抽水蓄能電站應(yīng)用及頻率穩(wěn)定控制研究

張燕平，毋麗麗

（許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461000）

抽水蓄能電站應(yīng)用及頻率穩(wěn)定控制研究

張燕平，毋麗麗

（許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 許昌 461000）

文章首先介紹了常規(guī)的頻率穩(wěn)定控制手段的研究現(xiàn)狀，由此引入抽水蓄能電站的研究，對(duì)抽水蓄能電站的發(fā)展應(yīng)用、數(shù)學(xué)模型及頻率穩(wěn)定控制策略的研究現(xiàn)狀分別展開了介紹。

抽水蓄能；低頻減載；頻率穩(wěn)定

1　常規(guī)的頻率穩(wěn)定控制策略研究

目前在電力系統(tǒng)中應(yīng)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(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的最后一道防線，它在世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，遺傳算法、模糊理算法等高級(jí)算法被引入電力系統(tǒng)研究和應(yīng)用領(lǐng)域。這些算法具有計(jì)算快、計(jì)算能力強(qiáng)、自學(xué)能力強(qiáng)等眾多優(yōu)點(diǎn)。利用這些算法進(jìn)行低頻減載的方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化，能夠減輕負(fù)荷過切的現(xiàn)象。可通過實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻和低頻減載的協(xié)調(diào)控制的方法來提高電力系統(tǒng)遭受動(dòng)力大擾動(dòng)后的穩(wěn)定控制水平和性能［1-2］。

如何利用新型的儲(chǔ)能手段—抽水蓄能電站來抑制低頻現(xiàn)象，從而減少負(fù)荷的損失，并且快速有效地恢復(fù)電網(wǎng)頻率將是一個(gè)全新的課題。

2　抽水蓄能電站的應(yīng)用

我國已建和在建的抽水蓄能電站統(tǒng)計(jì)情況如表1所示。

表1　我國已建和在建抽水蓄能統(tǒng)計(jì)

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(nèi)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(yīng)用很廣泛。因此如何利用好抽水蓄能的特點(diǎn)將其應(yīng)用到電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定控制中，最大限度地發(fā)揮抽水蓄能的作用是目前值得研究的課題。

3　抽水蓄能數(shù)學(xué)模型研究

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

我國對(duì)可逆式水泵水輪機(jī)的研究始于20世紀(jì)70年代初，進(jìn)入21世紀(jì)以后，國家科研把可逆式水泵水輪機(jī)的研制工作提到重點(diǎn)日程上來，從這段時(shí)間的文獻(xiàn)來看，研究范圍廣泛，涉及過渡過程的研究、水泵水輪機(jī)的參數(shù)選擇和優(yōu)化探討、模型試驗(yàn)臺(tái)的建立及模型試驗(yàn)的研究、國外機(jī)組引進(jìn)消化研究、水力性能的模擬研究等方面。文獻(xiàn)［3］分析了水泵水輪機(jī)全特性曲線的S形特性，該S形區(qū)水泵水輪機(jī)流道內(nèi)流動(dòng)狀況很不穩(wěn)定，為了詳細(xì)了解區(qū)域的流動(dòng)特性，選取開度下水輪機(jī)飛逸工況、水輪機(jī)工況、零流量附近反水泵工況、零流量附近制動(dòng)工況等幾個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行全流道定常流和非定常流數(shù)值分析。文獻(xiàn)［4］在基于曲面擬合的水泵水輪機(jī)全特性曲線的變換新方法的基礎(chǔ)上，將移動(dòng)最小二乘近似應(yīng)用于對(duì)全特性的曲面擬合。通過最小二乘曲面擬合與移動(dòng)最小二乘擬合的水泵水輪機(jī)全特性擬合曲面和S區(qū)域擬合情況的對(duì)比，以及抽水蓄能電站過渡過程計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)移動(dòng)最小二乘近似能夠更好地?cái)M合水泵水輪機(jī)的全特性曲線。最后對(duì)移動(dòng)最小二乘近似參數(shù)權(quán)函數(shù)因子、計(jì)算點(diǎn)影響域中的節(jié)點(diǎn)數(shù)及影響半徑乘子對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響作了分析，得出了初步的建議。文獻(xiàn)［5］針對(duì)國內(nèi)首次抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)組第三方試驗(yàn)同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)行了水輪機(jī)模型測(cè)試方法的改進(jìn)，解決了水泵水輪機(jī)四象限試驗(yàn)、瞬時(shí)工況點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、水泵大流量工況壓力面空泡觀測(cè)等試驗(yàn)技術(shù)難點(diǎn)。模型試驗(yàn)取得了理想的效果；效率試驗(yàn)的測(cè)試不準(zhǔn)確度小，試驗(yàn)工況穩(wěn)定、數(shù)據(jù)重復(fù)性好，采集的“S”特性區(qū)和反水泵區(qū)的數(shù)據(jù)點(diǎn)密集。此次試驗(yàn)表明，國內(nèi)試驗(yàn)臺(tái)有能力完成抽水蓄能水泵水輪機(jī)的模型驗(yàn)收試驗(yàn)。為了消除水泵水輪機(jī)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(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的連續(xù)性，該文獻(xiàn)提出了水泵水輪機(jī)全特性曲線的新變換方法。該方法引入了導(dǎo)葉相對(duì)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(duì)其進(jìn)行曲面擬合，得出了可連續(xù)求導(dǎo)的連續(xù)擬合函數(shù)。這種改造方法可以改善各種導(dǎo)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?yàn)檫@種方法可以實(shí)現(xiàn)在同一過渡過程中全關(guān)到全開（或是全開到全關(guān)）的各種水力瞬變過程的計(jì)算。

在過渡過程模型方面，文獻(xiàn)［6］深入分析了高水頭混流可逆式水泵水輪機(jī)和球閥各自流量特性的特點(diǎn)，提出了在過渡過程中將導(dǎo)葉和球閥動(dòng)作相配合的調(diào)節(jié)規(guī)律優(yōu)化思路。通過對(duì)某高水頭抽水蓄能電站水力過渡過程的計(jì)算分析表明，這種調(diào)節(jié)規(guī)律能大幅降低水錘壓力，有效防止“S”區(qū)的水力振蕩。文獻(xiàn)［7］為了研究水泵水輪機(jī)的全特性曲線對(duì)抽水蓄能電站過渡過程的影響，根據(jù)兩者之間的相關(guān)性調(diào)整和優(yōu)化可逆機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)，該文結(jié)合工程算例，對(duì)抽水蓄能電站機(jī)組可控和不可控等不同狀態(tài)下的過渡過程采用不同的水泵水輪機(jī)準(zhǔn)輪全特性曲線進(jìn)行了模擬計(jì)算。計(jì)算表明，轉(zhuǎn)輪全特性曲線是影響過渡過程的重要因素之一，根據(jù)過渡過程的相關(guān)性與轉(zhuǎn)輪全特性曲線的分析得知，可逆機(jī)輪轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)可以使用全三維方法?？梢栽谠O(shè)計(jì)的過程中改變特性曲線形狀，適當(dāng)調(diào)整導(dǎo)葉相對(duì)高度等參數(shù)，減緩開度線變化斜率，可優(yōu)化過渡過程。文獻(xiàn)［8］簡要介紹了導(dǎo)葉不同裝置（MGV裝置）的基本原理和工作特性，提出并聯(lián)過流、同軸同特性的雙輪機(jī)可逆機(jī)組模擬的建模思路，并且建立了可逆機(jī)組（含MGV裝置）甩負(fù)荷過渡過程仿真計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。并最終通過針劑試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從而驗(yàn)證了該數(shù)學(xué)模型的正確性。

上述的研究主要是抽水蓄能機(jī)組過渡過程的數(shù)學(xué)模型以及水輪機(jī)全特性曲線模型。而過渡過程的研究較為簡單，忽略了運(yùn)行工況的差異對(duì)發(fā)電機(jī)模型參數(shù)的影響，這將影響基于抽水蓄能機(jī)機(jī)組的頻率穩(wěn)定控制策略。

4　抽水蓄能頻率控制策略研究

頻率穩(wěn)定控制隨著互聯(lián)電網(wǎng)跨區(qū)域技術(shù)的發(fā)展逐漸成為電網(wǎng)互聯(lián)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。傳統(tǒng)的頻率穩(wěn)定控制策略—低頻減載控制代價(jià)較大，因此本節(jié)主要介紹抽水蓄能參與頻率穩(wěn)定控制的研究現(xiàn)狀。

抽水蓄能起初的應(yīng)用是與核電配套運(yùn)行的，核電承擔(dān)著電網(wǎng)的基荷保持持續(xù)穩(wěn)定的功率輸出，抽水蓄能承擔(dān)著電網(wǎng)的峰荷進(jìn)行調(diào)峰調(diào)頻。因此關(guān)于抽水蓄能方面的研究主要集中在調(diào)度策略和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面。在電網(wǎng)緊急狀態(tài)下，利用抽水蓄能機(jī)組的工況轉(zhuǎn)換進(jìn)行頻率穩(wěn)定控制的研究才剛剛起步。

有文獻(xiàn)指出，可以利用抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換迅速的特點(diǎn)，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重故障而導(dǎo)致頻率出現(xiàn)大的跌落時(shí)，在低頻減載裝置動(dòng)作之前切除處于抽水工況的蓄能機(jī)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(jī)組的工況轉(zhuǎn)換去解決電力系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定問題。在低頻切泵策略的研究中，文獻(xiàn)［9］和文獻(xiàn)［10］臺(tái)灣電網(wǎng)首次研究了低頻策略的應(yīng)用，具體方法是在同一運(yùn)行方式下選擇典型的故障，對(duì)故障場景運(yùn)用仿真依次模擬，對(duì)動(dòng)態(tài)頻率軌跡進(jìn)行觀察，然后根據(jù)實(shí)際功率缺額以及頻率變化趨勢(shì)選擇切泵臺(tái)數(shù)和延時(shí)。文獻(xiàn)［11］基于以上基礎(chǔ)，引入了新的頻率安全考核指標(biāo)“暫態(tài)頻率偏移可裕度”，運(yùn)用新指標(biāo)對(duì)低頻策略進(jìn)行整定，低頻減載協(xié)調(diào)優(yōu)化與低頻切泵在此基礎(chǔ)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(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性及電網(wǎng)故障的規(guī)模等邊界條件。而邊界條件的改變很可能會(huì)讓控制效果變差。文獻(xiàn)［12］綜合以上切泵策略，最終比較理想地解決了電網(wǎng)頻率動(dòng)態(tài)特性改變和故障規(guī)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(shù)，從而找到了依據(jù)最優(yōu)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(fù)荷損失。

目前對(duì)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(zhuǎn)發(fā)電的策略；第二，沒有考慮抽水蓄能機(jī)組本身的動(dòng)態(tài)變化過程（從抽水工況轉(zhuǎn)為停機(jī)工況），只是將抽水蓄能水泵工況看作普通負(fù)載；第三，對(duì)大規(guī)模風(fēng)電接入電網(wǎng)后的影響也考慮過少。因此，對(duì)于抽水蓄能頻率穩(wěn)定策略還有待給出一套全面系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)和切實(shí)可行的控制方法。

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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。