抽水蓄能電站應用及頻率穩定控制研究

張燕平，毋麗麗

（許昌職業技術學院，河南 許昌 461000）

抽水蓄能電站應用及頻率穩定控制研究

張燕平，毋麗麗

（許昌職業技術學院，河南 許昌 461000）

文章首先介紹了常規的頻率穩定控制手段的研究現狀，由此引入抽水蓄能電站的研究，對抽水蓄能電站的發展應用、數學模型及頻率穩定控制策略的研究現狀分別展開了介紹。

抽水蓄能；低頻減載；頻率穩定

1　常規的頻率穩定控制策略研究

目前在電力系統中應用得最廣泛的低頻控制手段就是低頻減載裝置UFLS。

（Under Frequency Load Shedding）。UFLS是維持電力系統穩定可靠運行的最后一道防線，它在世界范圍內得到了廣泛的應用。隨著計算機技術的應用和發展，遺傳算法、模糊理算法等高級算法被引入電力系統研究和應用領域。這些算法具有計算快、計算能力強、自學能力強等眾多優點。利用這些算法進行低頻減載的方案設計和優化，能夠減輕負荷過切的現象。可通過實現一次調頻和低頻減載的協調控制的方法來提高電力系統遭受動力大擾動后的穩定控制水平和性能［1-2］。

如何利用新型的儲能手段—抽水蓄能電站來抑制低頻現象，從而減少負荷的損失，并且快速有效地恢復電網頻率將是一個全新的課題。

2　抽水蓄能電站的應用

我國已建和在建的抽水蓄能電站統計情況如表1所示。

表1　我國已建和在建抽水蓄能統計

13江蘇溧陽2×50000 14河南回龍2×60000 15吉林白山2×150000 16山東泰安4×250000 17浙江桐柏4×300000 18安徽瑯琊山4×150000 19江蘇宜興4×250000 20山西西龍池4×300000 21河北張河灣4×250000 22廣東惠蓄8×300000 23河南寶泉4×300000 24湖北白蓮河4×300000 25安徽佛磨2×80000 26遼寧蒲石河4×300000 27湖南黑麋峰4×300000 28安徽響水澗2×250000 29內蒙古呼和浩特 4×300000 30福建仙游4×300000 31江蘇溧陽6×250000

從表1可以看出，抽水蓄能在我國的應用很廣泛。因此如何利用好抽水蓄能的特點將其應用到電力系統的頻率穩定控制中，最大限度地發揮抽水蓄能的作用是目前值得研究的課題。

3　抽水蓄能數學模型研究

抽水蓄能機組和一般水輪機組具有較大的差別，抽水蓄能機組的水輪機是可逆式水泵水輪機。在發電工況下順轉，在抽水工況下逆轉，在兩種工況下的轉矩特性和流量特性也具有很大的差別。而且抽水蓄能機組還有多種運行工況，抽水蓄能的模型的研究一直是一個比較復雜的問題。

我國對可逆式水泵水輪機的研究始于20世紀70年代初，進入21世紀以后，國家科研把可逆式水泵水輪機的研制工作提到重點日程上來，從這段時間的文獻來看，研究范圍廣泛，涉及過渡過程的研究、水泵水輪機的參數選擇和優化探討、模型試驗臺的建立及模型試驗的研究、國外機組引進消化研究、水力性能的模擬研究等方面。文獻［3］分析了水泵水輪機全特性曲線的S形特性，該S形區水泵水輪機流道內流動狀況很不穩定，為了詳細了解區域的流動特性，選取開度下水輪機飛逸工況、水輪機工況、零流量附近反水泵工況、零流量附近制動工況等幾個工況點進行全流道定常流和非定常流數值分析。文獻［4］在基于曲面擬合的水泵水輪機全特性曲線的變換新方法的基礎上，將移動最小二乘近似應用于對全特性的曲面擬合。通過最小二乘曲面擬合與移動最小二乘擬合的水泵水輪機全特性擬合曲面和S區域擬合情況的對比，以及抽水蓄能電站過渡過程計算結果與實測值的對比，發現移動最小二乘近似能夠更好地擬合水泵水輪機的全特性曲線。最后對移動最小二乘近似參數權函數因子、計算點影響域中的節點數及影響半徑乘子對計算結果的影響作了分析，得出了初步的建議。文獻［5］針對國內首次抽水蓄能電站水泵水輪機組第三方試驗同臺對比試驗，進行了水輪機模型測試方法的改進，解決了水泵水輪機四象限試驗、瞬時工況點數據采集、水泵大流量工況壓力面空泡觀測等試驗技術難點。模型試驗取得了理想的效果；效率試驗的測試不準確度小，試驗工況穩定、數據重復性好，采集的“S”特性區和反水泵區的數據點密集。此次試驗表明，國內試驗臺有能力完成抽水蓄能水泵水輪機的模型驗收試驗。為了消除水泵水輪機全特性曲線的“S”特性所引起的單位流量和單位力矩的多值性和變換后曲線的不均勻性，實現計算機存儲數據的連續性，該文獻提出了水泵水輪機全特性曲線的新變換方法。該方法引入了導葉相對開度以獲得均勻分布的變換曲線，然后利用最小二乘曲面擬合法對其進行曲面擬合，得出了可連續求導的連續擬合函數。這種改造方法可以改善各種導葉開度工況尤其是小開度工況和零開度工況全特性曲面的擬合精度，因為這種方法可以實現在同一過渡過程中全關到全開（或是全開到全關）的各種水力瞬變過程的計算。

在過渡過程模型方面，文獻［6］深入分析了高水頭混流可逆式水泵水輪機和球閥各自流量特性的特點，提出了在過渡過程中將導葉和球閥動作相配合的調節規律優化思路。通過對某高水頭抽水蓄能電站水力過渡過程的計算分析表明，這種調節規律能大幅降低水錘壓力，有效防止“S”區的水力振蕩。文獻［7］為了研究水泵水輪機的全特性曲線對抽水蓄能電站過渡過程的影響，根據兩者之間的相關性調整和優化可逆機轉輪設計，該文結合工程算例，對抽水蓄能電站機組可控和不可控等不同狀態下的過渡過程采用不同的水泵水輪機準輪全特性曲線進行了模擬計算。計算表明，轉輪全特性曲線是影響過渡過程的重要因素之一，根據過渡過程的相關性與轉輪全特性曲線的分析得知，可逆機輪轉的設計可以使用全三維方法。可以在設計的過程中改變特性曲線形狀，適當調整導葉相對高度等參數，減緩開度線變化斜率，可優化過渡過程。文獻［8］簡要介紹了導葉不同裝置（MGV裝置）的基本原理和工作特性，提出并聯過流、同軸同特性的雙輪機可逆機組模擬的建模思路，并且建立了可逆機組（含MGV裝置）甩負荷過渡過程仿真計算的數學模型。并最終通過針劑試驗實測結果和計算結果進行對比分析，從而驗證了該數學模型的正確性。

上述的研究主要是抽水蓄能機組過渡過程的數學模型以及水輪機全特性曲線模型。而過渡過程的研究較為簡單，忽略了運行工況的差異對發電機模型參數的影響，這將影響基于抽水蓄能機機組的頻率穩定控制策略。

4　抽水蓄能頻率控制策略研究

頻率穩定控制隨著互聯電網跨區域技術的發展逐漸成為電網互聯運行的關鍵技術之一。傳統的頻率穩定控制策略—低頻減載控制代價較大，因此本節主要介紹抽水蓄能參與頻率穩定控制的研究現狀。

抽水蓄能起初的應用是與核電配套運行的，核電承擔著電網的基荷保持持續穩定的功率輸出，抽水蓄能承擔著電網的峰荷進行調峰調頻。因此關于抽水蓄能方面的研究主要集中在調度策略和經濟運行方面。在電網緊急狀態下，利用抽水蓄能機組的工況轉換進行頻率穩定控制的研究才剛剛起步。

有文獻指出，可以利用抽水蓄能機組工況轉換迅速的特點，當電力系統發生嚴重故障而導致頻率出現大的跌落時，在低頻減載裝置動作之前切除處于抽水工況的蓄能機組（低頻切泵）以抑制頻率的下降，該文首次提到了利用抽水蓄能機組的工況轉換去解決電力系統的頻率穩定問題。在低頻切泵策略的研究中，文獻［9］和文獻［10］臺灣電網首次研究了低頻策略的應用，具體方法是在同一運行方式下選擇典型的故障，對故障場景運用仿真依次模擬，對動態頻率軌跡進行觀察，然后根據實際功率缺額以及頻率變化趨勢選擇切泵臺數和延時。文獻［11］基于以上基礎，引入了新的頻率安全考核指標“暫態頻率偏移可裕度”，運用新指標對低頻策略進行整定，低頻減載協調優化與低頻切泵在此基礎上的整定都取得了良好的效果。以上兩種低頻切泵策略都沒有考慮到電網頻率動態特性及電網故障的規模等邊界條件。而邊界條件的改變很可能會讓控制效果變差。文獻［12］綜合以上切泵策略，最終比較理想地解決了電網頻率動態特性改變和故障規模的問題。具體方法是采用拉格朗日算法求解將額定頻率和軌跡曲線圍成的面積最小函數，從而找到了依據最優頻率軌跡的低頻切泵策略。綜上研究說明，作為一種頻率控制手段，低頻切泵策略在緊急故障情況下可以有效阻止頻率的下降，也可以減少負荷損失。

目前對于低頻切泵策略的研究還存在很多不足，第一，雖然研究了低頻切泵策略，但沒有研究轉發電的策略；第二，沒有考慮抽水蓄能機組本身的動態變化過程（從抽水工況轉為停機工況），只是將抽水蓄能水泵工況看作普通負載；第三，對大規模風電接入電網后的影響也考慮過少。因此，對于抽水蓄能頻率穩定策略還有待給出一套全面系統的理論基礎和切實可行的控制方法。

［1］LI Z，YILU L，GROW M L.Coordination of UFLS and UFGC by application of D-SMES［A］.Power Engineering society General meeting，2005（10）：1064-1070.

［2］CHU V N，GUROV N S，VENKATA S S，et al.An adaptive approach to load shedding and spinning reserve control during under frequency conditions［J］.Trans on energy Conversion，1995（4）：12-14.

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［4］邵衛云，張雄.水泵水輪機全特性曲線的擬合—移動最小二乘近似［J］.水力發電學報，2004（5）：102-106.

［5］馬素萍，朱雷，張海平，等.抽水蓄能機組水泵水輪機模型測試［J］.水利水電技術，2012（4）：94-97.

［6］侯才水.可逆式機組甩負荷水力過渡過程的優化［J］.南昌水專學報，2004（2）：75-77.

［7］楊琳，陳乃祥.水泵水輪機轉輪全特性與抽水蓄能電站過渡過程的相關性分析［J］.清華大學學報，2003（10）：1424-1427.

［8］劉德有，孫華平，游光華，等.含MGV裝置的可逆機組過渡過程計算數學模型［J］.河海大學學報，2007（4）：448-451.

［9］李愛民，蔡澤祥.基于軌跡分析的互聯電網頻率動態特性及低頻減載的優化［J］.電工技術學報，2009（9）：171-177.

［10］侯學勇，鞠平，邱巍，等.電力系統低頻減載優化研究［J］.中國電力，2008（12）：10-13.

［11］趙強，劉肇旭，張麗.對中國低頻減載方案制定中若干問題的探討［J］.電力系統自動化，2010（11）：48-53.

［12］張滇生，陳濤，李永興.日本抽水蓄能電站考察述評［J］.南方電網技術，2009（5）：1-5.

A General Overview of the Application of Pumped Storage Power Station and Frequency Stability Control

Zhang Yanping， Wu Lili （Xuchang Vocational and Technical College， Xuchang 461000， China）

This paper firstly introduced the research status of traditional frequency stability control and then the research of pumped storage power station is discussed. The paper also introduce the develpment， mathematical model and frequency stability control policies of the station of today.

pumped storage； UFLS； frequency stability

張燕平（1981-），女，河南許昌。