速抽水蓄能机组替换为变速抽水蓄能机组后，系统在负荷低谷时段负荷跟踪能力更为平滑，有效减少了弃风弃光，改善了其他类型机组运行状态，运行成本相比定速抽蓄情景降低[12]。

2.2.2 调峰调用顺序

常规煤电、常规水电、燃气发电以及抽水蓄能电站是电力系统调峰资源的主要来源。由于调峰手段各自的特性和成本不同，需要针对不同系统的特点，构建调峰资源调用决策模型，结合优化理论，形成调峰资源调度决策工具和调用顺序表，为系统的调峰调度提供理论支撑和参考。研究方法可采用以负荷持续爬坡事件为切入，通过以单位调节容量成本为关键指标实现调峰手段的调用先后顺序[13]。

有关结果表明在火电为主和清洁能源为主电力系统中，应对负荷爬坡事件时，抽水蓄能电站与常规电源机组调用顺序不完全固定。在负荷上爬坡事件中，一般在保障水电、风电、光电优先消纳，尚有剩余空间时由常规电源机组发电来实现电力平衡，抽蓄以发电工况参与调用顺序取决于抽蓄上一次抽水工况时电力来源成本与当前对应常规机组中发电成本的高低，若高过当前常规机组发电成本就后调用，反之则先于对应常规机组被调用。负荷爬坡事件同一时间清洁能源出力爬坡性质相反时，抽水蓄能电站先于常规电源机组被调用参与调峰。负荷爬坡事件同一时间内清洁能源出力爬坡幅度较大时，导致部分小容量常规电源机组反向爬坡参与调峰，让渡空间给清洁能源和大容量常规电源机组。爬坡事件中抽水蓄能机组往往优于火电深度调峰被调用。

2.2.3 交流励磁系控制及保护技术

抽水蓄能变速机组交流励磁系统控制需与调速器控制协调，以满足抽蓄变速机组不同工况机组的运行方式及控制要求。

整个控制系统中存在三个被控对象：有功功率、无功功率以及电机转速，而系统中可以调节的物理量则有变速电机转子的电压、电流（通过变换器调节）、频率以及水轮机导叶的开度（通过水轮机控制器调节）。国内南瑞集团根据机组工作水头和有功负荷功率，由机组运行特性曲线计算出最优转速和最优导叶开度信号，然后，导叶开度信号作用于调速器，通过交流励磁调节机组转速和有功功率。为了使抽水蓄能变速机组具有快速负荷响应特性，调速器控制水轮机的导叶开度来实现负荷和转速的粗调，而抽水蓄能变速机组交流励磁系统实现负荷和转速的细调从而使机组处于负荷最优运行状态。

保护技术方面，变速抽水蓄能机组应配置完善可靠的反应转子绕组相间短路、接地短路等故障的保护，以及反应过频、过电压等异常状态的保护功能。由于转子侧绕组电气频率是低频，且持续变化，对转子侧电气量互感器选型、保护测量算法等都提出新的要求。如常规电磁式电流互感器在频率很低时可能出现严重的暂态饱和，传变特性差，严重影响差动保护性能，甚至导致保护误动，因此应采用电磁特性满足要求的电磁式互感器，或者采用电子式互感。同时，保护软件上，应采用与频率无关的算法。

3 结束语

变速机组的抽水蓄能电站是一种高效、先进的调峰调频电源，为电网安全稳定运行提供更有力的保障，是电网发展到一定阶段后电力系统管理的有效工具之一。国内在抽水蓄能变速机组的应用也已起步，在科学合理规划、经济调度、调用顺序优化、交流励磁系统、控制和保护系统等相关技术方面逐步展开系统研究，并取得有效成果。此后，要以抽水蓄能电站快速建设为契机，针对我国国情和区域电网特点，进一步推进变速机组各项技术支撑建设，优化抽水蓄能电站的服务使命。