基于新型电力系统条件下抽水蓄能电站静止变频器配置台数的优化研究

董海洋，衣传宝，王 龙

（山东潍坊抽水蓄能有限公司，山东省潍坊市 262600）

0 引言

抽水蓄能是当今世界容量最大、最具经济性的大规模储能方式，抽水蓄能电站被广泛建设，在电网中发挥调峰、调频、调相、储能、系统备用、黑启动等六大功能。随着新型电力系统的发展，抽水及抽水调相功能逐渐成为抽水蓄能电站发挥重要作用的关键，静止变频器启动相比其他抽水及抽水调相启动方式有诸多优点，合理配置静止变频器的台数作为提升抽水启动响应速度、提升电站运行可靠性的有效手段，可使抽水蓄能电站不断适应新型电力系统的发展变化。

1 基于新型电力系统运行方式下电网对抽水蓄能的需求分析

1.1 新型电力系统运行模式转变

新型电力系统发展过程中，新能源占比逐渐加大逐步实现绿色低碳转型，特高压交直流输电实现了电能从发电中心向受电中心的远距离大功率电能转移[1]。

在全球应对气候变化，我国努力实现“2030 年前碳达峰、2060年前碳中和”目标，加快能源绿色低碳转型的新形势下，新能源装机容量持续快速增加，在电网中所占比例逐渐增大。由于太阳能、风能等新能源受季节、气候、昼夜等因素影响，发电出力波动较大，使电网的潮流波动更加频繁。同时，特高压交直流输电的跨地区大功率电能转移，将潮流波动引向受端电网，对受电端电网负荷调节能力提出了挑战。

1.2 新型电力系统条件下抽水蓄能电站作用转变

随着新型电力系统的发展，抽水蓄能作用逐渐增大的同时，也在发生着变化。调峰作用更加重要，并且逐步从弥补用电高峰的功率缺额向消纳用电低谷的富余电量转变，储能作用更加突出，另外，调频、调相及系统备用的作用也进一步增强，并对抽水蓄能电站消纳电量的响应速度和可靠性也提出了更高的要求。[2]

抽水蓄能发挥作用的主要形式从发电转为抽水及抽水调相，抽水运行方式也从长时间抽水转为短时间多台次快速启动抽水。

2 抽水蓄能电站抽水启动工作方式及原理

由于抽水蓄能机组的发电电动机为同步电动机，水泵工况机组启动的过程实质上是大型同步电动机的启动过程，如果机组在静止状态下直接并入电网，会因电网电压直接加在机组定子绕组上产生很大的定子电流，对电网和机组均造成较大的冲击，威胁电网和机组安全，因此，需要采用辅助的设备将抽水蓄能机组从静止拖动到同步转速，实现同期并网[3]。

抽水蓄能电站机组的启动方式有同轴电动机启动、异步启动、背靠背启动、半同步启动、同轴水轮机启动以及静止变频器启动，由于机组容量的不断增加，许多启动方式已不能满足要求，静止变频器启动和背靠背启动成为机组抽水工况的主要启动方式。[4]

2.1 静止变频器启动工作原理

静止变频器利用晶闸管换流装置将工频交流电整流成直流电，再将直流电逆变成为频率可调的变频交流电，将该变频交流电输出至同步电动机的定子绕组，形成变频的旋转定子磁场，与转子中励磁电流形成的转子磁场相互作用，带动转子旋转，随着静止变频器输出交流电的频率不断增大，定子磁场的转速不断提升，带动转子转速从零逐步提升至额定转速后机组并网，完成启动过程[5]。

2.2 背靠背启动工作原理

背靠背启动需要一台机组做发电机运行来启动其他抽水蓄能机组，启动前将被拖动机组与拖动机组在电气上连接，两台机组定子三相绕组连接并在转子施加励磁。当拖动机组以发电方向启动时，输出变频电压，该电压在被拖动机组定子形成变频电流和变频磁场，拖动被拖动机转子旋转，转速达到额定转速后以准同期方式并网，再解除拖动机，完成启动过程。

2.3 两种启动方式的优缺点

静止变频器启动适用于各种容量的电动机启动，尤其适用于大容量电动机。静止变频器启动方式是抽水蓄能机组抽水及抽水调相工况启动的首选启动方式。因变频器功率元件都是静止元件，维护工作量小，工作可靠性高，设备布置比较灵活，可多台机组共用一套。它的主要优点是其他启动方式所无法比拟的。

背靠背启动需要两台机组配合启动，需要两台机组通过隔离开关及母线实现电气连接，启动过程中需要随时监视检测两台机组的转速并保证励磁、调速器等多套设备协同工作，否则将会导致拖动失败。背靠背启动的复杂性导致其可靠性大大降低。同时，机组背靠背启动受水道闭锁影响，不能实现所有机组全部启动抽水。[6]

从可靠性、启动灵活性等方面相比较，静止变频器启动有着较大的优越性。抽水蓄能发展初期受限于国外技术壁垒和较高的设备进口费用，在国家创新驱动战略的大力推动下，“十二五”期间我国研制成功了首套具有完全自主知识产权的大型抽水蓄能电站静止变频器，该设备于2014年4月在响水涧抽水蓄能电站正式投入运行，截至目前，安徽绩溪、白莲河等多家抽水蓄能电站国产静止变频器已投入运行，达到国际先进水平，越来越多的新建电站安装国产静止变频器，国产静止变频器已在国内抽水蓄能产业中占据了较大份额，同时带来了静止变频器的购置成本大幅下降，实现了自主可控，为大范围推广使用创造了条件。

3 抽水蓄能电站适应新型电力系统发展的优化思路

从新型电力系统的发展方向可以看出，抽水蓄能电站的抽水及抽水调相工况将取代发电工况成为在电网中发挥作用的主要形式，也指明了抽水蓄能电站为适应新型电力系统发展的优化突破口，即解决抽水及抽水调相启动响应过慢、备用启动方式不可靠的问题。

3.1 静止变频器的一般配置

依据NB/T 10072—2018《抽水蓄能电站设计规范》要求，“当机组台数为6台及以上时，宜选用两套变频启动装置（SFC），互为备用。机组台数少于6台时，宜选用一套变频启动装置，并以背靠背同步启动作为备用启动方式；当厂内或邻近有常规水电机组可利用时，也可采用常规机组同步启动方式；机组容量不大，且在电网允许的情况下，可选择异步启动”[7]。目前，抽水蓄能电站一般选址上水库均无自然来水，多为两管四机或三管六机的机组安装方式，单机容量150～400MW不等，单机容量较大，静止变频器启动就成为抽水蓄能电站的常规启动方式。静止变频的配置台数及启动方式也相应依据此规范进行设置。

两管四机型式的电站，静止变频器布置在主变压器副厂房一侧，通过启动母线与各机组连接，每台机组额外设置拖动闸刀，用于机组间互相拖动，以背靠背启动作为备用启动方式。

三管六机型式的电站，静止变频器布置在主变压器副厂房两侧，每台静止变频器通过启动母线连接3台机组，启动母线中间设置隔离开关，机组不再设置拖动闸刀，两台变频器之间互相备用。

3.2 新型电力系统下抽水蓄能电站优化思路

抽水及抽水调相工况响应过慢。目前抽水蓄能机组发电工况从停机到发电稳态的时间一般为3～5min，可以满足电网大功率电源缺失的迅速响应。而抽水工况的启动时间一般要达到13～15min，且因为电站常规布置1～2台静止变频器，安装4台机组的电站完成全部机组拖动启动需要60min，安装6台机组的电站完成全部机组拖动启动需要45min（每台静止变频器连续拖动3台机组启动消耗的时间），尚不能完全满足电网在大功率负荷缺失情况下对抽水蓄能电站迅速响应的要求。这就出现了电网调度为保抽水负荷投入的及时性，需要电站将多台机组启动到抽水调相工况进行空载备用的情况。

机组抽水启动可靠性较低。安装4台机组的电站只配置1台静止变频器对该静止变频器的稳定性要求极高，静止变频器任何轻微故障将直接导致电站失去可靠的抽水启动手段[8]；背靠背启动方式作为备用抽水启动方式可靠性较差，且只能启动3台机组进行抽水；随着电站运行时间的增加，电子元件的寿命降低，静止变频器的故障率不断提升，导致电站的运行可靠性大幅降低，成为电站运行的安全隐患；因静止变频器的关键性和唯一性，其检修改造的困难及代价也是巨大的，甚至需要全厂机组长时间退出备用。

静止变频器启动频繁加速老化检修进程。每台静止变频器拖动启动的机组台数过多，启动频率的增加会加速电子元器件的老化，且由于静止变频器的主要依靠晶闸管等功率元件进行整流逆变，不适宜长时间运行。随着电网运行方式的变化，每台机组一天启动抽水的次数可能从1次增加至2～3次或更多，因此更增加了静止变频器的工作负担，加速了其大修改造的进程，造成运行成本的大幅提高。

综上所述，为更好地适应新型电力系统发展，充分发挥抽水蓄能电站功能作用，可以通过增加静止变频器的配置台数实现静止变频器的互相备用，提高抽水蓄能机组抽水及抽水调相启动的响应速度。而解决这个问题，就需要从抽水蓄能电站的设计和厂房开挖之初考虑，需要在地下厂房内提前开挖出足够空间布置冗余的静止变频器。

4 抽水蓄能静止变频器合理配置台数分析

一管四机型式的抽水蓄能电站由于水道闭锁原因，依靠背靠背启动方式只能启动一台机组抽水，常规情况都会配置2台静止变频器作为抽水启动手段，所以本文不再讨论。本文主要讨论在新型电力系统的运行模式下，为提高电站抽水启动服务电网的响应速度，保障抽水蓄能电站运行及备用的可靠性，两管四机和三管六机型式的抽水蓄能电站中静止变频器的合理配置台数。

为提高机组的抽水响应速度，降低静止变频器的老化消耗，每台机组配置1台静止变频器理应是最优的，但因在同一水道中同时启动两台机组抽水的情况下，输水压力钢管中会出现较大的水力扰动，同时考虑投资的最优化，所以共用一条水道的两台机组仅适宜配置一台静止变频器。

4.1 两管四机电站静止变频器配置分析

由于两管四机型式的电站配置1台静止变频器，在新型电力系统中存在可靠性和抽水启动响应速度极低的问题，为适应新型电力系统的发展需求，提高服务电网的能力，配置2台静止变频器较为合理。2台静止变频器分别布置于主变压器副厂房两侧，每台静止变频器输入断路器通过启动母线连接两台机的被拖动闸刀，中间设置联络闸刀，每台静止变频器负责拖动同一水道的两台机组，任一台故障时另外一台作为备用。

在电网需要紧急启动多台机组抽水时，1号静止变频器分别拖动1、2号机组启动，2号静止变频器分别拖动3、4号机组启动，可保证30min内4台机组全部完成抽水启动，较原来启动时间减少一半；该模式下，两台静止变频器相互备用，任一台故障或检修情况下，另一台可保持备用并完成全部4台机组启动，并可取消背靠背启动备用方式，可靠性大幅提升；每台静止变频器只需拖动两台机组，每日启动次数减半，且由于维护更加方便，可进行更深入、可靠的定期检查维护，不必担心机组失去备用，因此静止变频器的使用寿命进一步增加，大大降低了大修改造成本。

4.2 三管六机电站静止变频器配置分析

三管六机型式的电站本身已经配置了2台静止变频器，能够满足互相备用，可靠性相对较高，为适应新型电力系统的发展需要，进一步提高其抽水启动的响应速度，可选择配置3台静止变频器，每台静止变频器负责拖动同一水道的两台机组。两台静止变频器仍然布置在主变压器副厂房两侧，第三台静止变频器垂直于主变压器副厂房布置，每台静止变频器输入断路器通过启动母线连接两台机的被拖动闸刀，相互之间设置联络闸刀，3台静止变频器互相备用。

在电网需要紧急启动多台机组抽水时，3台静止变频器分别拖动各自连接的机组依次启动，可保证30min内6台机组全部完成抽水启动，较原来启动时间减少15min，在1台静止变频器故障的情况下，仍可在60min内完成6台机组全部抽水启动；每台静止变频器只需拖动两台机组，每日启动次数为原来的2/3，可一定程度上提升静止变频器的使用寿命，降低大修改造成本。

5 结束语

在新能源大力发展，特高压交直流电源大量接入新型电力系统的发展形势下，抽水蓄能电站的抽水工况及抽水调相工况将取代发电工况发挥越来越重要的作用，对抽水蓄能电站抽水及抽水调相启动的响应速度、灵活性、可靠性提出了更高的要求，作为机组抽水启动的核心设备，静止变频器的合理配置及使用将成为抽水蓄能服务新型电力系统的关键。通过分析，在两管四机和三管六机型式的抽水蓄能电站，适宜安装与输水系统水道相等数量的静止变频器，以达到最优的抽水及抽水调相启动响应效率，最大程度地服务新型电力系统。