全功率變頻抽水蓄能機(jī)組技術(shù)應(yīng)用淺析

衣傳寶，楊 梅，梁廷婷，梁國才

（1.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 1007611；2.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院，北京市 100024）

0 引言

為了轉(zhuǎn)變能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)節(jié)能減排，提高能源利用效率，近年來，我國正大力發(fā)展風(fēng)電、光伏等可再生清潔能源。目前我國已經(jīng)成為全球風(fēng)電、光伏發(fā)電裝機(jī)容量和發(fā)電量最大的國家，并且電力系統(tǒng)中風(fēng)電、光伏發(fā)電的比例仍在持續(xù)增加。然而，風(fēng)電、光伏發(fā)電出力具有隨機(jī)性、間歇性的特點，大規(guī)模的風(fēng)電、光伏新能源并網(wǎng)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來前所未有的挑戰(zhàn)。同時，隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高，對電網(wǎng)靈活性要求也越來越高。現(xiàn)有電網(wǎng)靈活性不足，對風(fēng)電、光伏清潔能源的接納能力有限，使得新能源消納問題較為突出。近年來，雖然我國整體棄風(fēng)棄光率逐年下降，但新能源消納水平依然較低，如何提高新能源消納水平成為電網(wǎng)能源轉(zhuǎn)型亟待解決的關(guān)鍵難題之一。

在目前的電力系統(tǒng)中，抽水蓄能電站是公認(rèn)的壽命周期長、容量大、最可靠、最經(jīng)濟(jì)、技術(shù)最成熟、環(huán)境友好的儲能方式，具有啟動迅速、爬坡卸荷速度快、運行靈活可靠等特點，既能削峰又可填谷。抽水蓄能電站能很好地適應(yīng)電力系統(tǒng)負(fù)荷變化，改善火電和核電機(jī)組運行條件，平滑規(guī)模化新能源輸出功率，提高電網(wǎng)運行經(jīng)濟(jì)效益。傳統(tǒng)的抽水蓄能機(jī)組一般為定速運行機(jī)組，運行效率相對較低，調(diào)節(jié)速度相對較慢且在水泵工況只能滿負(fù)荷抽水，不能根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行抽水功率的調(diào)節(jié)，并且在水泵工況下不具備無功調(diào)節(jié)能力，因此無法滿足電網(wǎng)快速、準(zhǔn)確進(jìn)行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的要求。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用變速技術(shù)的抽水蓄能機(jī)組，可以快速調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速響應(yīng)能力，實現(xiàn)電站和系統(tǒng)的柔性連接，具備大范圍無功補(bǔ)償能力，可以有效地控制電網(wǎng)負(fù)荷頻率，平衡可再生能源引起的頻率波動，提高新能源利用效率。因此，變速抽水蓄能機(jī)組也日益成為實現(xiàn)高比例消納新能源的有效手段之一[1-2]。

目前國際上投入運行的變速抽水蓄能機(jī)組有兩種技術(shù)路線，即交流勵磁（雙饋）變頻變速抽水蓄能機(jī)組和全功率變頻變速抽水蓄能機(jī)組。

國際上已經(jīng)有超過18個電站、約40臺交流勵磁變速抽水蓄能機(jī)組在日本、德國、斯洛文尼亞、瑞士、葡萄牙、法國、印度、中國等國家的電網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用或正在建設(shè)中，最高額定水頭達(dá)到714m，最大容量達(dá)到460MW，最高同步轉(zhuǎn)速達(dá)到600r/min。除日本國內(nèi)3臺作為初始研試的機(jī)組外，后續(xù)的交流勵磁變速機(jī)組單機(jī)容量均超過170MW以上，約80%的機(jī)組單機(jī)容量達(dá)到230MW以上。由此看來，交流勵磁變速抽水蓄能技術(shù)在多個國家的大容量蓄能機(jī)組上得到了較為廣泛的應(yīng)用。

對于大容量變速抽水蓄能機(jī)組，一方面，交流勵磁裝置的容量僅占機(jī)組容量的1/8～1/6，有利于電站的設(shè)備布置和投資；另一方面，交流勵磁變速發(fā)電電動機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和啟動程序相對復(fù)雜。同時，對于中小容量的機(jī)組，采用同步電機(jī)配置全容量的變流器，對發(fā)電電動機(jī)結(jié)構(gòu)無特殊要求，但也能實現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組的變速運行，在改造升級項目上更易于實施并已取得成功案例，因而全功率變頻抽水蓄能機(jī)組隨著市場需求也逐步得到了關(guān)注，開展相關(guān)技術(shù)研究和工程應(yīng)用。

本文將從全功率變頻抽水蓄能機(jī)組技術(shù)的基本原理、性能優(yōu)勢、產(chǎn)品特點、工程案例、應(yīng)用前景及重點研究方向等方面進(jìn)行初步探討。

1 全功率變頻抽水蓄能機(jī)組技術(shù)特點綜述

1.1 全功率變頻抽水蓄能機(jī)組的基本原理

全功率變流器是在發(fā)電電動機(jī)定子與電網(wǎng)間連接一個與發(fā)電電動機(jī)容量相同的變頻器。發(fā)電模式時，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓、頻率不同的電能，經(jīng)過變頻、變壓后，變成與電網(wǎng)電壓、頻率相同的電能，輸入電網(wǎng)；反之，電動模式時，則作為電動機(jī)，功率流向相反，電機(jī)從電網(wǎng)吸收電能。

全功率變頻抽水蓄能機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。

圖1 全功率變頻抽水蓄能機(jī)組的基本結(jié)構(gòu)原理示意圖Figure 1 Schematic diagram of basic structure principle of full size converter PSPS unit

從結(jié)構(gòu)上看，全功率變頻抽水蓄能機(jī)組采用常規(guī)的同步發(fā)電電動機(jī)機(jī)，通過變頻器與變壓器相連，通過改變發(fā)電電動機(jī)定子三相磁通的頻率改變發(fā)電電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可實現(xiàn)機(jī)組的變速運行，從而快速響應(yīng)系統(tǒng)頻率變化和提高機(jī)組的運行效率。

由于變頻器能產(chǎn)生非常大的轉(zhuǎn)矩電流，所以電機(jī)在發(fā)電及電動模式下均能實現(xiàn)從零到額定轉(zhuǎn)速（或更高）的變化，不需要靜止變頻器和換相開關(guān)，且機(jī)組在電動與發(fā)電模式間的切換非?？?。變頻器可以產(chǎn)生/吸收無功功率，具有非常好的低電壓穿越（LVRT）能力，在非常嚴(yán)重的電網(wǎng)擾動時，可以極大地支持電網(wǎng)的穩(wěn)定性。另外，當(dāng)發(fā)電電動機(jī)停止運行時，網(wǎng)側(cè)換流器可以作為靜止無功補(bǔ)償設(shè)備（STATCOM），保持與電網(wǎng)的連接，給電網(wǎng)實現(xiàn)無功支撐[3]。

1.2 全功率變頻抽水蓄能機(jī)組的優(yōu)勢性能[4]

（1）擴(kuò)大調(diào)節(jié)范圍：在水泵工況下，全功率變頻抽水蓄能機(jī)組可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和功率調(diào)節(jié)，提高抽水蓄能機(jī)組的運行靈活性。

（2）提高系統(tǒng)穩(wěn)定性：發(fā)電、抽水工況皆可通過自動頻率控制維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定，并可實現(xiàn)快速響應(yīng)有功功率，借助全功率變頻器實現(xiàn)虛擬同步機(jī)功能，可屏蔽機(jī)組水力振動等因素對電力系統(tǒng)的影響，有利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高。

（3）系統(tǒng)無功補(bǔ)償和吸收：可以在各種運行狀態(tài)，甚至在停機(jī)狀態(tài)下實現(xiàn)對電網(wǎng)無功功率的快速補(bǔ)償和吸收，降低電網(wǎng)電能損耗，可配套風(fēng)電廠完成無功補(bǔ)償。

（4）快速機(jī)組啟停和工況轉(zhuǎn)換：全變頻抽水蓄能機(jī)組可免設(shè)水泵工況啟動裝置，由于保留了在低轉(zhuǎn)速下的大力矩，理論上水泵水輪機(jī)可以在水中從低轉(zhuǎn)速直接啟動。

（5）提高運行效率：在發(fā)電工況下，全功率變頻抽水蓄能機(jī)組可以通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)使水輪機(jī)運行在最優(yōu)工況，尤其是低水頭工況和部分負(fù)荷工況下效果明顯。

（6）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)解耦：全功率變頻器實現(xiàn)了發(fā)電機(jī)組與電網(wǎng)的部分解耦，限制了網(wǎng)側(cè)故障電流，發(fā)電機(jī)不會因為電網(wǎng)故障而失去同步，同時發(fā)電機(jī)可通過全功率變頻器實現(xiàn)黑啟動。

（7）提升新能源消納：抽水工況下可在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)用電功率變化，從而消納可再生能源波動出力。

1.3 應(yīng)用于抽水蓄能機(jī)組的全功率變頻器

區(qū)別于交流勵磁變速抽水蓄能機(jī)組所采用的變頻器，用于抽水蓄能機(jī)組的全功率變頻器還未經(jīng)歷長時間和廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。目前的技術(shù)和產(chǎn)品基本有以下兩種[5-6]：

（1）背靠背電壓源變頻器，原理結(jié)構(gòu)見圖2。變頻器可以看作是電網(wǎng)側(cè)變流器與電機(jī)側(cè)變流器通過直流電路連接在一起。這種變頻器的主要特點是無功功率不能存儲，必須通過變頻器不斷地完全傳輸。另一方面，兩側(cè)變頻器均可獨立控制電壓、無功功率、頻率。

變流器的有功功率額定值是由水泵水輪機(jī)的額定有功功率決定的，其無功功率額定值是由電網(wǎng)要求決定的。由于變流器與電網(wǎng)直接相連，一般由變頻器從電網(wǎng)吸收/向電網(wǎng)提供無功功率，因此同步電機(jī)只需提供有功功率，可運行于單位功率因素下，設(shè)計時可減小同步電機(jī)的尺寸，電機(jī)容量可減小10%～15%。瑞士的Grimsel 2工程1號機(jī)組就采用了此種變頻器拓?fù)?，具體接線圖詳見本章工程案例。該類型變頻器系統(tǒng)所占空間較大，輸入、輸出側(cè)需配置升壓、降壓變壓器，損耗較大。

圖2 電壓源變頻器基本結(jié)構(gòu)原理示意圖Figure 2 Schematic diagram of basic structure principle of VSI

（2）新一代產(chǎn)品模塊化多電平靜止變頻器（modular multilevel converter，MMC）。MMC結(jié)構(gòu)的基本元件是一個基本單元，基本單元的額定電壓、電流是由電力半導(dǎo)體器件和電容器決定的。最新的換流器采用MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型，電壓是由n個串聯(lián)的單元建立起來的，采用多個串并聯(lián)提高電流能力，詳見圖3。換流器的組成元件采用新型高通流IGCT，通態(tài)損耗小、通流能力強(qiáng)。

圖3 MMC換流器結(jié)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of basic structure of MMC

該類型變頻器具有如下優(yōu)勢：具有更高的功率密度和空間優(yōu)化；具有更高的設(shè)備容量和更好的電壓拓展，不需要變壓器進(jìn)行調(diào)壓；電壓畸變率小，更接近正弦波；輸出電壓波形變幅值小，dv/dt??；換流器的效率更高，通常大于98.5%；全象限運行提供了更快速的啟停和運行反轉(zhuǎn)時間，更寬的運行范圍；模塊化單元設(shè)計便于提高設(shè)備冗余設(shè)計，使設(shè)備具備更高的可靠性。MMC結(jié)構(gòu)換流器可以形成比較好的電壓波形，如圖4所示，無須設(shè)置濾波器。

圖4 MMC換流器輸出電壓波形圖Figure 4 Output voltage waveform diagram of MMC converter

2 工程案例

全功率變頻抽水蓄能機(jī)組技術(shù)的應(yīng)用對提高電網(wǎng)運行靈活性和實現(xiàn)新能源的高比例消納具有重要意義。目前，世界各國都在根據(jù)自身實際需求規(guī)劃應(yīng)用全功率變頻抽水蓄能機(jī)組，已在瑞士、奧地利進(jìn)行試點應(yīng)用研究。

2.1 瑞士Grimsel 2號抽水蓄能電站

瑞士的Oberhasli水力發(fā)電公司（KWO）下屬的Grimsel 2號抽水蓄能電站使用ABB基于IGCT技術(shù)的全功率變頻器將原有的一臺定速機(jī)組改裝為100MW的全功率變頻抽水蓄能機(jī)組，使該機(jī)組實現(xiàn)了在抽水工況下的功率調(diào)節(jié)和變速運行，取得了良好的效果。該抽水蓄能電站建造于1974～1980年，共有4臺橫臥式同步機(jī)組（水泵工況4×90MW、發(fā)電工況4×80MW），上下水庫平均水頭400m，平均流量4×22m3/s，同步轉(zhuǎn)速為750r/min，電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)備連接圖詳見圖5。

圖5 瑞士Grimsel 2號抽水蓄能電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)備連接圖Figure 5 Connection and arrangement of the equipments in Switzerland Grimsel 2 PSPS

原運行方式中，瑞士Grimsel 2號抽水蓄能電站的功率調(diào)節(jié)能力完全依靠于4臺機(jī)組的啟停，當(dāng)所需抽水功率介于多臺水泵機(jī)組滿發(fā)功率之間時，電站將同時運行一臺發(fā)電機(jī)組以彌補(bǔ)差值。然而，同時進(jìn)行抽放水是非常不經(jīng)濟(jì)的，電站效率降低且造成水資源的浪費。因此，為了更有效地調(diào)節(jié)功率，KWO決定將其中一臺機(jī)組改裝為全功率變頻機(jī)組。改造后的1號機(jī)組于2013年5月投入運行。其中，100MW變頻器由兩個50MW單元組成，每個單元包含輸入輸出變壓器，并與發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)串聯(lián)。該變頻器使用了24個IGCT并聯(lián)雙相模塊。該全功率變頻機(jī)組實現(xiàn)了在60～100MW之間的水泵功率連續(xù)變化，下限60MW由于水泵流道內(nèi)空化現(xiàn)象所限。通過變頻器，整個機(jī)組的啟動時間縮短至大約10s，之后水泵水輪機(jī)在球閥關(guān)閉的情況下加速至600r/min，并在球閥打開后，根據(jù)現(xiàn)有水頭情況下的最小功率，將轉(zhuǎn)速調(diào)整至大約690r/min[7-8]。

瑞士Grimsel 2號全功率變頻器的工作原理圖如圖6所示。

圖6 瑞士Grimsel 2號全功率變頻器工作原理圖Figure 6 Schematic diagram of basic principle of FSC in Switzerland Grimsel 2 PSPS

改造方案中，2臺輸入變壓器和2臺輸出變壓器與100MW變頻器分設(shè)于地下洞室的上下層，同時冷卻系統(tǒng)取自現(xiàn)有電站的冷卻水系統(tǒng)，如圖7所示。

圖7 瑞士Grimsel 2號全功率變頻器布置示意圖Figure 7 Schematic diagram of FSC arrangement in Switzerland Grimsel 2 PSPS

2.2 奧地利Malta Oberstufe抽水蓄能電站

奧地利Malta Oberstufe抽水蓄能電站為了最大化運行靈活性，參與歐洲高度動態(tài)電力市場，并支持德國新能源消納，計劃于2021年初前改造兩臺80MW機(jī)組為全功率變頻機(jī)組，同時計劃在發(fā)電和抽水工況下都能參與一次控制調(diào)頻，從而最大化經(jīng)濟(jì)收益。初步預(yù)期在水泵工況下實現(xiàn)6～80MW的用電負(fù)荷調(diào)節(jié)，在發(fā)電工況下實現(xiàn)2.8～79.4MW的發(fā)電功率調(diào)節(jié)，并將水輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍擴(kuò)大至40%～100%。Malta Oberstufe全功率變頻抽水蓄能機(jī)組預(yù)期運行曲線如圖8所示。

奧地利Malta Oberstufe抽水蓄能電站的80MW全功率變頻器擬采用新一代產(chǎn)品“模塊化多電平靜止變頻器（MMC）”，初步設(shè)計需要單層27m×9m×4m（長×寬×高）的房間布置變頻器，同時對于每臺80MW變頻器另需要考慮以下設(shè)備和空間：控制室和輔助室（3m×2m×1m）、水冷設(shè)備（4m×2m×2m）、預(yù)充電裝置（2m×1m×2m）、機(jī)柜（1m×0.8m×1m）等，變頻器結(jié)構(gòu)和布置如圖9所示。

圖8 奧地利Malta Oberstufe全變頻機(jī)組預(yù)期運行曲線Figure 8 Expected operating curve of FSC unit in Austria Malta Oberstufe PSPS

圖9 奧地利Malta Oberstufe 2×80MW變頻器布置圖Figure 9 Arrangement of 2×80MW FSC in Austria Malta Oberstufe PSPS

3 應(yīng)用前景及重點研究方向

全功率變頻技術(shù)的發(fā)展和工程應(yīng)用給變速抽水蓄能電站的建設(shè)提供了又一個可行的技術(shù)路線。一方面，基于全功率變頻抽水蓄能機(jī)組的優(yōu)越性能、成功案例及系統(tǒng)和產(chǎn)品的技術(shù)發(fā)展，研究其在省級電網(wǎng)中應(yīng)用的作用和必要性，在實現(xiàn)局部電網(wǎng)穩(wěn)定、結(jié)合新能源送端打包進(jìn)而節(jié)省輸送線路投資等方面，都具有重要的研究意義；另一方面，鑒于全功率變頻抽水蓄能機(jī)組技術(shù)的應(yīng)用案例還不夠廣泛、產(chǎn)品系列和技術(shù)亟待研發(fā)升級、機(jī)組和變頻器系統(tǒng)集成技術(shù)和性能有待進(jìn)一步優(yōu)化、工程投資需與技術(shù)匹配且經(jīng)濟(jì)合理，圍繞以下幾個方面開展全面而深入的研究和探索也成為當(dāng)務(wù)之急：

（1）研究典型新能源發(fā)電特性及負(fù)荷特性，結(jié)合全功率變頻抽水蓄能機(jī)組的運行性能和技術(shù)特點，分析其參與調(diào)峰調(diào)頻服務(wù)、抑制新能源發(fā)電波動、提高新能源消納水平功能效果，分析其中小容量全變頻抽水蓄能機(jī)組在省級電網(wǎng)中應(yīng)用的作用和必要性。

（2）研究國內(nèi)外全功率變頻器最新的技術(shù)發(fā)展和技術(shù)路線，優(yōu)選功率器件、變頻器類型及多電平拓?fù)涞募煞桨福芯吭O(shè)備內(nèi)部配置和接線、參數(shù)、性能、尺寸、價格等對不同等級和參數(shù)的工程的適應(yīng)性；提出技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的全變頻抽水蓄能機(jī)組應(yīng)用的全功率變頻設(shè)備產(chǎn)品技術(shù)方案。

（3）結(jié)合工程實例及電網(wǎng)要求，研究電力系統(tǒng)發(fā)生故障時全功率變頻抽水蓄能機(jī)組電壓穿越能力的技術(shù)要求以及對全功率變頻抽水蓄能機(jī)組勵磁系統(tǒng)的技術(shù)要求（如勵磁強(qiáng)勵等）；研究全功率變頻抽水蓄能機(jī)組變頻器、調(diào)速器系統(tǒng)及和勵磁系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制；對于全功率變頻抽水蓄能機(jī)組，由于機(jī)組主接線回路中串有變頻器，需進(jìn)一步研究發(fā)變組保護(hù)配置方案；分析研究全功率變頻抽水蓄能機(jī)組各運行工況的控制流程。

（4）結(jié)合工程實例，研究水泵水輪機(jī)在抽水工況、發(fā)電工況下的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍、運行效率、穩(wěn)定性等技術(shù)參數(shù)，發(fā)掘其靈活性潛力；結(jié)合變頻器技術(shù)方案優(yōu)選電站電氣主接線設(shè)計（包括發(fā)電機(jī)斷路器的設(shè)置與否），合理選擇發(fā)電電動機(jī)在應(yīng)用全功率變頻技術(shù)時的主要技術(shù)參數(shù)，以優(yōu)化機(jī)組性能；研究新建電站的廠房布置設(shè)計和改造電站廠房布置可行的實施方案；對采用全功率變頻技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評價。

（5）結(jié)合國內(nèi)外工程應(yīng)用案例，總結(jié)變速抽水蓄能技術(shù)的技術(shù)路線和當(dāng)前技術(shù)水平，對比研究交流勵磁和全功率變頻兩種類型變速抽水蓄能機(jī)組的系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備配置、工作機(jī)理、技術(shù)參數(shù)和機(jī)組調(diào)節(jié)特性；結(jié)合產(chǎn)品和工程研究成果，全面深入評估全功率變頻器設(shè)備容量和電壓可拓展的最高可靠水平，進(jìn)一步研究交流勵磁和全功率變頻變速機(jī)組應(yīng)對不同工程特性參數(shù)抽水蓄能電站的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性，提出科學(xué)的應(yīng)用范疇。

4 結(jié)束語

在能源結(jié)構(gòu)由傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)變?yōu)榇罅Πl(fā)展風(fēng)電、光伏清潔能源的現(xiàn)階段，提高能源利用效率和提高新能源消納水平、提高電網(wǎng)靈活性和穩(wěn)定性更成為迫切需求，變速抽水蓄能機(jī)組的研究和應(yīng)用因而成為重要任務(wù)。交流勵磁變頻技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)取得了長足的發(fā)展和進(jìn)步，下一階段應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合國際工程應(yīng)用經(jīng)驗，深入研究全功率變頻技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計，合理評估工程投資，為未來抽水蓄能電站的運行優(yōu)化和建設(shè)規(guī)劃提供合理、科學(xué)的技術(shù)支持和經(jīng)濟(jì)評價參考。