抽水蓄能變速機組應(yīng)用技術(shù)概述

盧偉甫，王 勇，樊玉林，陳 瑞，孫曉霞

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引言

目前國內(nèi)解決電力系統(tǒng)調(diào)峰的手段——抽水蓄能電站，全部是定速抽水蓄能機組，只能采取“開機—滿負荷—停機”控制方式，不能調(diào)節(jié)輸入功率。隨著電網(wǎng)中核電等穩(wěn)定供電電源和風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源所占比例日益增大，電網(wǎng)穩(wěn)定運行，尤其是夜間頻率控制變得更為困難[1-3]。當(dāng)出現(xiàn)頻率波動情況時，定速抽水蓄能機組無法滿足電網(wǎng)快速、準(zhǔn)確進行頻率調(diào)節(jié)的要求。為此，連續(xù)可調(diào)抽水蓄能變速機組成為優(yōu)選方案之一[4-6]。

然而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃和調(diào)度研究未考慮抽水蓄能變速機組特性對規(guī)劃模型、調(diào)度策略及算法的影響。同時，對于抽水蓄能雙饋電機交流勵磁控制技術(shù)與調(diào)速器兩者之間的聯(lián)合協(xié)調(diào)控制，故障策略保護技術(shù)等方面研究也較少。因此非常有必要對相關(guān)應(yīng)用技術(shù)進行研究，保證抽水蓄能變速機組參與電網(wǎng)有功功率準(zhǔn)確有效，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供更有力的保障。

1 抽水蓄能變速機組工作原理和優(yōu)勢

與定速機組轉(zhuǎn)子直流勵磁相比，抽水蓄能變速機組轉(zhuǎn)子采用交流勵磁，轉(zhuǎn)子上采用三相對稱分布的勵磁繞組，由幅值、頻率、相位以及相序任意可調(diào)的變頻器提供勵磁[7]。

轉(zhuǎn)子繞組通以頻率為f2的對稱交流電，在電機氣隙中就會產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場，其轉(zhuǎn)速為Nr，轉(zhuǎn)速與勵磁電流頻率滿足式（1）：

式中 p——電機極對數(shù)。

要產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)速必須相同。即交流勵磁產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場加上轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速N等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速Ns，見式（2）：

式（2）中正負表示Nr與N轉(zhuǎn)向相同或相反。相同時，取正，N小于Ns，稱為欠同步運行；相反時，取負，N大于Ns，稱為超同步運行。

將式（2）代入式（1），得式（3）：

可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N變化，通過調(diào)節(jié)f2，使得從定子角度看上去的轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)速就可以保持恒定的同步轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)子交流頻率、幅值、相位可調(diào)的優(yōu)勢：

（1）水輪機工況水輪機的運行范圍調(diào)節(jié)更加靈活。

可逆式水泵水輪機運兩種工況的最高效率區(qū)不重合，通常按水泵工況為基礎(chǔ)進行水力設(shè)計，以水輪機工況的要求來校核，因此一般水輪機工況不能在最優(yōu)運行區(qū)運行。相比定速機組，可變速機組可在滿足相應(yīng)水頭和要求的出力下，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度，保持最高效率，即使水輪機工況在出力一定條件下發(fā)電需要的水最少，或水量相同條件下機組發(fā)出的功率更多。

（2）水泵工況可以快速地調(diào)節(jié)機組入力（軸功率）等。

定速抽蓄機組水泵工況額定轉(zhuǎn)速運行時，根據(jù)水泵特性曲線，對應(yīng)某個揚程的輸入功率值限定在一個點，不能調(diào)節(jié)。由于可變速機組的水泵轉(zhuǎn)速可調(diào)，對應(yīng)某個揚程，調(diào)整轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)輸入功率。水泵的入力與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高10%或降低10%時，相應(yīng)的水泵入力增大33.1%或減小27.1%。因此水泵工況電網(wǎng)頻率變化時，變速機組具有自動調(diào)整輸入功率的能力，為電力系統(tǒng)提供頻率自動控制容量。

（3）實現(xiàn)有功、無功的快速調(diào)節(jié)機。

定速機組其勵磁調(diào)節(jié)大多數(shù)采用直流勵磁，通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)同步發(fā)電機的無功功率，達到電網(wǎng)的要求。變速電機的勵磁電流幅度可調(diào)，因此機組吸收或發(fā)出無功分量可以調(diào)節(jié)，功率因數(shù)也可調(diào)整，還可實現(xiàn)深吸無功穩(wěn)定運行。變速機組的勵磁電流相位可調(diào)，可使得發(fā)電狀態(tài)的電磁調(diào)節(jié)過程快速完成，從而可快速調(diào)節(jié)發(fā)電機電壓或無功。

（4）具有一定程度的異步運行能力，有利于電網(wǎng)穩(wěn)定性。

變速機組具有一定程度的異步運行能力，它通過相位控制可獲得快速有功功率響應(yīng)，因為比常規(guī)同步電機具有較好的穩(wěn)定運行性能，有利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高。即使機組失步以后，變速機組也較易于再同步。

（5）在水泵工況下可實現(xiàn)自啟動。

定速抽水蓄能機組的起動方式通常為：定子外接變頻器變頻啟動方式為主，背靠背作為備用方式。而變速機組則能實現(xiàn)自啟動，具體起動方式為：在水泵工況啟動前，先通過隔離開關(guān)短路定子回路，并通過定子回路中串聯(lián)電阻提高啟動轉(zhuǎn)矩。起動過程中，交流勵磁系統(tǒng)的輸出頻率逐漸變化，故變速機組能實現(xiàn)平滑啟動。

目前，全世界變速抽水蓄能機組應(yīng)用臺數(shù)最多的是日本，如額定轉(zhuǎn)速600r/min的小丸川電站機組，容量為475MVA/460MW的葛野川電站機組，投運時間超過20年的大河內(nèi)電站機組和奧清津電站二期機組（1996 年投運）。歐洲也是可變速機組的集中應(yīng)用之地，如德國Goldisthal抽水蓄能電站、斯洛文尼亞的AVCE抽水蓄能電站，分別安裝了2臺331MVA、1臺195MVA的可變速機組。抽水蓄能變速機組運行優(yōu)越性顯著，對提高電網(wǎng)電能品質(zhì)作用明顯。我國的抽水蓄能電站建設(shè)進入快車道，但對變速抽水蓄能機組的建設(shè)應(yīng)用缺乏研究。

2 抽水蓄能變速機組應(yīng)用技術(shù)

2.1 容量配比和運維成本分析

僅從機組性能和運行效果來看，最優(yōu)的配比方案應(yīng)該是全部建設(shè)抽水蓄能變速機組。但我國電網(wǎng)規(guī)模較大，區(qū)域電網(wǎng)之間的連接相對較強，電網(wǎng)之間、網(wǎng)內(nèi)各類電源之間的互補性較強，少量的變速機組投入大的電網(wǎng)中，很難體現(xiàn)出變速機組的優(yōu)越性能，同時在變速機組建設(shè)成本較高的事實之下，不可能也沒必要全部建設(shè)變速機組[8]。

利用模擬軟件建立各類型區(qū)域的抽水蓄能變速機組運行效益評估模型，進行定量的實證分析，得到現(xiàn)有2030年電力規(guī)劃方案下各區(qū)域科學(xué)合理的抽水蓄能變速機組容量在抽水蓄能機組中的配置比例。某一容量配比下的抽水蓄能變速機組使用該容量配比情景下的電力系統(tǒng)總費用與無變速機組情景下的電力系統(tǒng)總費用之差來刻畫。

如圖1所示，華北區(qū)域、華東區(qū)域、西北區(qū)域使得系統(tǒng)運行效益最優(yōu)的新建抽水蓄能變速機組容量配比大致為50%、70%、40%。通過對比可見，華東區(qū)域負荷峰谷差較大，對抽水蓄能機組的調(diào)峰需求也較為突出。西北區(qū)域負荷峰谷差較小，負荷較為平穩(wěn)，因此利用抽蓄電站進行調(diào)峰填谷的需求不大。當(dāng)?shù)陀谧罴讶萘颗浔葧r，當(dāng)抽水蓄能變速機組容量逐步增加時，體現(xiàn)出明顯的削峰填谷作用，系統(tǒng)調(diào)峰需求減小，火電等常規(guī)機組利用率提高，發(fā)電量與發(fā)電煤耗均有所下降，燃料成本與變動運行費用明顯降低，對變速機組容量配比增加帶來的投資增加抵消效果明顯。當(dāng)抽水蓄能變速機組容量配比超過最佳容量配比，抽水蓄能削峰填谷的空間明顯減弱，系統(tǒng)運行費用的減少量逐步放緩，其抵消變速機組容量配比增加帶來的投資增加作用越來越不明顯。

圖1 不同區(qū)域各配比情景運行效益（a）2030年華北區(qū)域各配比情景運行效益；（b）2030年華東區(qū)域各配比情景運行效益；（c）2030年西北區(qū)域各配比情景運行效益Figure 1 Operational benefits versus ratio in different regions

抽水蓄能電站的運維成本費用主要是由外購原材料和燃料動力費、修理費、工資及福利費等組成[9]，而修理費占運行維護費的87%。修理費包括修理費、設(shè)備檢測費、委托運維費等。變速機組運行后的運維檢修對象與定速機組基本一致，最大的區(qū)別在于變速機組轉(zhuǎn)子采用雙層繞組、勵磁變頻裝置較大，從而導(dǎo)致相應(yīng)的檢修內(nèi)容有所增加。我國目前尚無連續(xù)調(diào)節(jié)變速機組的建設(shè)、運行、管理經(jīng)驗，缺少抽水蓄能變速機組的實際運維成本數(shù)據(jù)。目前通過調(diào)研同時擁有定速機組與變速機組配置的日本奧清津、德國Goldisthal抽蓄電站的運行狀況，變速機組與定速機組的運維成本并無明顯差別。

2.2 調(diào)度策略和調(diào)用順序

圖2 變速機組與間歇性電源的配合調(diào)度策略與調(diào)度性能評價研究方法Figure 2 Research method for coordination scheduling strategy and scheduling performance evaluation of variable speed unit and intermittent power supply

2.2.1 調(diào)度策略研究

我國電網(wǎng)實行五級調(diào)度：國、網(wǎng)、省、地、縣，抽水蓄能機組由網(wǎng)調(diào)或者省調(diào)直接調(diào)度[10，11]。相比常規(guī)定速機組，變速機組在電力調(diào)度系統(tǒng)中有利于促進堅強智能電網(wǎng)的建設(shè)，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，可有效降低電站啟停對局部電網(wǎng)的沖擊，有利于提高與可再生能源電源的契合度等優(yōu)勢。因此基于變速機組的作用，對含變速機組與風(fēng)電、太陽能發(fā)電等間歇性電源的配合調(diào)度策略與調(diào)度性能評價進行研究，方法如圖2所示。首先對間歇性電源不確定性進行處理：對于風(fēng)電，風(fēng)機與風(fēng)機間相對位置、風(fēng)機所在地氣溫、濕度、地表等地理因素帶來的預(yù)測誤差分布可能不同。對于光伏發(fā)電，光伏陣列所在地區(qū)氣溫、濕度、云層、污穢程度等地理和氣象條件都會影響光伏發(fā)電的預(yù)測準(zhǔn)確度。根據(jù)中心極限定理，對于大量隨機因素影響導(dǎo)致的預(yù)測誤差可認為其服從正態(tài)分布。利用誤差分布函數(shù)將間歇性電源預(yù)測出力離散化為一定數(shù)量的代表性出力場景。同時建立抽水蓄能變速機組處理模型：建立其水輪機工況與水泵工況運行模型、上下水庫庫容模型和工況選擇約束。

接著將短期發(fā)電調(diào)度分解為2個階段：日前調(diào)度階段和時前調(diào)度階段，基于二階段決策理論，構(gòu)建含抽水蓄能電站的電力系統(tǒng)經(jīng)濟調(diào)度模型并采用先進的優(yōu)化算法如粒子群算法進行求解，得到變速機組的調(diào)度策略。為進一步化抽水蓄能電站產(chǎn)生的經(jīng)濟、環(huán)境等綜合效益，對電站的運行情況進行評價，構(gòu)建抽水蓄能參與電力系統(tǒng)調(diào)度性能評價模型，具體包含調(diào)度運行評價、調(diào)度經(jīng)濟性評價、調(diào)度環(huán)境效益評價，最后進行實證分析。

以三種情景實證分析為例，分別如表1～表3所示，分別給出了無抽蓄情景、定速抽蓄情景和變速抽蓄情景的棄風(fēng)棄光情況。

表1 逐時段棄風(fēng)棄光情況—無抽蓄情景Table 1 Gradual abandoned energy without pumped-storage power station

表2 逐時段棄風(fēng)棄光及抽蓄出力安排情況—定速抽蓄情景Table 2 Gradual abandoned energy with fixed speed pumped-storage power units

表3 逐時段棄風(fēng)棄光及抽蓄出力安排情況—變速抽蓄情景Table 3 Gradual abandoned energy with variable speed pumped-storage power units

經(jīng)分析，三種情景下棄風(fēng)棄光率分別為：24.2%、19.9%、16.9%。系統(tǒng)中沒有抽蓄時，受火電機組啟停調(diào)峰、低位運行煤耗升高、棄風(fēng)棄光較多等因素影響，系統(tǒng)運行成本最高。加入定速抽蓄后，系統(tǒng)運行成本相比無抽蓄情景降低，主要由降低火電機組啟停次數(shù)、提高新能源消納能力和系統(tǒng)平均煤耗率下降帶來；將定速抽水蓄能機組替換為變速抽水蓄能機組后，系統(tǒng)在負荷低谷時段負荷跟蹤能力更為平滑，有效減少了棄風(fēng)棄光，改善了其他類型機組運行狀態(tài)，運行成本相比定速抽蓄情景降低[12]。

2.2.2 調(diào)峰調(diào)用順序

常規(guī)煤電、常規(guī)水電、燃氣發(fā)電以及抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)調(diào)峰資源的主要來源。由于調(diào)峰手段各自的特性和成本不同，需要針對不同系統(tǒng)的特點，構(gòu)建調(diào)峰資源調(diào)用決策模型，結(jié)合優(yōu)化理論，形成調(diào)峰資源調(diào)度決策工具和調(diào)用順序表，為系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)度提供理論支撐和參考。研究方法可采用以負荷持續(xù)爬坡事件為切入，通過以單位調(diào)節(jié)容量成本為關(guān)鍵指標(biāo)實現(xiàn)調(diào)峰手段的調(diào)用先后順序[13]。

有關(guān)結(jié)果表明在火電為主和清潔能源為主電力系統(tǒng)中，應(yīng)對負荷爬坡事件時，抽水蓄能電站與常規(guī)電源機組調(diào)用順序不完全固定。在負荷上爬坡事件中，一般在保障水電、風(fēng)電、光電優(yōu)先消納，尚有剩余空間時由常規(guī)電源機組發(fā)電來實現(xiàn)電力平衡，抽蓄以發(fā)電工況參與調(diào)用順序取決于抽蓄上一次抽水工況時電力來源成本與當(dāng)前對應(yīng)常規(guī)機組中發(fā)電成本的高低，若高過當(dāng)前常規(guī)機組發(fā)電成本就后調(diào)用，反之則先于對應(yīng)常規(guī)機組被調(diào)用。負荷爬坡事件同一時間清潔能源出力爬坡性質(zhì)相反時，抽水蓄能電站先于常規(guī)電源機組被調(diào)用參與調(diào)峰。負荷爬坡事件同一時間內(nèi)清潔能源出力爬坡幅度較大時，導(dǎo)致部分小容量常規(guī)電源機組反向爬坡參與調(diào)峰，讓渡空間給清潔能源和大容量常規(guī)電源機組。爬坡事件中抽水蓄能機組往往優(yōu)于火電深度調(diào)峰被調(diào)用。

2.2.3 交流勵磁系控制及保護技術(shù)

抽水蓄能變速機組交流勵磁系統(tǒng)控制需與調(diào)速器控制協(xié)調(diào)，以滿足抽蓄變速機組不同工況機組的運行方式及控制要求。

整個控制系統(tǒng)中存在三個被控對象：有功功率、無功功率以及電機轉(zhuǎn)速，而系統(tǒng)中可以調(diào)節(jié)的物理量則有變速電機轉(zhuǎn)子的電壓、電流（通過變換器調(diào)節(jié)）、頻率以及水輪機導(dǎo)葉的開度（通過水輪機控制器調(diào)節(jié)）。國內(nèi)南瑞集團根據(jù)機組工作水頭和有功負荷功率，由機組運行特性曲線計算出最優(yōu)轉(zhuǎn)速和最優(yōu)導(dǎo)葉開度信號，然后，導(dǎo)葉開度信號作用于調(diào)速器，通過交流勵磁調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速和有功功率。為了使抽水蓄能變速機組具有快速負荷響應(yīng)特性，調(diào)速器控制水輪機的導(dǎo)葉開度來實現(xiàn)負荷和轉(zhuǎn)速的粗調(diào)，而抽水蓄能變速機組交流勵磁系統(tǒng)實現(xiàn)負荷和轉(zhuǎn)速的細調(diào)從而使機組處于負荷最優(yōu)運行狀態(tài)。

保護技術(shù)方面，變速抽水蓄能機組應(yīng)配置完善可靠的反應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組相間短路、接地短路等故障的保護，以及反應(yīng)過頻、過電壓等異常狀態(tài)的保護功能。由于轉(zhuǎn)子側(cè)繞組電氣頻率是低頻，且持續(xù)變化，對轉(zhuǎn)子側(cè)電氣量互感器選型、保護測量算法等都提出新的要求。如常規(guī)電磁式電流互感器在頻率很低時可能出現(xiàn)嚴重的暫態(tài)飽和，傳變特性差，嚴重影響差動保護性能，甚至導(dǎo)致保護誤動，因此應(yīng)采用電磁特性滿足要求的電磁式互感器，或者采用電子式互感。同時，保護軟件上，應(yīng)采用與頻率無關(guān)的算法。

3 結(jié)束語

變速機組的抽水蓄能電站是一種高效、先進的調(diào)峰調(diào)頻電源，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供更有力的保障，是電網(wǎng)發(fā)展到一定階段后電力系統(tǒng)管理的有效工具之一。國內(nèi)在抽水蓄能變速機組的應(yīng)用也已起步，在科學(xué)合理規(guī)劃、經(jīng)濟調(diào)度、調(diào)用順序優(yōu)化、交流勵磁系統(tǒng)、控制和保護系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)方面逐步展開系統(tǒng)研究，并取得有效成果。此后，要以抽水蓄能電站快速建設(shè)為契機，針對我國國情和區(qū)域電網(wǎng)特點，進一步推進變速機組各項技術(shù)支撐建設(shè)，優(yōu)化抽水蓄能電站的服務(wù)使命。