抽水工况下抽水蓄能电厂风电波动调节技术

摘 要：鉴于多数抽水蓄能电站安装可逆式机组的现状，该文提出一种运用双馈变速技术扩展风电波动调节范围的方案，利用电子元件实现发电机转子交流励磁，进而对机组的转速与功率进行解耦控制，达到动态调节、快速响应的目的。使用Matlab平台构建抽水蓄能机组模型并进行动态调节仿真，结果表明机组电磁功率调节的速动性良好，无论是在水轮机工况还是水泵工况下都能完成风电功率波动调节，切实提高抽水蓄能机组的调节能力。

关键词：抽水蓄能机组；双馈电机；调速器；动态调节；Matlab仿真

中图分类号：TM614 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）31-0168-04

Abstract： In view of the current situation of installing reversible units in most pumped storage power stations， this paper proposes a plan to use doubly-fed variable speed technology to expand the range of wind power fluctuation regulation. Electronic components are used to realize AC excitation of the generator rotor， and then the speed and power of the unit are decoupled， thus achieving the purpose of dynamic adjustment and rapid response. The model of the pumped storage unit is built using Matlab platform and dynamic adjustment simulation is carried out. The results show that the electromagnetic power adjustment of the unit has good quickness， and the wind and electricity power fluctuation adjustment can be completed regardless of whether it is under water turbine operating conditions or pump operating conditions， which effectively improves the regulation ability of the pumped storage unit.

Keywords： pumped storage unit; doubly-fed machine; governor; dynamic regulation; Matlab simulation

常规的抽水蓄能机组在发电工况下支持动态调节，若处于抽水工况时无法调节，这种特性会导致风电并网时风电波动的调节范围受到限制，不利于保证电网运行的稳定性和可靠性。近几年出现的三机式抽水蓄能机组和变速抽水蓄能机组很好地解决了上述问题，前者的特点是调节范围大、工况转换时间短、机组设计更加灵活，但是存在系统结构复杂、建设与维护成本较高等弊端；后者融合了双馈变速技术，实现对机组转速与功率的解耦控制，在保证电网调节稳定性和改善水泵水轮机运行特性等方面有良好效果，成为解决抽水蓄能机组动态调节问题的最优选择。

1 抽水蓄能机组的风电波动调节方案及其优势

将交流励磁技术应用到抽水蓄能电厂的可逆式发电机转子上，通过外接电子控制器件的方式调节同步发电机的转速，从而实现对机组转速与机组功率的解耦控制。该控制方案的特点体现在：第一，支持对机组有功功率和无功功率的独立调控，保证了抽水蓄能机组无论是出于发电工况还是抽水工况都能根据需要完成电网调节，从而大幅度提升电网运行的稳定性。第二，在一定程度上改善了可逆式水泵水轮机的运行特性。常规的抽水蓄能机组在水泵工况（即抽水工况）下不能通过调节导叶开度的方式改变水泵吸收功率。采用交流励磁技术后，抽水蓄能机组在水轮机工况（即发电工况）下保持较高的机组运行效率，在水泵工况下也具备了一定的转速调节能力（调节范围在±10%左右），并且使用性能更好的电子控制期间还能进一步扩展调节范围[1]。第三，抽水蓄能机组通过灵活调节机组转速，还能降低运行期间发生气蚀、不稳定等情况的概率，对维护机组运行稳定性也有积极帮助。

2 变速抽水蓄能机组动态模型的构建

2.1 双馈电机矢量控制原理

将交流励磁技术应用到抽水蓄能机组中，实现了对发电电动机的双馈变速控制，进而保证了机组转速始终维持在最佳工况点，达到了改善机组运行特性、提升机组运行效率的目的。在抽水蓄能机组的运行中，电机转速在受到外部因素（如电压波动、润滑变差等）影响后，实际转速与同步转速之间出现偏差。这时候利用外接电子器件向电机转子提供一个三相低频交流电实现励磁，通过改变励磁电流的幅值、频率等参数实现了发电机的恒频恒压发电[2]。考虑到变频调速系统中有功功率、无功功率等标量的计算难度较大，因此本文基于矢量控制方法对双馈电机的有功和无功进行解耦控制，其控制原理如图1所示。

图1 交流励磁同步电机转子侧双闭环控制原理图

如图1所示，该控制系统主要分为功率控制外环和转子电流控制内环2部分，两者组合形成了闭环调节结构。在功率控制外环中，Pmeas和Qmeas分别表示有功功率和无功功率，2项参数根据需要并入电网的功率来确定。经过PI控制器的处理后得到定子电流的有功分量（iqs）和无功分量（ids）；在转子电流控制内环中，将定子电流（iqr）与定子电流的有功分量（iqs）作为PI控制器的输入，经过处理后得到电压分量（vqr）；同理可得vdr。将该系统最终输出的vqr与vdr进行坐标转换，可以求出发电机转子的三相电压控制量v1r，v2r，v3r。

2.2 水轮机工况下机组控制模型

相比于传统可逆式机组，应用了交流励磁技术的抽水蓄能机组其创新点在于机组转速和系统频率相互独立，实现了对机组转速和机组出力2个变量的分别控制。这就意味着抽水蓄能机组在出力不变的情况下其工况点是允许变化的，只要能保证机组始终处于最佳工况点，即可让抽水蓄能电站取得最佳效益。基于此，本文将机组出力、机组转速作为控制目标，设计了对应的控制方案。

在1#控制方案中，通过机组调速器控制水泵水轮机导叶的开度，进而改变机组出力；通过功率变频器控制双馈电机的功率，进而改变机组转速。该方案的控制结构如图2所示。

在2#控制方案中，通过功率变频器直接改变机组出力，通过调速器控制导叶开度进而改变机组转速。相比于1#控制方案，该方案的特点是显著提升了对机组功率的控制速度，并且保证了水泵水轮机的运行不会受到导叶开度调节的干扰。该控制结构如图3所示。

综上，2#控制方案无论是在控制响应速度还是在跟踪最佳工作点方面均表现出优势，因此本文选择该方案构建了抽水蓄能机组模型。除此之外，在机组模型中还加入了辅助控制功能，例如机组转速越限功能、功率给定控制功能等。以转速越限功能为例，若转速接近安全阈值时双馈机组会提供额外的功率支撑，保证机组始终处于合理转速，维护机组的运行安全。

2.3 水泵工况下机组控制模型

在水泵工况下，主要采取改变转速的方式改变水泵功率，调节导叶开度对水泵功率的影响可以忽略不计。根据前文分析，基于交流励磁技术的抽水蓄能机组可以做到机组转速与电网频率的耦合断开，这就使得在可靠并网前提下允许机组运行速度在一定范围内变化。将双馈电机应用到机组功率的动态调节中，能够使水泵转速跟随机组功率作出相应的变化，满足抽水蓄能机组在水泵工况下的动态调节需要。本文在设计水泵工况下机组控制模型时，从实用性考虑也加入了一些辅助功能。例如查找最优转速功能，双馈机组在接收到功率给定目标信号后，会根据该水泵的“运行功率-转速”曲线查找在给定功率下的最优转速，并计算最优转速与实际转速的差值，将该差值作为PID控制器的输入，经过处理后PID控制器输出额外转速控制分量并作用于双馈机组，从而让水泵实际转速趋近于最优转速[3]。

3 机组抽水工况下的功率动态调节仿真

为了验证水轮机工况和水泵工况下抽水蓄能机组的动态调节效果，本文获取某抽水蓄能电站的实际运行数据，基于Matlab平台构建了抽水蓄能机组模型，通过简单的PI控制得到了2种工况下机组对风电波动的调节效果[4]。

3.1 变速抽水蓄能机组电磁功率调节特性

使用建立的抽水蓄能机组模型，开展了电磁功率调节特性仿真。设定机组的初始运行功率为1 p.u.，并维持该功率让机组稳定运行10 s。在第10秒时，将双馈发电电动机的给定功率减小20%，即0.8 p.u.。观察此时的功率变化，如图4所示。

结合图4可知，在第10秒改变机组功率后，电机电磁功率能够做到同步跟踪给定功率，在第10.1秒时已经完成了功率调节，整个调节过程用时不足0.1 s。此外，电磁功率的超调量可以忽略不计（不足0.1 p.u.），说明该机组的电磁功率调节具有良好的速动性和准确性。考虑到抽水蓄能机组在水轮机工况和水泵工况下的控制策略存在差异，因此在仿真试验中分别对2种工况下的动态调节过程进行了验证。

3.2 水轮机工况下运行时的动态调节仿真

使抽水蓄能机组模型在水轮机工况下运行，初始功率1 p.u.，仍然是在第10 秒时减少20%，分别统计在100 s内水压、流量、导叶开度以及机械力矩4项参数的相对变化量，结果如图5所示。

由图5可知，在机组稳定运行的前10秒，4项参数的相对变化量均为0；从第10秒减小机组的有功功率后，4项参数均出现了不同程度的波动变化，并且在第50秒左右才重新恢复稳定，调节用时约40 s。与上文的电磁功率调节（图4）相比，动态调节用时更长，这说明在水轮机工况下机组调节存在惯性，即“飞轮效应”。受此影响，水泵水轮机的机械动态特性只存在于抽水蓄能电站内部，而不会对电网产生影响，从而提高了动态调节的灵活性、保障了并网的安全性[5]。

3.3 水泵工况下运行时的动态调节仿真

在各项试验条件不变的情况下，探究水泵工况下抽水蓄能机组模型4项参数的相对变化量，结果如图6所示。

图6 水泵工况下甩负荷时水泵水轮er7PnYhChBV99MCt+K4DKk/+O64Jhy61ACi0kPRwf/Q=机各变量的变化曲线

如图6所示，在第10秒改变机组有功功率后，4项参数发生不同程度的波动变化，大概在第20秒时相继恢复稳定，整个调节过程用时10 s左右。对比水轮机工况下的抽水蓄能机组运行情况，可以发现水泵工况下机组功率的跟随速度更快，自适应能力更强。综上，基于交流励磁技术的变速抽水蓄能机组可以同时满足水轮机工况和水泵工况下的风电波动调节需要，并且在水泵工况下调节用时更短，为风电可靠并网创造了有利条件。

4 结论

抽水蓄能作为现阶段技术较为成熟且应用成本较低的储能方式，可以将风力发电机组产生的电能储存起来，并通过调峰、调频作用解决大规模风电并网对电网产生的冲击影响。但是抽水蓄能电站在实际运行中存在动态调节能力差、系统频率偏差大、电站总体运行效率低等问题。基于交流励磁技术的变速抽水蓄能机组可以利用机组转动产生的飞轮效应，提高了机组功率的响应速度，并且支持在水轮机工况和水泵工况下的动态调节，让机组始终处于最佳工况。在满足转速调节要求、拓宽调节范围以及保证机组稳定运行等方面发挥了积极作用，在风电技术成熟发展和普及应用的背景下，变速抽水蓄能机组的应用前景十分广阔。

参考文献：

[1] 周博然，尚洁，王琪，等.考虑AGC调节大容量风电波动性的机组优化调度[J].东北电力技术，2022，43（4）：22-27.

[2] 吴洋，苏承国，郭超雨，等.考虑风电出力不确定性的风电-抽水蓄能互补系统短期优化调度[J].可再生能源，2023，41（9）：1222-1231.

[3] 高嵩，路宽，张琳，等.基于火电-风电机组调节速率的电网AGC指令分配方法[J].山东电力技术，2022，49（2）：41-46.

[4] 沈俞恒.基于损失优化的DAE降低风电机组不确定因素的影响[J].建模与仿真，2023，12（3）：2665-2677.

[5] 刘海南，蔺红.考虑风电波动性的源荷优化调度策略[J].水电能源科学，2021，39（9）：210-214.