抽水蓄能变速机组技术研究进展

孙文 刘冲

摘要：抽蓄变速机组调节精度高、响应速度快，调节幅度大，有利于未来坚强智能电网的建设。本文首先介绍抽水蓄能变速机组的工作原理;然后对相关关键技术的研究进展进行综述;最后对抽水蓄能变速机组在发电工况和抽水工况的控制进行归纳总结，为抽水蓄能变速机组研究提供参考依据。

引言：

全球能源结构在发生变化，从传统的能源发展到与新能源结合的模式，抽水蓄能在国内发展迅速。抽水蓄能技术的应用可以调节系统的灵活性，提高大电网的安全稳定性，对提高新能源消纳起到促进的作用。抽蓄机组的应用是当前最经济环保的调节手段之一。新能源装机容量不断增加，如何合理解决电网稳定运行是个非常值得研究的问题。定速抽水蓄能机组在调度过程中的调节范围比较小，扬程偏离额定值是会造成抽水效率比较低。采用抽蓄变速机组投入电力系统实现新型低碳调度，发挥变速机组运行范围宽效率高的优点。

抽蓄变速机组具有调节精度高、响应速度快等特点，调节幅度大有利于坚强智能电网的建设，变速机组相比较其他方面的投入相对来说比较经济。抽蓄变速机组在地区电网中的实际应用可以解决新能源的消纳问题，优化区域内电网实际运行减少切机情况的发生[1]。抽水蓄能变速机组具有抽水工况可进行自动频率控制、瞬时有功功率调节和瞬时无功功率的高速调节[2]。文献[3]就国内抽蓄电站四个阶段的发展进行了全面的总结，同时为未来抽水蓄能发展指明方向。抽蓄在国家电网公司的定位，投资和规划收益的制度也在进一步完善。文献[4]针对大型抽水蓄能机组的水头变化较大的问题进行全面综述，提出蓄能DFIM技术将成为水电行业发展的趋势。文献[5]根据电站的实际概况和无极调速的特点提出了相关控制策略为后期研究提供了支持依据。文献[6]为有效解决在功率缺失的情况，设置抽水蓄能机组可以提高故障恢复的能力。文献[7]在水泵运行的条件下，负荷的灵活可调度性可以减小传统的出力。文献[8]重点研究区域电网中的新能源发电与传统的水电火电机组结合，将抽水蓄能电站考虑在内能提高可再生能源的消纳率。

本文主要从抽水蓄能变速机组的工作原理，相关关键技术的研究进展和抽水蓄能变速机组在发电工况和抽水工况的控制进行阐述归纳总结，为抽水蓄能变速机组研究提供参考依据。

一、抽水蓄能变速机组关键技术概述

图1抽水蓄能变速机组结构图[1]

变速机组在负荷、新能源集中的区域和特高压受端区域电网中能够承担重要的作用[14]。文献[12]基于PSCAD软件建立了变速机组的数学模型，重点研究变速机组在发电和抽水两种工况条件下相关阶段的励磁控制策略，仿真结果证明了控制系统的可行性。文献[5]为了推进交流励磁机组在国内的发展，根据抽水蓄能电站工况和无极调速机组的自身特点分析其控制策略。文献[17]对电机定子短接转子变频启动的工况进行数学建模，分析定转子磁链和转子电流的物理关系并提出了机组的自启动控制策略。仔细划分了启动过程的六个阶段，仿真验证机组可以从平稳升速至额定转速。文献[18]主要研究双馈感应电机用背靠背并联交流器的矢量控制策略，重点是改进可变速机组的主回路拓扑实现电机在不同运行工况下的有功和无功功率的解耦。文献[19]主要对先进控制算法进行研究，实验多目标优化控制进行在线计算的一种电压矢量选择方法。

文献[20]就抽蓄变速机组的启动与制动问题提出相应的控制策略，依据定子磁场的物理模型建立定子磁通观测器。文献[21]研究将三电平变换器应用到抽蓄变速机组，在原有的基礎上加入中点电位的偏移值反馈合成虚拟矢量，仿真结果验证了该模型。文献[22]主要研究可变速机组的发电电动机的基本数学模型，建立非正弦励磁谐波分析模型并对谐波磁势深入讨论，该模型证明将非正弦励磁考虑在内可以加强机组运行的可靠性。文献[23]对定子绕组短接建立ACE-VSPSU物理模型，提出了相关自启动矢量控制策略及检测方法，仿真结果表明变速机组可以很好的启动。文献[24]将逆变器对电压的影响情况考虑在内，提出自抗干扰的交流励磁控制系统模型。文献[25]分析交流励磁的特点，仿真结果表明，两电平的变流器用于容量较小的交流励磁系统，多电平变流器采用大容量的交流励磁系统。文献[35]主要是针对变速机组调速器与交流励磁控制系统如何合理的控制问题，变速机组的实际运行特性曲线采用径向基函数进行插值推导控制的数学模型，提出一种建立在机组运行特性曲线的自适应协调控制方法。

文献[26]通过对比定速机组与变速机组的不同，结合现场实际运行数据分析变速机组运行相关成本。研究结果表明在运维成本相同的前提下，变速机组的运行时间提高20%。文献[27]将抽蓄变速机组与定速抽蓄机组的工况转换控制差异进行对比，重点研究工况转换方式和相关控制原则。文献[28]针对抽蓄变速机组的监控系统进行研究，深入分析对比两者的机械结构与励磁控制方向进行一定程度的修改建立水泵启动方向的监控流程。文献[29]就抽蓄变速机组的优势进行阐述，深入分析了变速机组与定速机组的投资成本问题进一步研究了变速机组的容量配置问题。在给定的区域电网内，建立数学模型得出新建变速机组站新建抽蓄机组的最佳经济比例。文献[30]通过建立机侧变流器与网侧变流器的模型控制策略，可变速机组在两种模式下分别对有功和无功进行控制。风光储互补系统的仿真结果表明能有效抑制电网的波动。文献[31]将抽蓄电站与常规水电结合，通过综合效益分析得出二者的结合有显著的经济和社会效益。文献[32]依据混合式抽水蓄能电站的特性，将大规模风电并网考虑在内建立联合调度数学模型，采用离散动态规划的逼近算法进行求解。计算结果表明该联合调度方案合理。抽蓄变速机组不仅可以有效的调节有功功率的大小;还可以提高无功功率的数值稳定度。电能质量得到一定程度的改善且发电的效率也进一步提升，随着大规模新能源接入充满着不可预测性，抽蓄变速机组能很好的平衡频率波动。

二、抽水蓄能变速机组发电工况与抽水工况控制

文献[30]对抽水蓄能变速机组的有功参考功率和无功参考功率的形成进行数学推导，文献[7]对抽水蓄能变速机组的发电工况和抽水工况进行探讨，并没有将新能源发电等波动因素考虑在内，本文将新能源发电因素考虑在内，重新引入有功参考功率和无功参考功率可以提高发电工况和抽水工况条件下的稳定性。

（一）抽水蓄能变速机组发电工况控制分析

电网调度中心通过功率预测、效率和水电站的库容量计算获得能量平衡的最优功率，控制系通通过系统中的负荷波动追踪和频率控制获得对应的附加控制变量，最后获得有功功率的参量数量值。功率给定值与机组功率的参考值相互叠加获得总功率命令信号值，对比反馈到前馈导叶信号发生器、最优转速信号发生器;最优转速信号发生器获得当前转速的给定值与测速装置通过转速大小量值的测量直接反馈给调速器，通过比较反馈给同步导叶和非同步导叶。前馈导叶信号发生器和调速器共同作用进一步控制水泵水轮机的导叶开度，控制机组流量的大小。总的功率命令信号也直接反馈到信号自动功率调节器，发电电动机输出功率也反馈到自动功率调节器，此时发电机输出的总功率与此时的总功率命令信号相适应。机组的无功功率是根据电压稳定控制计算出的，电网的实际电压与参考电压叠加获得附加的无功功率值△Qu与系统的设计功率叠加获得可变速机组无功参考功率输入自动电压调节器作为系统稳压的重要条件。

（二）抽水蓄能变速机组抽水工况控制分析

功率给定值与有功功率参考值叠加获得总功率命令信号值，在水泵工况下反馈到最优导叶信号发生器、自动功率调节器，最优转速信号发生器。最优转速信号发生器获得当前转速给定值与测速装置值比较，相互叠加之后反馈到PID调速器。电动机输入的功率与功率命令信号值相适应。最优开度信号发生器根据当前功率信号值结合扬程的条件对导叶进行控制。

三、总结

抽水蓄能电站的建设对当前电网的发展是有益的，是顺应电网发展的趋势。同时也是对绿色可持续发展政策的响应。区域电网中的负荷差越大越大会对机组的稳定运行产生影响，在抽蓄电站中配置一定量的变速机组可以提高系统内的资源配置。抽水蓄能变速机组在发电工况下可以调节有功出力，在水泵工况下也可以调节负荷改善火电机组的出力。抽水蓄能变速机组在一定范围内依据不同水头选择不同的运行转速提高机组运行的性能，同时成为平衡可再生能源发电出力波动的有效手段。

关于抽水蓄能变速机组的主要研究问题，主要包括：交流励磁系统，机组的启动流程，工况转换等相关过程的技术问题，变速机组的很多研究都是建立在定速机组的基础之上，抽水蓄能变速机组的运行成本问题，抽水蓄能变速机组在抽蓄电站中的最优容量配比问题，变速机组与常规水电、常规火电或者新能源发电如何合理的联合调度控制仍然是值得研究的重要課题。抽水蓄能定速机组与变速机组的在建设中的相同点和不同点如何去把握也值得我们去认真思考。

参考文献：

[1] 衣传宝，梁廷婷，汪卫平，陈超，何俊峰，付俊波.变速抽水蓄能机组在地区电网中的应用研究[J].水电与抽水蓄能，2020，6（01）：9-12.

[2] 卢伟甫，王勇，樊玉林，陈瑞，孙晓霞.抽水蓄能变速机组应用技术概述[J].水电与抽水蓄能，2019，5（03）：62-66+11.

[3] 林铭山.抽水蓄能发展与技术应用综述[J].水电与抽水蓄能，2018，4（01）：1-4+22.

[4] 刘文进.大型变转速抽水蓄能发电电动机核心技术综述[J].上海电气技术，2012，5（03）：40-47.

[5] 简优宗，衣传宝，杨合民，孙素娟，王瑞.大型抽水蓄能电站交流励磁机组控制策略研究[J].水力发电，2015，41（04）：53-55+78.

[6] 谈超，刘俊伟，张小白，李慧聪，李娜，滕贤亮.大功率缺失下抽水蓄能机组分阶段有功控制方法与实现[J].电力系统自动化，2019，43（03）：193-199.

[7] 桑原尚夫，代永成.大河内电站400MW变速抽水蓄能机组的设计及动态响应特性[J].水利水电快报，1997（03）：1-5.

[8] 曹楚生.抽水蓄能有利于清洁能源消纳[J].水电与抽水蓄能，2017，3（03）：1-5.

[9] 梁廷婷，崔继国. 各种储能方式对比分析及抽水蓄能技术发展趋势探讨[C]. 中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集2018.

[10] 黄顺礼，葛新.抽水蓄能机组变速技术的进展[J].华中电力，2000（01）：68-69.