全功率變流器可變速抽水蓄能機組的功率調(diào)節(jié)特性分析

暢欣，韓民曉，鄭超

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院, 北京市 102206；2.中國電力科學研究院，北京市 100192)

全功率變流器可變速抽水蓄能機組的功率調(diào)節(jié)特性分析

暢欣1，韓民曉1，鄭超2

(1.華北電力大學電氣與電子工程學院, 北京市 102206；2.中國電力科學研究院，北京市 100192)

全功率變流器(full size converter, FSC)可變速抽水蓄能技術是控制電網(wǎng)負荷頻率，平衡可再生能源發(fā)電波動的有效手段。在介紹三電平FSC可變速抽水蓄能機組整體結構的基礎上，給出了機側變流器和網(wǎng)側變流器的模型和控制策略。在確定由于電網(wǎng)需求而產(chǎn)生的參考功率的基礎上，提出了FSC可變速抽水蓄能機組在發(fā)電模式和電動模式時有功功率和無功功率的控制策略。針對所建立的FSC可變速抽水蓄能機組模型，采用沖擊響應傅立葉變換法，給出了機組的頻譜特性，對照風電波動頻譜特性，闡述了全功率機組對可再生能源引起的電網(wǎng)波動控制的有效性。最后對抽水蓄能機組在抑制風電出力波動中的作用進行了仿真驗證。

全功率變流器(full size converter, FSC); 電力電子變流器; 可變速抽水蓄能電站(variable speed pumped storage，VSPS); 功率控制策略; 可再生能源; 頻譜特性分析

0 引 言

抽水蓄能電站運行靈活可靠、工況轉換迅速、環(huán)境壓力小，是到現(xiàn)在為止公認的最成熟、最經(jīng)濟、容量最大的儲能方式。可在削峰填谷、平滑規(guī)模化可再生能源輸出功率方面發(fā)揮重要作用[1-3]。根據(jù)《國家發(fā)展改革委關于促進抽水蓄能電站健康有序發(fā)展有關問題的意見》，到2025年，全國抽水蓄能電站總裝機容量預計達到1億 kW，占全國電力總裝機的4%左右。但目前，全國抽水蓄能電站裝機幾乎全為定速機組，還不足以應對電網(wǎng)近年來出現(xiàn)的大規(guī)模快速功率波動的迫切需求。

采用可變速技術的抽水蓄能電站，不僅可以快速調(diào)節(jié)有功功率和無功功率來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應能力，實現(xiàn)機電系統(tǒng)的柔性連接，提高發(fā)電效率，還可以有效控制電網(wǎng)負荷頻率，并平衡可再生能源引起的頻率波動，改善電能質量[4]。由于基于雙饋方式的可變速抽水蓄能機組裝機容量僅占總裝機容量的1/5，造價和占地相對較小。日本、德國、瑞士等國已有大量雙饋方式的可變速抽水蓄能機組在電網(wǎng)運行中發(fā)揮重要作用[5]。我國抽水蓄能機組向大容量高水頭發(fā)展，目前250 MW及以上的機組占比較大，國內(nèi)正在對基于雙饋方式的大容量可變速抽水蓄能技術進行研究，并擬投入實施。

但是，由三相交流勵磁轉子組成的大容量雙饋可變速抽水蓄能機組的轉子和啟動程序較為復雜，因此發(fā)展基于全功率變流器(full size converter, FSC)和同步電機的可變速抽水蓄能機組得到了研究和關注。FSC是在發(fā)電機定子與電網(wǎng)間連接了一個與發(fā)電機功率相同的變頻器，將發(fā)電機發(fā)出的電壓、頻率不同的電能，經(jīng)過整流、逆變后變成與電網(wǎng)電壓、頻率相同的電能，輸入電網(wǎng)。其特點在于將發(fā)電機和電網(wǎng)完全隔離，電機調(diào)速范圍更寬，同時，在電網(wǎng)異常和故障狀態(tài)下，變流器的兼容運行能力更強?，F(xiàn)有的中小型抽水蓄能電站可以較為方便地改裝為FSC可變速抽水蓄能電站，這也體現(xiàn)了全功率方式的優(yōu)越性。例如瑞士的Grimsel 2號抽水蓄能電站使用IGCT等電力電子器件將原先的定速機組改裝為100 MW FSC可變速機組，其實際出力可以快速跟隨計劃出力，取得了良好的效果[6]。

由于電力電子器件的價格按摩爾定律快速下降，變流器占整體工程投資的比例逐漸減小，雙饋可變速機組投資較小的優(yōu)勢也越來越不明顯[7-8]。將普通的抽水蓄能機組改裝為全功率機組時，抽水蓄能電站的主要投資僅增加了2%～4%。同時由于機組可變速，可以平滑調(diào)節(jié)，降低了水輪機的摩擦損耗，減少了水流對水輪機的損壞，從而延長了機組的維修周期，降低了維修時消耗的人力、物力和財力?？傊还苁窃O計安裝新的電站，還是改裝現(xiàn)有的抽水蓄能電站，F(xiàn)SC機組都具有一定的優(yōu)勢。

風、光、儲互補發(fā)電系統(tǒng)中的模型、控制策略和功率調(diào)節(jié)特性直接影響系統(tǒng)對功率波動抑制的有效性。文獻[9-10]建立了風、光、儲系統(tǒng)的機電暫態(tài)模型和儲能單元充放電的優(yōu)化模型；文獻[11-12]給出了基于儲能平抑風電波動的策略，并基于低通濾波器使用混合儲能來實現(xiàn)間歇式電源的調(diào)度。但上述研究工作主要圍繞電池儲能和基于普通定速機組的抽水蓄能來進行分析和建立模型，并沒有研究具有發(fā)展?jié)摿Φ腇SC可變速抽水蓄能機組的功率調(diào)節(jié)特性。

本文將分析三電平FSC可變速抽水蓄能機組的功率調(diào)節(jié)特性，并描述電網(wǎng)運行對功率調(diào)節(jié)的需求；基于此，詳細分析發(fā)電模式下和電動模式下功率的調(diào)節(jié)特性和方法。最后，基于MATLAB/SIMULINK軟件，建立FSC抽水蓄能機組模型，對其功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻譜特性進行分析，驗證該系統(tǒng)對可再生能源發(fā)電波動的抑制作用。

1 FSC可變速抽水蓄能機組模型與控制策略

FSC是水輪機發(fā)出的電能連接到電網(wǎng)的唯一通路，具有較高的可靠性和較快的響應速度，并且具有與抽水蓄能機組相同的容量。

如圖1所示，由于容量和電壓的增大，F(xiàn)SC可變速技術采用三電平中點箝位型(neutral point clamped, NPC)電壓源變流器。2個串聯(lián)器件的中點通過箝位二極管和直流側電容的中點相連接。箝位二極管的作用是在開關器件導通時，提供電流通道從而防止電容短路?？臻g矢量脈沖寬度調(diào)制算法(space vector pulse width modulation，SVPWM)的數(shù)字化程度高，直流電壓利用率高，在三電平中點箝位型電壓源變流器上得到了廣泛應用[13]。

圖1 三電平中點箝位型(NPC)雙PWM結構Fig.1 Double-PWM structure of three-level NPC converter

為保證電網(wǎng)正常運行，網(wǎng)側變流器要依據(jù)功率指令平衡有功功率和無功功率?；赿-q解耦的控制算法，網(wǎng)側變流器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)有功與無功的解耦控制，保證電網(wǎng)的正常運行。結構上，網(wǎng)側變流器是基于電流控制的并網(wǎng)型電壓源變流器，可以靈活控制輸出的三相電流。其工作原理是：當電網(wǎng)電壓保持恒定時，通過控制與變流器連接的濾波電感上的電流大小，使其跟蹤指令電流的變化，從而使變流器經(jīng)濾波后的輸出功率能夠隨指令電流而成比例變化。

當網(wǎng)側變流器的有功功率發(fā)生波動時，直流母線電壓隨之變化。當直流母線電壓變化時，機側變流器可以調(diào)整輸出頻率，從而調(diào)整發(fā)電電動機的轉速，通過轉子動能的調(diào)整和調(diào)速器對水流量的調(diào)整來最終實現(xiàn)功率的控制[14]。機側變流器控制的目的是：連接網(wǎng)側變流器和電動發(fā)電機，實現(xiàn)兩者之間的電能輸送，準確控制轉矩跟蹤。使用全控器件和SVPWM調(diào)制算法，可以有效減小電流諧波、抑制電機轉矩波動、降低系統(tǒng)損耗、在不同工作模式下實現(xiàn)能量的雙向流動，還可以提高變流器直流電壓利用率，保證良好的動態(tài)性能。

2 FSC可變速抽水蓄能機組功率調(diào)節(jié)特性分析

2.1 電網(wǎng)運行對功率調(diào)節(jié)的需求

2.1.1 有功功率控制過程

為充分發(fā)揮可變速機組在電網(wǎng)運行中的控制作用，通常將多種控制功能相互結合，如圖2所示[15]。調(diào)度系統(tǒng)在整個電網(wǎng)層面考慮能量平衡和最優(yōu)控制的基礎上得到最優(yōu)功率Poptimal，控制系統(tǒng)根據(jù)負荷波動(包括可再生能源發(fā)電出力波動)跟蹤控制及系統(tǒng)頻率控制形成附加控制量ΔPw，ΔPf。這些量相疊加形成有功功率的參考量Pref。

圖2 可變速機組有功參考功率的形成Fig.2 Generation of active reference power for VSPS units

其中，ΔPw通常取波動性負荷或可再生能源發(fā)電出力的測量值與預測值之差：

ΔPw=Pmea-Ppre

(1)

而ΔPf則可以是簡單的下垂控制，也可以通過增添附加項用于電網(wǎng)振蕩阻尼。

(2)

式中：Kdrop是下降調(diào)節(jié)系數(shù)；Td、Tfilt分別是調(diào)節(jié)系統(tǒng)與濾波系統(tǒng)的時間常數(shù)；s是微分算子；fref、fgrid分別是參考頻率和電網(wǎng)的實際頻率。

2.1.2 無功功率控制過程

機組的無功功率依據(jù)電壓穩(wěn)定控制需要，計算得到。如圖3所示，系統(tǒng)運行提供設計基本功率Qb，通過系統(tǒng)電壓控制得到附加功率ΔQu。這些量相疊加形成無功功率的參考量Qref。

圖3 可變速機組無功參考功率的形成Fig.3 Generation of reactive reference power for VSPS units

而ΔQu則可以是簡單的PI調(diào)節(jié)控制，也可通過增添附加項用于電網(wǎng)振蕩阻尼。

(3)

式中：Kp、Ki分別是比例與積分環(huán)節(jié)的系數(shù)；uref、ugrid分別是參考電壓和電網(wǎng)實際電壓。

無功功率的控制不會影響直流母線電壓，所以，可以通過控制網(wǎng)側變流器來控制無功功率[16-17]。

2.2 發(fā)電模式下的功率調(diào)節(jié)

作為可逆的發(fā)電電動機組，葉片式水力機械可以雙向運行，水泵或水輪機都可以反方向旋轉，以相反的方式工作。在發(fā)電模式下，即在高峰負荷時，機組作為發(fā)電機組運行，利用上水庫的蓄水發(fā)電，將機械能轉化為電能，送到電網(wǎng)。水輪機進口能量高于出口能量，即水流對轉輪做功。發(fā)電模式下，發(fā)電機輸出功率PM、電網(wǎng)饋入功率PI、直流功率PG和電容側功率PC的流動如圖4所示。

圖4 發(fā)電模式時機組的功率平衡關系Fig.4 Power balance relationship of units under generator mode

機械運動方程為

(4)

式中：JT是機組的等效轉動慣量；Ωm=ΩK，Ωm是發(fā)電機轉子的機械轉速，Ω是水輪機的轉速，K是比例系數(shù)；TM和TE分別是機械轉矩和電磁轉矩；Kf是摩擦系數(shù)。

水泵把原動機的機械能轉換為液體的壓力能，使壓力和流速增加。輸入功率就是原動機傳遞到泵軸上的功率，即軸功率。由于轉矩與角速度的乘積即為功率，則

(5)

式中：ωn是角速度；PM和PE分別是機械功率和電磁功率，其中PE=2Udcidc2，Udc和idc2分別是三電平變流器的電容兩端的電壓和經(jīng)過的電流，PM=ρgQHη≈9.81QHη，ρ是水的密度，g是重力加速度，Q是水流速度，H是水頭，η是水輪機的效率。

網(wǎng)側變流器可以實現(xiàn)有功和無功的解耦控制。有功功率的參考值與實測值之差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后形成d軸的電流參考值，減去d軸電流實測值后再經(jīng)過PI調(diào)節(jié)，加上d軸電壓，形成參考電壓；再減去q軸電流乘以ωL后形成的補償電壓，可以得到d軸電壓分量。當d軸電流增大時，電網(wǎng)功率增大，使得三電平NPC變流器的直流母線電壓Udc降低，電網(wǎng)所需的發(fā)電量增大。機側變流器可以調(diào)整輸出頻率，從而使得發(fā)電電動機的轉速降低，通過轉子動能的調(diào)整和調(diào)速器對水流量的調(diào)整來最終實現(xiàn)對有功功率的控制。相反，當送入電網(wǎng)功率減小時，直流電壓Udc升高，調(diào)整機側變流器的頻率，使得發(fā)電電動機的轉速提高，增加動能儲備，減小流入直流環(huán)節(jié)的能量。所以，抽水蓄能電站可以根據(jù)電網(wǎng)負荷變動情況調(diào)節(jié)發(fā)出功率，可靠性高、靈活快速、暫態(tài)特性好。

2.3 電動模式下的功率調(diào)節(jié)

在電動模式下，即在電力系統(tǒng)負荷處于低谷時，抽水蓄能機組作為水泵運行，往上水庫蓄水，電能轉化為機械能，水泵的出口能量高于進口能量，即轉輪對水流做功。PM，PI，PG等功率的流動方向與電動模式的相反。

機械運動方程為

(6)

水輪機輸出功率是水輪機主軸輸出的機械功率，由于轉矩與角速度的乘積即為功率，則

(7)

式中PM=ρgQH/η≈9.81QH/η。

此時，功率由電機轉速直接控制，電網(wǎng)吸收的功率與轉速的3次方成正比。當電機轉速發(fā)生改變，就可以大幅度調(diào)節(jié)電網(wǎng)和水輪機之間的功率。

3 FSC可變速抽水蓄能電站在可再生能源波動補償中的作用

隨著電網(wǎng)中可再生能源的逐步增加，其隨機性和間歇性使得電網(wǎng)控制和操作要求更加嚴格，給儲能技術帶來了新的發(fā)展空間，當電網(wǎng)頻率或電壓發(fā)生變化時，系統(tǒng)的有功或無功需求大幅改變，通過儲能系統(tǒng)的功率吞吐，使補償后獲得的功率輸出比較平滑。FSC的網(wǎng)側采用解耦控制，能夠在發(fā)電和電動模式下靈活切換，獨立地調(diào)節(jié)電網(wǎng)的有功功率與無功功率的波動，從而調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和電壓。此外，在電網(wǎng)故障狀態(tài)下，抽水蓄能機組對有功功率和無功功率的支持有助于電網(wǎng)的快速恢復，并減輕頻率和電壓波動帶來的不良影響[18]。

可變速抽水蓄能對可再生能源發(fā)電波動的補償效果很大程度上取決于這2個系統(tǒng)的動態(tài)時間響應特性。分析可再生能源發(fā)電波動和可變速抽水蓄能的頻譜特性，即可證明可變速抽水蓄能技術對補償風電波動的有效性。

3.1 風電波動的頻譜特性

風速和風向在不同地區(qū)和季節(jié)的變化導致了風電的隨機性和間歇性。風電場功率輸出受塔影、風切變和偏航誤差等因素的隨機影響。記錄風力發(fā)電隨時間的變化，在不同的周期做傅里葉分析，從而得到風力發(fā)電波動的頻譜特性。圖5是某風電場的典型風力發(fā)電波動曲線，圖6是相應的頻譜特性[19]。

圖5 典型的風力發(fā)電波動Fig.5 Typical wind power fluctuation

可以看出，典型的風力發(fā)電波動周期從幾分鐘、1天、到數(shù)天不等。電網(wǎng)可以通過熱能和其他手段來調(diào)節(jié)每天較為緩慢的風力波動，卻很難用這些傳統(tǒng)方式調(diào)節(jié)每分鐘的風力快速波動。此外，由于光伏出力波動頻率比風電更低，所以只需驗證基于FSC的可變速抽水蓄能電站可以快速補償每分鐘的風力快速波動，即可證明該電站可以調(diào)節(jié)風光互補系統(tǒng)的功率波動。

圖6 風力發(fā)電波動的頻譜特性Fig.6 Spectrum characteristics of wind power fluctuation

3.2 抽水蓄能系統(tǒng)的頻譜特性

FSC可變速抽水蓄能系統(tǒng)包括信息處理系統(tǒng)、電力電子變流器、發(fā)電電動機和水泵。信息處理系統(tǒng)和電力電子變流器的動態(tài)響應十分快速，時間常數(shù)很小，與后兩者相比可以忽略。而后兩者的動態(tài)特性與系統(tǒng)的結構和控制方法有密切的聯(lián)系，定量分析有一定的難度。本文在建立FSC系統(tǒng)數(shù)字仿真模型的基礎上，通過沖擊響應傅里葉變換法分析其功率調(diào)節(jié)頻譜特性，如圖7所示。

圖7 FSC可變速抽水蓄能的頻譜特性Fig.7 Spectrum characteristics of FSC-VSPS

首先通過功率參考值的躍變，對系統(tǒng)施加階躍激勵，然后對得到的FSC可變速抽水蓄能系統(tǒng)的輸出功率信號進行微分(圖7中1.0～1.4 s的部分)，并進行傅里葉分析，可以看出，所建FSC可變速抽水蓄能機組的帶寬約2.5 Hz，覆蓋了風力波動的帶寬(1 Hz)，完全滿足風力波動抑制對時間響應特性的要求。

3.3 電網(wǎng)仿真

作為示例，本文設計了一套100 MW級基于FSC的可變速抽水蓄能系統(tǒng)，系統(tǒng)的機側和網(wǎng)側由三電平PWM變流器組成，機側的額定電壓為13.8 kV。系統(tǒng)可以靈活有效地調(diào)節(jié)電網(wǎng)自身和可再生能源引起的系統(tǒng)功率波動，如圖8所示。

圖8 含風力-FSC可變速抽水蓄能的電力系統(tǒng)模型Fig.8 System model of power grid with wind-FSC VSPS

使用MATLAB/SIMULINK軟件對整個系統(tǒng)進行建模和仿真，如圖9所示，F(xiàn)SC可變速系統(tǒng)對功率波動指令的跟蹤特性良好，這表明FSC可變速抽水蓄能技術可以快速靈活地調(diào)節(jié)可再生能源發(fā)電功率。

圖9 FSC可變速系統(tǒng)對功率指令的跟蹤Fig.9 Tracking of power order by FSC-VSPS

對含大規(guī)模風力的FSC可變速抽水蓄能系統(tǒng)的功率控制，實質是對FSC可變速抽水蓄能系統(tǒng)的控制。采用威布爾(Weibull)分布能夠較好地描述風速，但當研究的時段比較短時，可以用正態(tài)分布近似描述風電場風速。如圖10所示，以電動模式為例，對于風電短時間內(nèi)功率的標么值用一個均值為0.5，方差為0.02的高斯分布進行模擬。

圖10 風力波動和功率補償后與電網(wǎng)交換的功率Fig.10 Wind power fluctuation and power exchanged with grid after compensation

經(jīng)數(shù)值分析，風力功率波動、功率補償后與電網(wǎng)交換功率波動的評價指標實測值如表1所示。

表1 功率波動的評價指標的對比
Table 1 Evaluation index comparison of power fluctuation pu

4 結 論

(1)探討了由三電平中點箝位型全功率電壓源變流器系統(tǒng)和同步電機組成的FSC可變速抽水蓄能系統(tǒng)，給出了機側變流器和網(wǎng)側變流器的模型和控制策略。

(2)FSC作為水輪機所發(fā)電能回饋至電網(wǎng)的唯一通路，可以高效獨立地控制有功功率和無功功率。說明了FSC可變速機組在發(fā)電模式和電動模式時有功功率和無功功率的控制策略。

(3)針對所建立的FSC可變速抽水蓄能機組模型，采用沖擊響應傅立葉變換法，給出了機組的頻譜特性，并對照風電波動頻譜特性，闡述了全功率機組對可再生能源引起的電網(wǎng)波動控制的有效性。

隨著控制技術的快速發(fā)展和電力電子器件價格的降低，傳統(tǒng)抽水蓄能行業(yè)的新時代技術特性將會得到進一步挖掘，全功率變流器可變速抽水蓄能系統(tǒng)將會得到更多的關注和更深入的研究。

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(編輯 張小飛)

Power Regulation Characteristics Analysis of Variable Speed Pumped Storage with Full-Size Converter

CHANG Xin1, HAN Minxiao1, ZHENG Chao2

(1. School of Electrical & Electronic Engineering, North China Electric Power University,Beijing 102206, China;2. China Electric Power Research Institute, Beijing 100192, China)

Variable speed pumped storage (VSPS) with full-size converter (FSC) can be an effective measure for automatic frequency control and renewable energy generation fluctuation balance. This paper mainly studies the modeling and control strategies of the machine-side and grid-side converter, based on the introduction of the overall structure of VSPS with three-level FSC. On a basis of the given reference power generated by the need of grid operation, we propose the control strategy of active power and reactive power for FSC-VSPS under generator mode and motor mode. According to the proposed model of FSC-VSPS units, we adopt the Fourier transform method based on impulse response to present the spectrum characteristics of units. Compared with the spectrum characteristics of wind power fluctuation, this paper describes the effectiveness of control effect of the VSPS system with FSC to the power fluctuation caused by renewable energy. Finally, we simulate and verify the effect of VSPS units with FSC on the restrain action of wind power output fluctuation.

full-size converter(FSC); power electronic converters; variable speed pumped storage (VSPS); power control strategy; renewable energy; spectrum characteristics analysis

國家電網(wǎng)公司科技項目(規(guī)模化新能源基地并網(wǎng)與直流送出)(XTB51201402357)

TM 612

A

1000-7229(2016)04-0091-07

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.04.014

2015-12-01

暢欣(1992)，女，通信作者，碩士研究生，主要研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應用，電能質量等；

韓民曉(1963)，男，博士，華北電力大學教授，柔性電力技術研究所所長，主要研究方向為電力電子在電力系統(tǒng)中的應用，電力系統(tǒng)建模與控制技術，電能質量等；

鄭超(1977)，男，博士，主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制。