全功率变速抽水蓄能机组用于提升电网频率稳定性控制策略研究

2020-11-21汪卫平刘海滨邱雪俊

水电与抽水蓄能 2020年5期

陈超，汪卫平，刘海滨，邱雪俊，陈磊

（华东琅琊山抽水蓄能有限责任公司，安徽省滁州市 239000）

0 引言

近年来，随着风电、光伏发电等间歇性可再生能源的大规模接入，在电网中所占比例日益增大，这给电网的安全稳定运行提出了很大的挑战[1]，电网频率控制尤其是夜间频率控制变得更加困难[2-3]。电网频率控制的高要求与频率控制手段匮乏特别是精细化控制手段匮乏形成一对矛盾。

抽水蓄能电站在调峰填谷、保障电网稳定运行方面作用突出[4-5]，但传统的定速抽水蓄能机组在水泵工况只能满负荷抽水，不能根据系统需要进行功率调节，因此无法满足电网快速、准确进行电网频率调节的要求。而可变速机组与定速机组相比，最大的区别在于机组能在额定同步转速附近的一定范围内无级变速运行，实现抽水功率可调，无论是提高电网安全稳定运行水平还是提高资源利用率，均具有现实意义。

变速抽水蓄能机组根据拓扑差异可以分为全功率型和双馈型两种。前者通过背靠背交直流变流器接入电网，其变流器容量通常与机组容量相近。随着大功率电力电子器件技术的发展，国内变速抽水蓄能机组技术得到了很大的发展。文献[6]研究了双馈型变速抽水蓄能机组建模方法，重点分析了水轮机的模型。文献[7]同样基于双馈型变速抽水蓄能机组提出基于PID控制的虚拟惯性控制策略。文献[8]研究了全功率变速抽水蓄能机组平抑新能源功率波动控制方法。上述研究成果为变速抽水蓄能机组的理论和应用研究提供了良好的基础，但在变速抽水蓄能机组参与电网安全稳定控制策略方面还有待进一步深入。

本文针对全功率变速抽水蓄能机组的快速调节特性，研究其用于提升电网频率稳定性的综合有功控制策略。首先，基于对全功率变速抽水蓄能机组的数学模型分析，在机电暂态仿真软件DIgSILENT中搭建了100MW全功率变速抽水蓄能机组模型，并验证其有功功率快速调节特性。其次，针对变速抽水蓄能机组的快速调节能力，提出了全功率变速抽水蓄能机组参与电网频率调节的综合控制策略，包括参与电网正常一次调频及紧急情况下有功—频率控制策略。最后，基于搭建的典型电网模型，验证了本文所提出的有功综合控制策略。结果表明：全功率变速抽水蓄能机组通过快速的功率调节和频率响应，能够显著提升系统的频率稳定性。

1 全功率变速抽水蓄能机组数学模型

对于全功率变速抽水蓄能机组的并网变流器，目前也较多采用双PWM背靠背式结构，分别由网侧逆变器和机侧整流器组成。如图1所示给出了全功率变速抽水蓄能机组发电系统的拓扑结构。

1.1 水泵水轮机

发电工况下，水泵水轮机与常规水电机组的水轮机控制类似，通过导水叶开度的调节实现功率的调节，其数学模型如图2所示。

图1 全功率变速抽水蓄能机组拓扑结构Figure 1 Topological structure of FSC-VSPS

图2 水轮机模型控制框图Figure 2 Control block diagram of hydraulic turbine model

而在电动工况下，水泵水轮机工作在水泵状态，其入力与转速呈三次方关系[9]，通过转速的调节，可实现水泵抽水功率的调节。

1.2 机侧变流器

机侧变流器直接与机组相连，其外环控制根据控制目标的不同，可以分为有功类控制和无功类控制。对于有功类控制，通常采用定直流电压控制，其主要目标为控制机侧变流器、网侧变流器功率的平衡。而对于无功类控制，可采用定交流电压控制，以维持机端电压稳定，其控制框图如图3所示。

图3 机侧变流器控制框图Figure 3 Control block diagram of side converter

其中，VAC、VACref分别为机端母线电压实测值、参考值；Vdc、Vdcref分别为直流母线电压实测值、参考值。

1.3 网侧变流器

网侧变流器直接与外电网相连，与机侧变流器类似，通过有功、无功解耦控制可以实现有功类控制和无功类控制，且在发电、抽水工况下可以实现四象限运行。对于有功类控制，通常采用定有功功率控制，而对于无功类控制，可采用定交流电压或定无功功率控制，其控制框图如图4所示。

其中，P、Pref分别为网侧有功功率实测值、参考值；Q、Qref分别为网侧无功功率实测值、参考值；VAC、VACref分别为交流母线电压实测值、参考值。

图4 网侧变流器控制框图Figure 4 Control block diagram of grid side converter

2 全功率变速抽水蓄能机组功率调节特性研究

基于上述基本控制理论，在DIgSILENT软件中分别搭建全功率变速抽水蓄能机组发电和抽水工况下机电暂态模型，其容量为100MW，机端母线电压为10.5kV，额定频率为50Hz。下面分别基于发电工况、抽水工况仿真全功率变速抽水蓄能机组响应功率调节指令情况。

2.1 发电工况

在正常运行时，全功率变速抽水蓄能机组工作在发电工况，发电功率90MW，在0.5s发出功率指令由90MW阶跃至100MW，其有功功率响应曲线如图5所示。可以看出，发电工况下，变速抽水蓄能机组功率响应在0.1s左右即可达到目标值。

图5 发电工况有功功率响应Figure 5 Active power response in generating mode

2.2 抽水工况

在正常运行时，泵功率为满功率抽水100MW，在0.5s发出功率指令由100MW下阶跃至90MW，其有功功率响应曲线如图6所示。可以看出，抽水工况下，全功率变速抽水蓄能机组功率响应在0.1s左右即可达到目标值。

由上述分析可知，全功率变速抽水蓄能机组在发电、抽水两种工况下均具备快速功率响应能力，且通过电力电子接口可实现非同步转速运行，提高机组在不同水头、流速下的运行效率。

3 参与电网频率调节控制策略研究

3.1 参与电网一次调频控制

对于常规机组，如运行在泵工况，其输出功率无法响应电网频率变化。相比于常规抽水蓄能机组，全功率变速抽水蓄能机组在发电、抽水工况下均具备快速响应能力[9-10]，且实现了输出功率与电网频率的解耦控制，因此，可以很好地应用于参与大电网频率调节，提升系统频率稳定性。

图6 抽水工况有功功率响应Figure 6 Active power response in pumping mode

通过对外环功率控制指令进行附加控制，提出基于全功率变速抽水蓄能机组的有功—频率控制策略，其控制框图如图7所示。附加功率控制指令满足由式（1）得到：

其中，fref、f、Δf分别为电网频率基准值、测量值、频率偏差量，db为死区环节输出，Kd、KdrooP分别为虚拟惯性系数、频率下垂控制系数。由于采用电力电子接口并网，全功率变速抽水蓄能机组无法对电网提供惯性支撑，因此，通过添加虚拟惯性控制环节，使全功率变速抽水蓄能机组具备一定的惯量支撑能力。

图7 一次调频控制框图Figure 7 Primary frequency control block diagram

3.2 参与电网紧急频率控制

对于一些分层分区相对明确的地区电网，一旦500kV主变压器出线N-2或者进线故障，可能造成局部孤网的现象，引起局部电网的频率稳定问题。为了维护紧急情况下的系统频率稳定，常规的第三道防线控制措施主要包括主动解列、负控系统快速减负荷、优化全网低频减载配置等措施，降低大面积停电风险。

基于以上背景，本文提出全功率变速抽水蓄能机组参与电网紧急频率控制策略。

在发电运行工况下，如果频率跌落到一定边界（如49.9Hz）时，开始发电机功率的快速调节，增加变速抽水蓄能机组的发电机功率至最大水平，如果频率继续下降则维持最大功率，如果频率恢复，发电机功率也恢复到故障前水平，如果频率高于50.1Hz，则将发电机功率降低至最小功率，经ts延时后，如果频率恢复，同时也将功率恢复至故障前水平。如果频率继续升高，则在高周切机第一轮次（50.6Hz）直接切除机组。因此，在紧急情况下，考虑首先通过变速抽水蓄能机组的快速调节，对电网提供支撑。结合变速抽水蓄能机组功率调节后系统的频率情况，进一步判断是否需要切机或切泵。其控制策略如图8所示。

图8 发电工况紧急频率控制策略Figure 8 Emergency frequency control strategy in generating mode

在泵运行工况下，如果频率跌落到一定边界（如49.9Hz）时，开始负荷功率的快速调节，降低变速抽水蓄能机组的负荷至最小负荷水平，如果频率继续下降至低频减载第一轮次，如49Hz，则直接将泵切除。如果频率高于50.1Hz，则将泵功率增加至最大功率，经ts延时后，如果频率恢复，同时也将功率恢复至故障前水平。如果频率没有恢复，则维持泵运行的最大功率。其控制策略如图9所示。