柔性直流系统中变速抽蓄机组与风电的协调控制策略研究

李 偲，郗文康，张德隆，张 妍，张 浩，李美成

（华北电力大学，北京102206）

目前，新能源发电增加了电力系统调节负担，传统交流电网难以负担超高占比的新能源外送，给新能源的外送与消纳带来困难[1].近年直流输电尤其是柔性直流输电发展迅速，它是一种更加灵活、环保和经济的输电方式，在大规模新能源输送、分布式发电、孤岛及城市电网供电等领域有独特优势，成为大规模新能源发电外送及消纳的首选[2-4].

但柔性直流输电故障时缺乏快速的备用功率支援、新能源大规模发电时弃风弃光量上升、发电量与负荷不能同时匹配等问题[5]对电网稳定运行也带来一定风险.作为目前公认的电力系统中最可靠、最经济、最大容量以及技术最成熟的储能装置，抽水蓄能电站在削峰填谷、平滑可再生能源并网冲击功率、调频调相、事故备用等方面具有较高的优越性[6-7].在电力系统中配置一定装机容量的抽水蓄能系统，是解决当前大规模新能源为负荷供电带来系列问题的优异选择.

目前，抽水蓄能电站相关技术不断发展，其中最瞩目的成果便是抽蓄机组的换代升级.传统定速机组运行于恒速恒频方式，存在转速不可随时调整以迎合电网需求等劣势[8].变速抽蓄机组是一种高效先进的调峰调频电源，它能实现变速恒频运行，平滑启动，快速调节有功无功、可以更大程度上减小新能源电源对系统的冲击，响应时间快，可为电网安全稳定运行提供更有力的保障[9-10].

我国的抽水蓄能电站目前采用的还几乎全是定速机组或者通过改变极对数方式的有极调速机组[11]，变速抽蓄机组的应用研究还较少，变速抽蓄机组在柔直系统中的功率调节能力研究也较少见.针对上述柔性直流输电及抽水蓄能存在的问题，本文构建了变速抽蓄机组与包含风电机组在内的柔性直流联合系统的模型，提出了协调控制策略并进行了仿真验证，对变速抽水蓄能机组在联合系统中的功率调节能力进行了分析，为今后的相关研究提供借鉴。

1 变速抽水蓄能机组结构及数学模型

1.1 变速抽水蓄能机组的结构

变速抽蓄机组与普通定速抽蓄机组的原理类似，区别在于发电电动机的转子结构及励磁系统[12]：变速抽蓄机组于转子线槽中布置三相交流励磁绕组，其励磁系统则由交流变频装置代替了常规定速机组的普通可控硅直流整流装置，变速抽蓄机组可采用电力电子器件实现转子的交流励磁.水泵水轮机自带机械调速器，是系统的原动机或负载，叶轮顺向转动时使水轮机带动发电机，逆向转动时电动机带动水泵转动.控制装置则用于产生功率和速度给定信号，分别用于控制变频器和导叶.变速抽蓄机组的原理示意图如图1 所示.

在变速抽蓄机组正常工作时，转子线槽中的励磁绕组通过三相交流电，也会产生一个相对于转子转动的旋转磁场.由于需要保持定子磁场频率为50 Hz不变，在转子旋转频率变化的情况下，只需调节输入转子励磁电流的频率即可使变速抽蓄机组恒频运行[13].根据能量转换定律可知，定子磁场的转速为转子机械转速与转子旋转磁场转速之和.而此时转子旋转磁场的相对转速与励磁电流频率成正比关系，如公式（1～3）所示. 综上，调节fr即可达到变速恒频的目的. 具体公式如下所示：

式中，f1定子磁场频率，为50 Hz；f2为转子旋转频率（Hz）；fr为转子励磁电流的频率（Hz）；n1为定子磁场的转速（r/min）；n2为转子机械转速（r/min）；nr为转子旋转磁场转速（r/min）；p为电机极对数.

图1 可变速抽蓄机组的原理图Fig.1 Schematic diagram of variable speed pumping unit

1.2 变速抽水蓄能机组的数学模型

由1.1 小节可知，变速抽水蓄能系统由变速机组、水泵水轮机、调速系统、断路器等部分组成，变速抽蓄机组采用的是双馈电机，与双馈式风电机组数学模型类似，其研究理论已较为成熟，在这里不做赘述，着重对调速系统及水泵水轮机的数学模型进行分析与研究.

调速系统包主要包括调速器和随动系统.首先，一般通过改变转速来调节水泵水轮机的输入功率，具体实现方法是采用含PID 的调速器，即含比例-积分-微分环节的控制器，该PID 控制器通过转速偏差不断进行调整与控制实现目标，可靠性比较高.调速器后面接的是随动系统，因为必须要考虑到波动工况下液压环节的动作速度过快使幅度超过到全行程位置的情况[14].调速器与电液随动型模型的具体框如图2.其中，Ty是接力器时间常数，该模型包括死区、随动系统的速率限制和饱和环节，分别用来处理误差值及限制幅值，可靠性较好.

图2 调速系统控制框图Fig.2 Control block diagram of the speed control system

根据发电和电动两种工况，可逆式水泵水轮机可分别运行于水轮机和水泵模式，两种运行工况的数学模型并不相同.对于水轮机来说，目前包括经典、线性和非线性模型等集中数学模型，考虑到本文的实际情况，在这里采用更适用于扰动场景的水轮机的非线性数学模型[15]：

式中，H、Q、G分别为水头（m），流量（m3/s）及导叶开度（mm）；Tw、At分别表示水流惯性时间常数、导叶系数；Pt为水轮机功率（kW），ρ、g、ηt分别为水的密度（kg/m3）、当地重力加速度（m/s2）及水轮机效率.

可逆式水泵水轮机运行于水泵模式时，根据水泵特性可拟合成如下曲线[16]：

式中，a0，a1，a2均为曲线拟合系数且为常数；nr、h为水泵转速和扬程；hd、hs、h1分别为泵升过程所需总扬程、静扬程与损失扬程；fe为水泵摩擦系数. 水泵机械功率也有如下公式：

式中，ηp为水泵效率，Pm是水泵功率，其余均与水轮机功率公式保持一致.

2 联合系统变流器的控制策略

变速抽蓄机组、风电机组及柔性直流系统变流器的控制策略均采用能量解耦的矢量控制方法.由于变速抽蓄机组与风电机组均采用的均为双馈电机，其本质是绕线式感性电机，所以控制方法与电机控制方法是相同的.目前主流控制策略包括矢量控制与直接转矩控制，由于直接转矩控制存在转矩脉动、调速范围受限、受时变参数影响等缺点，在这里采用适用范围广泛的矢量控制.而矢量控制根据依据其矢量定向的不同，又分为基于定子磁场定向、基于气隙磁场定向、基于转子磁场定向以及基于定子电压定向的矢量控制等矢量控制策略[17]，根据不同的应用场景，选择合适的矢量控制方法.本文中变速抽蓄机组、风电机组及柔性直流输电系统的变流器结构均为三相两电平电压源型变流器，所以控制方法均采用双闭环矢量控制.下面着重介绍变速抽蓄机组变流器的控制策略.

针对变速抽蓄机组的原理与特点，目前变流器拓扑结构主要有两电平、多电平、H 桥级联、MMC 以及交-交型变流器等几种主流类型[8]，它们各有优势，适用场景不同.结合本文的情况，选择控制简单，技术成熟的两电平变流器，其拓扑结构如图3 所示.

图3 变速抽蓄机组两电平变流器拓扑结构图Fig.3 Control block diagram of the speed control system

如图3，两电平变流器由电压源型换流器、电容等部分组成.每个电压源型换流器由3 个桥壁构成，每个桥臂由2 个大功率全控开关器件与对应的反向并联的二极管组成.电容的作用除去储能外，还能够对电流突变进行缓冲，此外还需配备滤波器以保证电能质量.

为了便于区分，将两变流器分为机侧变流器和网侧变流器，机侧变流器连接双馈电机的转子侧，网侧变流器从双馈电机定子侧连入电网，定、转子侧绕组可以同时向电网馈电.

对于机侧变流器，其控制目标是根据需求，向转子侧提供交流励磁电压幅值和相位，进而实现对双馈电机转速或有功的控制，此外还有对无功的控制，实现可变速抽蓄机组的稳定运行.矢量控制实现方法为基于定子电压定向矢量控制，即将定子电压矢量定向在d 轴，建立起在同步旋转坐标系下的方程.控制变量是有功功率和电网电流，完成功率外环，电流内环的双闭环控制.具体控制框如图4.

图4 机侧变流器矢量控制框图Fig.4 Vector control block diagram of the machine-side converter

根据图4 分析得，机侧变流器的双闭环控制首先将有功、无功功率给定值Pref和Qref分别与反馈功率P和Q进行比较，输出的差值经PI 调节器调整后输出电流d轴、q轴分量参考值irdref和irqref.两个d、q轴参考值再分别与坐标变换后的反馈值ird、irq 相比较，其差值经过PI 调节器运算后输出两个电压补偿分量Δurd、Δurq，再与各自的电压补偿项相加减，得到转子电压参考值再过经坐标变换，形成转子电压三相参考值uabcref，最后经过SPWM 脉宽调制生成触发脉冲控制机侧变流器的运行.

而对于变速抽蓄机组的网侧变流器，其控制目标除了维持直流母线电压恒定外，还需对网侧功率因数进行调节，进而实现对无功功率的间接控制.利用的矢量控制方法为基于电网电压定向的矢量控制，即将电网电压矢量定向在d 轴，同样需要建立起在同步旋转坐标系下的方程.控制变量是直流电压和电网电流，从而完成电压外环，电流内环的双闭环控制.具体控制框如图5.

图5 网侧变流器矢量控制框图Fig.5 Vector control block diagram of the grid-side converter

网侧变流器的双闭环控制与机侧变流器的不同之处在于控制参数的不同，给定值为直流电压Udcref，而为实现变速抽蓄机组的单位功率因数控制，设定定子侧无功功率的参考值为0，其余均与机侧变流器类似，具体的公式推导也不再赘述.

3 变速抽蓄机组与风电联合系统协同控制策略

变速抽蓄机组与包含风电机组在内的柔直联合系统结构拓扑图如图6 所示，该系统由风电场、抽水蓄能电站、柔性直流输电系统以及电网组成.系统构成主要有三种方式：风电与抽蓄电站直接相连，或者既与抽蓄电站相连又同电网相连，又或许仅与电网相连[18].为保障系统的稳定性，考虑将风电与抽水蓄能分别接入柔直电网，使得电能获得较高的利用效率与利益.

联合系统遵循新能源尽量优先消纳的原则，首先由风电机组为柔直受端侧的负荷进行供电，变速抽蓄机组做为削峰填谷、负荷跟踪及快速功率备用支援的储能工具.当风电机组因极端天气或意外因素发生有功功率下降或者在负荷用电高峰期，柔直输电系统迅速为负荷支撑功率，等变速抽蓄机组收到指令后，迅速运行至发电状态，利用上水库放水后产生的重力势能带动水轮机转动发电，切换其成为负荷的备用支撑.而当风电机组功率超出负荷需求或在负荷用电低谷期，将风电机组多余电能用于抽蓄电站的水泵，此时变速抽蓄机组处于抽水状态，下水库抽水将重力势能储存在上水库中.在这样往复循环的过程中，变速抽蓄机组输出或者吸收的功率可有效平滑风电机组带来的电能波动，通过合理配置使能源得到了充分有效的利用，实现了能量的转换储存以及电能的时间分配，并削弱了新能源对电网带来的运行风险.

如图7 及公式所见，通过柔直系统稳定输出功率Pdc与风电出力Pwind的比较差值，变速抽蓄机组获取有功功率给定参考值Pref，再与自身实时输出功率Pvspsu比较得出需要调整的功率差额Pgen，若Pref大于0，则此时变速抽蓄机组处于发电工况，水轮机运行状态；若Pref小于0，则处于电动工况，水泵运行状态.

随着风电机组的出力波动，变速抽蓄机组能够根据指令快速调节电机有功及无功输出，并能根据水头变化迅速调整电机转速，优化电机效率和调整水泵水轮机出力，平抑风电波动.交流励磁系统无功调节特性与常规机组相同，具备提高机组和电力系统稳定性的调节规律和功能.它使得原本具有波动性的间歇电源转换为可控可调的稳定电源，从而成为保证电网安全、稳定、经济运行的有力工具.

图6 变速抽蓄机组与风电联合系统控制框图Fig.6 Control block diagram of variable speed pumping unit and wind power combined system

图7 变速抽蓄机组协调控制策略Fig.7 Coordinated control strategy for variable speed pumping unit

4 算例分析

为验证本文提出变速抽蓄机组模型、变流器控制策略及联合系统协调控制策略的正确性，基于MATLAB/Simulink 搭建了如图8 所示仿真. 该仿真系统包括装机容量均为100 MW 的变速抽蓄机组G1 及风电机组G2，柔性直流母线电压为200 kV，线路输电长度为100 km，经两电平变流器接入电网，并为柔直系统受端侧的50 MW 负荷供电.

图8 变速抽蓄机组与柔直联合系统仿真等效拓扑图Fig.8 Simulation equivalent topology diagram of variable speed pumping unit and flexible DC combined system

模拟风电机组产生波动的情况，将短时间内的风电有功波动近似设置为阶跃变化，观察变速抽蓄机组在联合系统中的功率调节与平抑风电波动的能力.

联合系统中总是由风电机组优先为50 MW 的负荷供电，由图9（a）可见，当遇到意外天气原因导致风电发出有功功率跌落至20 MW 时，变速抽蓄机组接收到指令后，几乎是同时迅速切换至发电状态，提供30 MW 的功率缺额供负荷用电.2.9 s 左右风电机组功率小幅上升至40 MW，变速抽蓄机组仍能迅速追踪风电出力波动情况，送出负荷所需功率，使柔直系统送出有功一直保持在负荷所需的50 MW，由于变速抽蓄机组定子电流与有输出密切相关，因此有功随定子电流变化而变化，此时系统达到新的功率平衡状态.

而当风电机组输出功率超出负荷需求时，如图10（a）所示，1.1 s 时风电机组出现电能超出负荷需求的情况，规定变速抽蓄机组送出电能方向为正，吸收电能方向为负.此时多余电能输送给变速抽蓄机组，机组迅速切换至抽水状态消耗掉多余电能，柔直系统输出功率保持不变.在风电机组功率有小幅跌落后，变速抽蓄机组迅速由40 MW 调整至20 MW，保障整个系统的平稳运行.与发电工况类似，通过仿真结果同样可以看到输出有功随定子电流变化情况.可以发现，不论是在发电还是电动状态下，柔直电压的波动幅度保持在0.1%的范围内，系统波动较小，稳定性较高.如图9（c）与图10（c）所示，表明了变速抽蓄机组强有力的功率调节及平抑波动能力，同时也表明了协调控制策略的正确性与有效性.

图9 变速抽蓄机组发电工况仿真图Fig.9 Simulation diagram of power generation conditions of variable speed pumping unit

图10 变速抽蓄机组电动工况仿真图Fig.10 Simulation diagram of electric working condition of variable speed pumping unit

5 结 论

在变速抽蓄机组与包含风电机组在内的柔直联合系统中，当柔直系统供电侧的风电机组产生波动后，会对受端负荷功率需求和系统稳定性造成影响，而变速抽蓄机组可以平滑新能源并网冲击功率，是电力系统优良的削峰填谷工具.

本文通过对变速抽蓄机组数学模型、变流器控制策略以及联合系统协调运行策略的研究，建立了包含风电机组、变速抽蓄机组在内的柔性直流联合系统的仿真模型.仿真结果表明，在风电出力产生波动后，变速抽蓄机组能跟踪风电机组功率波动情况，迅速切换到发电或抽水状态，为风电机组功率“填谷”“削峰”，迅速提供后备功率或吸收多余电能，具有较强较快的功率调节能力，使得联合系统高效、稳定运行.但是，由于本文仿真结果单位为秒级，所以将风速模型近似设置为阶跃式，与实际风速模型略有差异；以及考虑到本文研究的着重点是对变速抽蓄机组、风电机组的联合运行并通过柔性直流送出的新搭配，因此在控制策略的选取上保守采用了经典结构与经典策略，后续在进一步的研究中将作深入改进.