面向智能電網的抽水蓄能電站的智能化研究

何雪飛

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面向智能電網的抽水蓄能電站的智能化研究

何雪飛

（吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林敦化 133700）

我國正著力推進實施智能電網建設，能量存儲是智能電網的重要環節，抽水蓄能是電力系統中應用最廣泛、容量最大的一種儲能技術，其智能化建設成為了智能電網建設的必要需求。抽水蓄能電站的水泵/水輪機的調速系統和發電/電動機的勵磁系統是智能化控制的最核心部分，對目前調速系統和勵磁系統的智能化控制情況進行了介紹，在實現抽水蓄能電站單個機組層級的智能控制，進一步升級至整個電站層級所有機組的智能聯動控制，最終形成整個電網層級的所有入網抽水蓄能機組的智能控制是未來抽水蓄能電站智能化建設的發展方向。

抽水蓄能電站；智能化；調速系統；勵磁系統

0 前言

我國正著力推進實施智能電網建設，未來大量的新能源發電將被引入智能電網。目前，抽水蓄能是電力系統中應用最廣泛、容量最大的一種儲能技術，主要用于電網調峰調頻、事故備用及黑啟動等[1, 2]。此外，抽水蓄能電站能夠有效消除風能、太陽能和海洋能等新能源大規模并網對電網的影響，補償新能源入網引起的負荷波動，實現新能源發電的平穩輸出，為新能源的可持續發展提供重要支撐。適當規模的抽水蓄能電站的建立是智能電網實現堅強、自愈、兼容、經濟、安全、優化和清潔運行的重要手段，是解決可再生能源并網接入、提高能源利用率的重要途徑[3,4]。

1 抽水蓄能電站在智能電網中的作用

1.1 均衡能源資源供需

我國能源供需分布不均衡，智能電網的建設的重要目的是實現全國范圍內電力資源的優化配置。抽水蓄能電站的存在可以有效提升電網的調節能力和能源資源的優化配置能力，增加電網的運行效率和有效輸送容量，提高輸電線路的利用率，減少輸電損失，優化區域間的經濟發展和能源資源的合理分配。

1.2 支持新能源的接入

風能、太陽能、海洋能資源等新能源發電存在隨機性、間歇性、波動性以及反調峰等特點，在并入電網時容易引起電網頻率偏差和電壓波動，極大的限制了新能源的入網與發展，抽水蓄能電站是新能源發展的重要組成部分，可在新能源接人電網后補償負荷波動，為新能源的可持續發展提供重要支撐。

1.3 調峰填谷

調峰填谷是抽水蓄能電站的特有作用，在未來的智能電網中，抽水蓄能電站將配套電網中核電機組及新能源機組接入，實現發電和用電間負荷調節，在一定程度上減弱電網峰谷差，減少火電機組參與深度調峰的啟停次數，使其在最優的狀況下運行，降低火電機組燃料和運行維護費用提高全電網的能源利用率。

1.4 調頻調相

當電網頻率波動時，抽水蓄能機組一次調頻功能自動響應頻率變化調整其負荷出力，使電網的頻率自動恢復到正常范圍。在智能電網中，抽水蓄能電站可參與系統調頻運行，并可通過發出與吸收無功功率來調節電網電壓，從而提高智能電網的供電質量，維持智能電網的安全穩定運行。

1.5 事故備用

抽水蓄能機組具有快速響應能力，跟蹤負荷迅速，能適應負荷的急劇變化，可有效提高電網運行頻率和電壓質量的穩定性，有效增強智能電網的自愈能力，保障電力系統的安全穩定運行。

1.6 黑啟動

由于抽水蓄能機組具有響應速度快、容量大，調節性能好的特點，因此，當電力系統發生故障停運時，抽水蓄能機組是非常理想的黑啟動電源，實現快速發電，帶動其他機組恢復電網運行和對用戶供電[2,5]。

2 抽水蓄能電站的智能化

抽水蓄能電站作為未來智能電網的重要組成部分，其智能化建設將是未來的主要發展方向和全新目標。以下對抽水蓄能電站最主要的調速系統和勵磁系統的智能化，以及診斷監控系統的智能化需求進行介紹。

2.1 調速系統的智能化

調速系統是抽水蓄能機組頻率及出力控制的主要部件，其控制性能及控制品質對于工況變化頻繁，在電網中擔任削峰填谷任務的抽水蓄能機組尤為重要。智能啟動控制策略可以保證抽水蓄能機組安全平穩開機。實現抽水蓄能機組快速啟動，減少現場調試的復雜性和提高機組運行的穩定性，有重要的實際應用價值。

目前，我國大部分抽水蓄能機組的啟動控制都是通過PID控制調節來實現，這種模式下以偏差為基礎來實現抽水蓄能機組調速器啟動控制，為開環控制。此外，PID控制算法存在積分飽和的問題，不利于機組的啟動控制。由于機組的啟動控制與水頭和空載開度密切相關，在無法確定當前空載開度的情況下，機組的啟動控制十分困難。此外，活動導葉的開啟和關閉操作都與機組額定轉速密切相關，而且，電站引水系統的水錘作用和機組轉動慣性均限制了導葉的關閉速度導，進而，容易引起機組開機時間延長和機組過速。因此，采用傳統的PID控制策略解決抽水蓄能機組的智能控制問題存在很大困難[6,7]。

抽水蓄能機組最優的開機方式應該是在保證系統穩定的前提下，機組轉速能夠以最快的速度升高，而超調量最小。針對開環控制的缺點，智能啟動策略需要采用閉環開機控制方式，即設置機組開機時的轉速上升期望特性作為頻率給定，機組的開機控制不依賴于空載開度和啟動開度，在整個開機過程中調速器始終處于閉環調節狀態，控制機組頻率跟蹤頻率給定曲線上升。通過設置合理的頻率給定曲線，實現機組開機過程的快速而不過速?；诖耍芯咳藛T嘗試將更先進的控制方式引入水輪機調速系統中，以提高其控制性能。例如，分數階PID控制，模糊控制，滑模變結構控制，神經網絡控制和模型預測控制等，為實現抽水蓄能機組調速系統的智能控制進行了有益的探索[8-12]，一種抽水蓄能機組調速系統預測控制模型如圖1所示。

圖1 抽水蓄能機組調速系統預測控制模型

2.2 勵磁系統的智能化

勵磁系統是抽水蓄能電站發電/電動機的核心控制系統，隨著控制技術以及計算機技術的發展，勵磁系統設備內集成了電源系統和信息交互系統，勵磁系統工作的好壞直接影響到發電機運行的可靠性和穩定性，所以對勵磁系統狀態的監控至關重要。勵磁系統除了具備維持發電機機端電壓的基本功能外。發電機勵磁系統對電網穩定發揮了越來越重要的作用，已經成為電網的一部分。勵磁系統智能化建設包括勵磁系統的冗余容錯及故障自診斷設計，輔環控制模型建立，主環與輔環以及輔環與輔環間的協調控制等[13,16]。

目前，國內外運行的機組一般以SFC變頻器啟動作為主要啟動模式。該模式是利用晶閘管變頻器產生頻率可變的交流電源對電動發電機進行啟動，是抽水蓄能電機啟動的一種新方法，在國內外抽水蓄能機組得到了廣泛的應用。同時，在機組變頻器啟動時，引入PID控制，以利于靜止變頻器檢測電動機轉子位置，當發電機并網之后，勵磁系統控制模型自動切換到電壓等閉環控制模式。這樣既保證機組靜止變頻器一次啟動成功的可靠性，又不影響機組運行在其他工況下的穩定性，引入PID的控制的抽水蓄能機組靜止變頻器啟動控制模型如圖2所示。

圖2 抽水蓄能機組靜止變頻器啟動控制模型

3 電力系統穩定器（PSS）的應用

二十世紀五十年代后期，裝有同步電機的大型電力系統遇到了電壓穩定性問題。持續性的電壓小幅低頻振蕩限制了大型電力系統的功率傳輸能力。由于對這種電壓波動抑制能力不足，功率傳輸能力降低。因此，電力系統穩定器（PSS）應運而生，PSS通過調節發電機勵磁來抑制電壓波動以抑制電壓振蕩過程，改善電力系統功率傳輸能力。圖3給出了某抽蓄電站的PSS系統的電壓控制框圖。

圖3 PSS系統電壓控制框圖

3.1 電網條件下配有PSS裝置同步發電系統動態性能

對帶有標準PSS裝置的同步電機和無PSS裝置的同步發電機兩種不同系統的性能進行比較。圖4給出采用標準PSS的短路分析。

圖4 采用標準PSS的短路分析

可以看出，有功功率的振蕩幅值與本地模式接近，對于不帶有PSS裝置的同步電機來說較高。PSS對這種模式下產生阻尼效果。

3.2 PSS系統對電壓頻率的影響

對電壓頻率問題的分析目的是為了研究在區域內振蕩下兩種發電系統的動態和穩態特性。電網電壓幅值調制引起電壓波動，可以等效于不同電機之間負載角波動。代表發電機和電網之間的相角差如圖5所示。變化的電網電勢能夠產生相角差的小幅變化，并出現發電機和電網之間的功率交換，代表著本地和區域互聯電力系統之間的功率波動，可以看到PSS裝置的阻尼作用。

4 結語

智能電網是我國未來電網的發展方向，抽水蓄能電站作為未來智能電網的重要組成部分，其智能化建設將是未來的主要發展方向和全新目標。調速系統和勵磁系統的智能化是實現抽水蓄能電站單個機組層級的智能控制的重要保證，除此之外，電站機組的智能化建設還包括繼電保護、監測、巡檢和輔機系統的智能化建設。未來在實現單個機組智能化的基礎上，將升級至整個電站層級的所有機組的智能聯動控制，最終形成整個電網層級的所有入網抽水蓄能機組的智能控制，以滿足智能電網的建設需要。

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The Smart Grid Oriented Intelligent Development of Pumped Storage Power Station

HE Xuefei

(Jilin Dunhua Pumped Storage Co., Ltd., Dunhua 133700, China)

The smart grid is the development direction of future grid in China, the pumped storage power station as an important part of the future smart grid, the intelligent building will be the main development direction in the future and new goals. pumped storage power station's main control system and the intelligent excitation system are introduced, pumped storage power station the intelligent control of a single unit level to upgrade to the whole plant level all the intelligent linkage control unit, finally form the whole power grid level of intelligent control of all the net pumped storage units is pumped storage power plant in the future the development direction of intelligent building.

pumped storage power station; intelligent; speed control system; excitation system

TM622

A

1000-3983(2017)04-0066-05

2016-12-09

何雪飛（1989-），2013年畢業于長春工程學院電氣工程及其自動化專業，主要從事抽水蓄能電站機電方面研究，在讀碩士，助理工程師。