變轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組控制策略選擇

趙軍科，劉云平，劉建俊，鐸 林

（東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川省德陽(yáng)市 618000）

0 引言

隨著我國(guó)“碳達(dá)峰碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略的推進(jìn)，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源得到飛速發(fā)展，但由于風(fēng)能和太陽(yáng)能都屬于無(wú)慣性發(fā)電系統(tǒng)，隨著大量風(fēng)能和太陽(yáng)能的并網(wǎng)發(fā)電，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)很大挑戰(zhàn)，例如西北電網(wǎng)其正常運(yùn)行時(shí)的頻率跳變已非常嚴(yán)重，整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)慣性已經(jīng)非常小，自調(diào)節(jié)能力嚴(yán)重不足，水輪機(jī)一次調(diào)頻投退次數(shù)已經(jīng)達(dá)到每天約3000次，平均每分鐘2次投退，如果繼續(xù)建設(shè)風(fēng)電、光伏等新能源項(xiàng)目，電網(wǎng)穩(wěn)定性將進(jìn)一步惡化，這也是新能源環(huán)境下全國(guó)各電網(wǎng)公司面臨的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題；因此具有調(diào)節(jié)電能品質(zhì)而且具有儲(chǔ)能作用的抽水蓄能技術(shù)引起人們注意，抽水蓄能機(jī)組一般在電力系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、填谷、事故備用功能等；而變轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組因其運(yùn)行方式靈活、調(diào)節(jié)速度快、能大大優(yōu)化電能品質(zhì)等特點(diǎn)越來(lái)越受到重視；從國(guó)家十四五規(guī)劃以及國(guó)家能源局關(guān)于《抽水蓄能中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃（2021～2035）》中可以看出，十四五期間，抽水蓄能將得到迅猛發(fā)展。由于受到自然及建設(shè)條件限制，中小型水、風(fēng)、光互補(bǔ)的變速抽水蓄能無(wú)疑將是非常不錯(cuò)的選擇，本文探索了變速機(jī)組的控制策略和啟停控制策略，希望對(duì)后續(xù)發(fā)展起到參考作用。

1 控制策略選擇

1.1 水輪機(jī)工況

抽水蓄能機(jī)組要實(shí)現(xiàn)變速運(yùn)行，常有兩種方案，第一種方式為交流勵(lì)磁方式，采用這種方式時(shí)機(jī)組輸出轉(zhuǎn)速（定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速）為機(jī)組機(jī)械轉(zhuǎn)速與交流勵(lì)磁相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度之和[4]：

式中：n0——定子磁場(chǎng)速度，對(duì)應(yīng)于電網(wǎng)頻率f0；

n——轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率f；

nr——轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度。

從式（1）可以看出，交流勵(lì)磁系統(tǒng)可以通過(guò)控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)控制機(jī)組轉(zhuǎn)速的目的。

第二種方式為全功率變流器方式，采用這種方式時(shí)，經(jīng)過(guò)“交—直—交”變換，輸出頻率可以和機(jī)組轉(zhuǎn)速完全解耦，從而實(shí)現(xiàn)變速機(jī)組的變速恒頻輸出。

無(wú)論何種形式的變速抽水蓄能，其控制問(wèn)題一般有兩種控制方案：

A．變流器（交流勵(lì)磁）控制轉(zhuǎn)速方案。

B．變流器（交流勵(lì)磁）控制功率方案。

本文從電網(wǎng)對(duì)系統(tǒng)需求以及變速抽水蓄能在系統(tǒng)中的作用出發(fā)，推薦由調(diào)速系統(tǒng)控制轉(zhuǎn)速，交流勵(lì)磁或變流器控制功率的控制方案，下面進(jìn)行論證：

從電網(wǎng)需求出發(fā)，建設(shè)抽水蓄能的目的主要有兩個(gè)，第一個(gè)是調(diào)節(jié)電能品質(zhì)，增加電力系統(tǒng)慣性，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性，第二個(gè)是儲(chǔ)能作用（超級(jí)充電寶功能）。

本文立足點(diǎn)就是選擇正確的控制策略，最大化實(shí)現(xiàn)變速抽水蓄能機(jī)組調(diào)節(jié)電能品質(zhì)的作用。下面從電力系統(tǒng)能量平衡出發(fā)進(jìn)行論述。首先介紹兩個(gè)概念：

（1）電網(wǎng)自調(diào)節(jié)系數(shù)。

對(duì)于電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化時(shí)，其負(fù)荷值也會(huì)隨之發(fā)生變化，且其變化方向是抑制頻率變化的，這種負(fù)荷隨頻率變化而變化的特性，通常稱為電網(wǎng)的負(fù)荷頻率特性，也稱為電網(wǎng)負(fù)荷靜態(tài)自調(diào)節(jié)特性，一般用en表示[2]：

式中：en——電網(wǎng)負(fù)荷靜態(tài)頻率自調(diào)節(jié)系數(shù)；

Δf——頻率相對(duì)偏差；

Δp——對(duì)應(yīng)頻率偏差下的負(fù)荷變化。

從上面定義可以看出，電網(wǎng)自調(diào)節(jié)系數(shù)體現(xiàn)的是電網(wǎng)的慣性環(huán)節(jié)，慣性越大維持電網(wǎng)穩(wěn)定的能力越強(qiáng)。

（2）水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)動(dòng)方程。

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)動(dòng)方程為[2]：

式中：J——機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性矩，kg·m2；

ω——機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad·s-1；

Mt——水輪機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；

Mg——發(fā)電機(jī)負(fù)荷阻力矩（負(fù)載轉(zhuǎn)矩），N·m。

從式（3）中可以看出，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分慣性矩J越大，系統(tǒng)越穩(wěn)定（火電類似），即當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷Mg變化時(shí)引起的系統(tǒng)頻率變化（對(duì)應(yīng)機(jī)組角速度ω）越小。

由于電力系統(tǒng)發(fā)電側(cè)由許多不同慣性的水輪發(fā)電機(jī)、火力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)而組成，上面方程也簡(jiǎn)單體現(xiàn)了電網(wǎng)慣性系統(tǒng)的本質(zhì)。因此當(dāng)新能源發(fā)電，特別是沒(méi)有任何慣性的光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中占比越來(lái)越大時(shí)，電力系統(tǒng)自調(diào)節(jié)能力就越來(lái)越弱，這就是西北電網(wǎng)頻率不穩(wěn)定的根本原因。

從電網(wǎng)慣性系統(tǒng)的本質(zhì)，根據(jù)式（2）可以看出，需要一個(gè)調(diào)節(jié)能力很強(qiáng)的功率源來(lái)提供Δp瞬時(shí)補(bǔ)償電力系統(tǒng)頻率波動(dòng)Δf，從而保證電力系統(tǒng)具有較大en，保證電網(wǎng)的自調(diào)節(jié)能力。

由于變速機(jī)組具有飛輪效應(yīng)（可以理解為飛輪儲(chǔ)能），因此可以提供瞬時(shí)的ΔP（釋放飛輪儲(chǔ)能），此時(shí)從電力系統(tǒng)表現(xiàn)看，相當(dāng)于增加了系統(tǒng)慣性（虛擬同步機(jī)技術(shù)基本原理）。那么怎樣保證發(fā)電系統(tǒng)機(jī)組的出力能迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)呢？無(wú)疑是采用變流器調(diào)節(jié)功率的控制策略，從而最大化發(fā)揮變速機(jī)組的飛輪效應(yīng)。

下面從兩種控制策略（見(jiàn)圖1[1，7]和圖2[1，7]）的不同表現(xiàn)比較也可以得到相同的結(jié)論：

圖1 策略A變流器控制機(jī)組轉(zhuǎn)速策略功率及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線Figure 1 The power and speed curve on strategy A converter speed control

圖2 策略B變流器控制機(jī)組出力策略功率及轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)曲線Figure 2 The power and speed curve on strategy B converter power control

圖1和圖2中：p_set為功率給定，p為功率輸出，n_set為轉(zhuǎn)速給定，n為轉(zhuǎn)速輸出。

從圖1和圖2對(duì)比可以看出，當(dāng)采用策略A，變流器控制變速機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)組功率反調(diào)非常嚴(yán)重，簡(jiǎn)單說(shuō)是當(dāng)系統(tǒng)需要降低功率時(shí)，變速機(jī)先向系統(tǒng)提供多余功率以保證機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的速動(dòng)性，這顯然會(huì)增加電網(wǎng)的波動(dòng)性，不利于電網(wǎng)穩(wěn)定；另外，對(duì)于變速機(jī)組，轉(zhuǎn)速的速動(dòng)性是沒(méi)有意義的，而且會(huì)加劇機(jī)組過(guò)渡過(guò)程的不穩(wěn)定性。

而控制策略B時(shí)，變速機(jī)可以迅速根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷需求輸出相應(yīng)的功率，從而提高系統(tǒng)功率平衡，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，最大化利用變速機(jī)的飛輪效應(yīng)（要么升高轉(zhuǎn)速吸收多余能量，要么降低轉(zhuǎn)速提供額外能量）。采用這種方式時(shí)頻率控制和功率控制完全解耦，控制器只按照自己的調(diào)節(jié)策略和調(diào)節(jié)目標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)就可以，系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠，因此這里大力推薦變轉(zhuǎn)速抽水蓄能采用控制方案B。

從以上分析可以看出，對(duì)于變速機(jī)組，由調(diào)速系統(tǒng)負(fù)責(zé)穩(wěn)定機(jī)組最優(yōu)轉(zhuǎn)速，由全功率變流器或交流勵(lì)磁控制機(jī)組功率的方案B將是最優(yōu)的控制策略。

1.2 水泵工況

水泵工況相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)檎{(diào)速器不具備調(diào)節(jié)水泵入力的能力，因此其控制策略只有一種[3]：此時(shí)調(diào)速系統(tǒng)只相當(dāng)于一個(gè)閥門，保證水流在最小水頭損失情況下流過(guò)，即調(diào)速系統(tǒng)控制機(jī)組最優(yōu)開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)機(jī)組高效運(yùn)行；變流器或交流勵(lì)磁根據(jù)水泵楊程和流量控制機(jī)組入力。

2 啟停方式

2.1 水輪機(jī)工況啟動(dòng)方案選擇

上面分析了變速抽水蓄能機(jī)組控制策略的問(wèn)題，當(dāng)選擇了調(diào)速系統(tǒng)控制機(jī)組轉(zhuǎn)速，全功率變流器機(jī)組功率輸出時(shí)（采用交流勵(lì)磁形式時(shí)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)變化不大，因此這里只介紹全功率變流器方案），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)組有了較大區(qū)別，機(jī)組的啟停流程也需要相應(yīng)改變，這里進(jìn)行初步討論：

機(jī)組啟動(dòng)過(guò)程，由于采用全功率變流器方式，啟動(dòng)過(guò)程一般有三種方案。

第一種方案：按照傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組的啟動(dòng)方式啟動(dòng)，即調(diào)速系統(tǒng)控制機(jī)組啟動(dòng)到最優(yōu)轉(zhuǎn)速，然后由變流器負(fù)責(zé)跟蹤電網(wǎng)頻率進(jìn)行機(jī)組并網(wǎng)，這種方式經(jīng)常被稱作“飛車同步”；該方案優(yōu)點(diǎn)是過(guò)程簡(jiǎn)單，跟傳統(tǒng)機(jī)組一樣，容易被用戶接受，但是缺點(diǎn)是“飛車同步”對(duì)于變流器是一種挑戰(zhàn)，個(gè)別變流器廠家提供的變流器存在同步失敗風(fēng)險(xiǎn)。

第二種方案：變流器先并網(wǎng)，然后拖動(dòng)機(jī)組到額定轉(zhuǎn)速，再由調(diào)速系統(tǒng)接管轉(zhuǎn)速控制，該方案優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于采用電機(jī)側(cè)拖動(dòng)型變流器來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)非常方便（跟水泵工況類似，區(qū)別只是轉(zhuǎn)向不同），缺點(diǎn)是啟動(dòng)過(guò)程需要消耗能量，而且水輪機(jī)工況時(shí)反向推動(dòng)可能對(duì)系統(tǒng)流態(tài)產(chǎn)生影響，不利于機(jī)組啟動(dòng)的穩(wěn)定性。

第三種方案：機(jī)組啟動(dòng)時(shí)變流器就已經(jīng)并網(wǎng)，只是變流器不輸出功率，機(jī)組啟動(dòng)的原動(dòng)力還是水力沖擊，變流器負(fù)責(zé)輸出功率基本為0就可以，當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速上升到最優(yōu)轉(zhuǎn)速附近，變流器再逐步增加負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)功率輸出。第三種方案不存在飛車同步，而且啟動(dòng)不需要消耗電力。

綜上，系統(tǒng)啟動(dòng)推薦采用第三種方案。

2.2 水泵工況啟動(dòng)流程

水泵工況啟動(dòng)時(shí)，變流器拖動(dòng)機(jī)組到額定轉(zhuǎn)速，然后調(diào)速系統(tǒng)打開(kāi)導(dǎo)葉，機(jī)組實(shí)現(xiàn)抽水功能，由于過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，這里不進(jìn)行論述。

2.3 停機(jī)方案選擇

停機(jī)方案比較簡(jiǎn)單可以參考常規(guī)抽水蓄能機(jī)組，這里主要介紹一種針對(duì)變速機(jī)組的制動(dòng)停機(jī)方案，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組快速停機(jī)。

停機(jī)流程開(kāi)始后，調(diào)速系統(tǒng)目標(biāo)開(kāi)度迅速給到零，不進(jìn)行任何延時(shí)；變流器并不從電網(wǎng)解列，而是帶有一定的制動(dòng)負(fù)荷，對(duì)機(jī)組起到制動(dòng)作用；由于調(diào)速系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)始關(guān)閉導(dǎo)葉，當(dāng)導(dǎo)葉全關(guān)后，機(jī)組在制動(dòng)力矩的作用下迅速停機(jī)，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速下降到一定程度后（例如50%額定轉(zhuǎn)速），變流器從電網(wǎng)解列，機(jī)組進(jìn)行自由停機(jī)，從而避開(kāi)抽水蓄能機(jī)組的S特性區(qū)，實(shí)現(xiàn)變速機(jī)組的快速停機(jī)。

水泵工況停機(jī)跟傳統(tǒng)抽水蓄能機(jī)組沒(méi)什么差別，這里不再贅述。

3 總結(jié)

本文討論了變轉(zhuǎn)速抽水蓄能機(jī)組的控制策略，從變轉(zhuǎn)速抽水蓄能的作用以及仿真計(jì)算等方面討論了變轉(zhuǎn)速抽水蓄能控制策略的選擇，推薦采用：變流器控制機(jī)組功率、調(diào)速器控制機(jī)組頻率的控制方案；文獻(xiàn)[6][8]進(jìn)行RTDS仿真時(shí)未考慮階躍給定和斜率給定對(duì)仿真結(jié)果帶來(lái)的差異，因此得出了與本文結(jié)論相反的結(jié)論，文獻(xiàn)[4][5]方案與本文一致，用戶可以對(duì)比閱讀；另外，本文針對(duì)變速機(jī)組啟停方式的不同，進(jìn)行了討論，該方案已在三河口變速抽水蓄能機(jī)組上實(shí)施，希望對(duì)用戶選擇最優(yōu)控制方案以及啟停方案起到幫助。