可變速抽水蓄能技術應用淺析

宋洪歌

（華北水利水電大學電力學院，河南 鄭州 450045；浙江水利水電學院水利與海洋工程研究所，浙江 杭州 310018）

可變速水力機組自20 世紀60 年代以來受到了廣泛關注。世界范圍內，前蘇聯在1972 年首次將交流勵磁調速技術用于依奧夫斯克電站的水電機組中，從20世紀80 年代初開始，日立、東芝等公司開始研究交流勵磁調速技術應用于抽水蓄能電站機組中，最終在20 kW 和4 000 kW 機組上進行了模型試驗。1987 年初，日立公司在日本成出電站成功應用了首臺交流勵磁調速技術實用機組，于同年4 月投入商業運行。從此之后，經過不斷總結經驗，日立和東芝公司相繼在矢木澤、高見、大河內等抽水蓄能電站中建設可變速機組并成功投運。

定速機組原理類似同步電機，正常工作時電機轉速恒定為同步轉速，變速機組原理則類似異步電機，工作時電機轉速和同步轉速不等，可以在一定范圍內變化。當電機運行時，設電機同步轉速（即定子的磁場轉速）為1，轉子的機械轉速為，轉子的磁場轉速（轉差）為2，以上三者關系滿足同步轉速等于轉子機械轉速與磁場轉速的矢量和，即為1=2+。機組變速的原理是通過變換器或調速器調節2 和，可以實現電機轉速在同步轉速附近變化的同時保證機組發電頻率維持50 Hz。

可變速抽水蓄能機組主要分為2 種類型：一類是雙饋感應電機，和異步電機類似，采用交流勵磁，在轉子側接入變流器且轉子和定子都與電網有能量傳遞交換；另一類是全功率變頻同步電機，類似同步電機，采用直流勵磁，僅在定子側接入變流器實現變速且只有定子與電網有能量交換，轉子與電網不進行能量交換。

1 可變速抽水蓄能機組控制理論

基于抽水蓄能機組調速器的控制理論已積累了較多文獻。可變速抽水蓄能機組是一個水機電控耦合的系統，包括可逆式水輪機、發電電動機、勵磁控制系統及輔助控制系統等部分，與傳統水輪發電機組相比控制更加困難。傳統的比例-積分-微分（PⅠD）控制器通常不能提供高質量的控制，LⅠ等針對抽水蓄能機組提出了分數階PⅠD 控制器（FOPⅠD），雖然FOPⅠD控制器比傳統的PⅠD 控制器更有效，但對于水泵水輪機調節系統來說，FOPⅠD 控制器的參數優化更為復雜。常鵬飛等基于矢量控制思想，對可變速抽水蓄能機組采用一種預測控制方法，能夠實現多目標最優控制。模型預測控制方法（Model Predictive Control，MPC），設計了適用于該系統的模型預測控制器，給出了一種節省在線計算時間的矢量選擇方法，通過仿真驗證了該方法的有效性。為了使抽水蓄能機組達到足夠的性能要求，必須有一種確定抽水蓄能機組最佳工況切換時間的方法，LⅠANG 等提出了一種基于枚舉的模型預測控制（MPC）策略來確定抽水蓄能機組的最優切換時間，以提高機組的運行靈活性，并便于頻率調節，使MPC 控制器適合于實際應用。LⅠ等將一種非線性廣義預測控制（ Nonlinear Generalized Predictive Control，NGPC）方法應用于抽水蓄能機組的控制系統，對 NGPC 控制器、PⅠD 控制器和分數階 PⅠD 控制器進行了比較。結果表明，NGPC 控制器能有效抑制抽水蓄能機組不同工況下的轉速振蕩，具有更高的魯棒性和穩定性。TAN 等根據水泵-水輪機運行曲線，分析了雙饋變速抽水蓄能機組的運行特性和性能，提出了交流勵磁系統與調速器的協調控制策略，可以確定雙饋調速抽蓄機組的最佳轉速并快速調節，從而抑制電力系統頻率波動。

2 可變速抽水蓄能機組控制方式

可變速抽水蓄能電站存在2 套控制系統，即轉速、功率2 個可調節的變量，因此整體控制可變速抽水蓄能機組的方法有2 種，分別是快速功率控制和快速轉速控制。快速功率控制方式是通過大功率自動變換器調節電動機輸出功率，而水輪機調速器通過調整導葉開啟程度調節電機速度；快速轉速調節方式則是大功率自動變換器調節電機速度，水輪機調速器調節功率。關于各種調節方式的應用工況，不同的學者有不同的看法。

可變速機組發電或抽水工況運行時，轉速優先控制可減少導葉運動次數，會減少軸系磨損和水壓脈動，減少換流器容量，而功率優先控制方法所需勵磁調節容量相對較大，因此滕軍認為發電工況可采用功率優先控制方法和轉速優先控制方法2 種方式，抽水工況時采用轉速優先控制方式。由于機組電動工況時轉速與水泵輸入功率的三次方成正比，通過轉速控制，能夠大范圍內調整電動工況下的輸入功率，而在發電工況時，有功功率的響應速度要盡可能的最大化，所以發電工況應采用功率優先方式，在電動工況應采用轉速優先方式。李輝等提出了功率由交流勵磁控制，轉速通過水輪機導葉控制的快速功率響應調節方式。然而，KUWABARA 等認為可變速抽水蓄能機組運行時，自動發電控制較為重要，應該優先考慮有功功率響應，相比于轉速優先控制方法，功率優先控制方法在負荷中斷時不需要切換控制方法，具有更高的可靠性，目前正投入運行的日本大河內電站4 號機組，其發電工況和電動工況均采用功率優先控制方法。所以，對于可變速抽水蓄能機組在每種運行工況時應該采取哪種控制方法，尚未形成定論，因此還需要結合控制策略的特性深入研究。

3 可變速抽水蓄能機組功率調節

關于可變速抽水蓄能機組參與電網調頻的研究也逐漸受到學者的重視。王松等以雙饋電機等效電路為基礎，研究機側和網側換流器的無功調節機理，并探討兩者的無功調節優先級，給出合理的無功控制策略，但并未探討無功功率的影響因素。對于固定下垂系數控制存在抑制頻率波動的阻尼不足的問題，李輝等對固定系數控制策略存在不足提供了改進思路，通過改變下垂系數以實現調頻控制，并給出了參數整定方法。高曉光等認為應根據機組容量和功率偏差值自行整定PⅠD 參數，整定策略如下，對于小型發電機組，因為其波動幅度小所以無論偏差值大小，PⅠD參數均取較小值；而對于大中型發電機組，其容量大，當功率指令偏差±10 MW 以上時PⅠD 整定值取小，功率偏差值在±10 MW 以下時PⅠD 整定值取大。彭天波等為實現電網頻率快速無差別調節，提出了在電站調速器程序中額外設置一次調頻專用PⅠD 參數，獨立應用于機組一次調頻，與其他PⅠD 參數分割取值整定，同時保留另外一組不影響負載的小電網和孤立電網調頻能力的PⅠD 參數，實現機組一次調頻自動運行，縮短了響應時間，增強了調節能力。NASⅠR 等討論了可變速抽水蓄能電站中有功和無功功率控制，在電網側變流器仍保持原直流電壓的同時，提出了一種轉子側變流器有效控制有功和無功功率的方法，對于電站參與電網調頻提供了新思路。

雖然一些專家學者對變速水力機組參與電網調節的控制策略進行了一定的研究，但變速機組參與一次調頻過程的特點及是否與定速機組有一致性尚不明確。為研究雙饋感應電機在電網功率調節中的作用，胡萬豐等建立了雙饋感應電機功率控制系統模型，可以調節勵磁電流直接對定子有功功率進行調節，定子功率能夠快速跟隨功率指令的變化，實現功率快速調節，有效縮減機組調節時間。為研究可變速機組運行對電網功率的控制作用，韓民曉等綜合考慮能量平衡、波動負荷與可再生能源發電出力跟蹤控制及電壓穩定控制的需求，采用-解耦方法實現可變速機組有功與無功功率的控制。為分析影響可變速抽蓄機組功率調節能力的因素，王德順等分析各指標參數權重，計算各影響因素權重大小，建立功率調節能力評估體系，為可變速抽水蓄能機組的建設和實際運行提供參考。

4 結論

關于可變速抽水蓄能電站應用方面，日本可變速抽水蓄能技術應用廣泛、技術成熟，目前生產可變速抽水蓄能機組的制造商有日立、東芝、三菱等公司，已經成功應用可變速抽水蓄能機組包括沖繩、蛇尾川、鹽源、奧清津、小丸川、葛野川等抽水蓄能電站，其裝機容量已超過500 萬kVA；在德國、瑞士等西方國家可變速抽水蓄能機組也在大量投運，如德國Konsortium Goldisthal 電站，瑞士 Grimsel 電站、Linthal電站等；中國抽水蓄能電站裝機容量是目前世界上在建和已建規模最大的國家，雖然可變速抽水蓄能機組還沒有正式應用在電力系統中，但河北豐寧電站已通過采用2 臺容量300 MW 的可變速抽水蓄能機組的方案，在未來可變速抽水蓄能電站必將迎來蓬勃發展。

關于可變速抽水蓄能機組調節特性方面，國內外學者對機組的調節控制系統展開大量研究，控制策略與調節方法積累了許多文獻，為后續研究提供了便利條件。而可變速抽水蓄能機組參與電網調頻過程中，采用哪種控制方法如轉速控制或功率控制并沒有形成定論，還需結合電站實際運行情況與控制方法特性進行深入研究；相比定速抽水蓄能機組，可變速機組其參與調頻的規律，如何體現變速機組的優勢及以什么樣的標準來考核等問題在今后的研究中需要深入探討；關于抽水蓄能機組采用同發同抽工況運行，目前針對電站進出水口之間的流場流態特性深入研究，在機組參與電網調頻方面并沒有相關報道，因此抽水蓄能電站采用同發同抽工況的可行性，是否能給電站帶來效益的問題仍需繼續研究。