全功率變速抽水蓄能機組用于提升電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性控制策略研究

陳 超，汪衛(wèi)平，劉海濱，邱雪俊，陳 磊

（華東瑯琊山抽水蓄能有限責任公司，安徽省滁州市 239000）

0 引言

近年來，隨著風電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源的大規(guī)模接入，在電網(wǎng)中所占比例日益增大，這給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提出了很大的挑戰(zhàn)[1]，電網(wǎng)頻率控制尤其是夜間頻率控制變得更加困難[2-3]。電網(wǎng)頻率控制的高要求與頻率控制手段匱乏特別是精細化控制手段匱乏形成一對矛盾。

抽水蓄能電站在調(diào)峰填谷、保障電網(wǎng)穩(wěn)定運行方面作用突出[4-5]，但傳統(tǒng)的定速抽水蓄能機組在水泵工況只能滿負荷抽水，不能根據(jù)系統(tǒng)需要進行功率調(diào)節(jié)，因此無法滿足電網(wǎng)快速、準確進行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的要求。而可變速機組與定速機組相比，最大的區(qū)別在于機組能在額定同步轉(zhuǎn)速附近的一定范圍內(nèi)無級變速運行，實現(xiàn)抽水功率可調(diào)，無論是提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平還是提高資源利用率，均具有現(xiàn)實意義。

變速抽水蓄能機組根據(jù)拓撲差異可以分為全功率型和雙饋型兩種。前者通過背靠背交直流變流器接入電網(wǎng)，其變流器容量通常與機組容量相近。隨著大功率電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)變速抽水蓄能機組技術(shù)得到了很大的發(fā)展。文獻[6]研究了雙饋型變速抽水蓄能機組建模方法，重點分析了水輪機的模型。文獻[7]同樣基于雙饋型變速抽水蓄能機組提出基于PID控制的虛擬慣性控制策略。文獻[8]研究了全功率變速抽水蓄能機組平抑新能源功率波動控制方法。上述研究成果為變速抽水蓄能機組的理論和應用研究提供了良好的基礎，但在變速抽水蓄能機組參與電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制策略方面還有待進一步深入。

本文針對全功率變速抽水蓄能機組的快速調(diào)節(jié)特性，研究其用于提升電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的綜合有功控制策略。首先，基于對全功率變速抽水蓄能機組的數(shù)學模型分析，在機電暫態(tài)仿真軟件DIgSILENT中搭建了100MW全功率變速抽水蓄能機組模型，并驗證其有功功率快速調(diào)節(jié)特性。其次，針對變速抽水蓄能機組的快速調(diào)節(jié)能力，提出了全功率變速抽水蓄能機組參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的綜合控制策略，包括參與電網(wǎng)正常一次調(diào)頻及緊急情況下有功—頻率控制策略。最后，基于搭建的典型電網(wǎng)模型，驗證了本文所提出的有功綜合控制策略。結(jié)果表明：全功率變速抽水蓄能機組通過快速的功率調(diào)節(jié)和頻率響應，能夠顯著提升系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

1 全功率變速抽水蓄能機組數(shù)學模型

對于全功率變速抽水蓄能機組的并網(wǎng)變流器，目前也較多采用雙PWM背靠背式結(jié)構(gòu)，分別由網(wǎng)側(cè)逆變器和機側(cè)整流器組成。如圖1所示給出了全功率變速抽水蓄能機組發(fā)電系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)。

1.1 水泵水輪機

發(fā)電工況下，水泵水輪機與常規(guī)水電機組的水輪機控制類似，通過導水葉開度的調(diào)節(jié)實現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)，其數(shù)學模型如圖2所示。

圖1 全功率變速抽水蓄能機組拓撲結(jié)構(gòu)Figure 1 Topological structure of FSC-VSPS

圖2 水輪機模型控制框圖Figure 2 Control block diagram of hydraulic turbine model

而在電動工況下，水泵水輪機工作在水泵狀態(tài)，其入力與轉(zhuǎn)速呈三次方關(guān)系[9]，通過轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，可實現(xiàn)水泵抽水功率的調(diào)節(jié)。

1.2 機側(cè)變流器

機側(cè)變流器直接與機組相連，其外環(huán)控制根據(jù)控制目標的不同，可以分為有功類控制和無功類控制。對于有功類控制，通常采用定直流電壓控制，其主要目標為控制機側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器功率的平衡。而對于無功類控制，可采用定交流電壓控制，以維持機端電壓穩(wěn)定，其控制框圖如圖3所示。

圖3 機側(cè)變流器控制框圖Figure 3 Control block diagram of side converter

其中，VAC、VACref分別為機端母線電壓實測值、參考值；Vdc、Vdcref分別為直流母線電壓實測值、參考值。

1.3 網(wǎng)側(cè)變流器

網(wǎng)側(cè)變流器直接與外電網(wǎng)相連，與機側(cè)變流器類似，通過有功、無功解耦控制可以實現(xiàn)有功類控制和無功類控制，且在發(fā)電、抽水工況下可以實現(xiàn)四象限運行。對于有功類控制，通常采用定有功功率控制，而對于無功類控制，可采用定交流電壓或定無功功率控制，其控制框圖如圖4所示。

其中，P、Pref分別為網(wǎng)側(cè)有功功率實測值、參考值；Q、Qref分別為網(wǎng)側(cè)無功功率實測值、參考值；VAC、VACref分別為交流母線電壓實測值、參考值。

圖4 網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖Figure 4 Control block diagram of grid side converter

2 全功率變速抽水蓄能機組功率調(diào)節(jié)特性研究

基于上述基本控制理論，在DIgSILENT軟件中分別搭建全功率變速抽水蓄能機組發(fā)電和抽水工況下機電暫態(tài)模型，其容量為100MW，機端母線電壓為10.5kV，額定頻率為50Hz。下面分別基于發(fā)電工況、抽水工況仿真全功率變速抽水蓄能機組響應功率調(diào)節(jié)指令情況。

2.1 發(fā)電工況

在正常運行時，全功率變速抽水蓄能機組工作在發(fā)電工況，發(fā)電功率90MW，在0.5s發(fā)出功率指令由90MW階躍至100MW，其有功功率響應曲線如圖5所示。可以看出，發(fā)電工況下，變速抽水蓄能機組功率響應在0.1s左右即可達到目標值。

圖5 發(fā)電工況有功功率響應Figure 5 Active power response in generating mode

2.2 抽水工況

在正常運行時，泵功率為滿功率抽水100MW，在0.5s發(fā)出功率指令由100MW下階躍至90MW，其有功功率響應曲線如圖6所示。可以看出，抽水工況下，全功率變速抽水蓄能機組功率響應在0.1s左右即可達到目標值。

由上述分析可知，全功率變速抽水蓄能機組在發(fā)電、抽水兩種工況下均具備快速功率響應能力，且通過電力電子接口可實現(xiàn)非同步轉(zhuǎn)速運行，提高機組在不同水頭、流速下的運行效率。

3 參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)控制策略研究

3.1 參與電網(wǎng)一次調(diào)頻控制

對于常規(guī)機組，如運行在泵工況，其輸出功率無法響應電網(wǎng)頻率變化。相比于常規(guī)抽水蓄能機組，全功率變速抽水蓄能機組在發(fā)電、抽水工況下均具備快速響應能力[9-10]，且實現(xiàn)了輸出功率與電網(wǎng)頻率的解耦控制，因此，可以很好地應用于參與大電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

圖6 抽水工況有功功率響應Figure 6 Active power response in pumping mode

通過對外環(huán)功率控制指令進行附加控制，提出基于全功率變速抽水蓄能機組的有功—頻率控制策略，其控制框圖如圖7所示。附加功率控制指令滿足由式（1）得到：

其中，fref、f、Δf分別為電網(wǎng)頻率基準值、測量值、頻率偏差量，db為死區(qū)環(huán)節(jié)輸出，Kd、KdrooP分別為虛擬慣性系數(shù)、頻率下垂控制系數(shù)。由于采用電力電子接口并網(wǎng)，全功率變速抽水蓄能機組無法對電網(wǎng)提供慣性支撐，因此，通過添加虛擬慣性控制環(huán)節(jié)，使全功率變速抽水蓄能機組具備一定的慣量支撐能力。

圖7 一次調(diào)頻控制框圖Figure 7 Primary frequency control block diagram

3.2 參與電網(wǎng)緊急頻率控制

對于一些分層分區(qū)相對明確的地區(qū)電網(wǎng)，一旦500kV主變壓器出線N-2或者進線故障，可能造成局部孤網(wǎng)的現(xiàn)象，引起局部電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問題。為了維護緊急情況下的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，常規(guī)的第三道防線控制措施主要包括主動解列、負控系統(tǒng)快速減負荷、優(yōu)化全網(wǎng)低頻減載配置等措施，降低大面積停電風險。

基于以上背景，本文提出全功率變速抽水蓄能機組參與電網(wǎng)緊急頻率控制策略。

在發(fā)電運行工況下，如果頻率跌落到一定邊界（如49.9Hz）時，開始發(fā)電機功率的快速調(diào)節(jié)，增加變速抽水蓄能機組的發(fā)電機功率至最大水平，如果頻率繼續(xù)下降則維持最大功率，如果頻率恢復，發(fā)電機功率也恢復到故障前水平，如果頻率高于50.1Hz，則將發(fā)電機功率降低至最小功率，經(jīng)ts延時后，如果頻率恢復，同時也將功率恢復至故障前水平。如果頻率繼續(xù)升高，則在高周切機第一輪次（50.6Hz）直接切除機組。因此，在緊急情況下，考慮首先通過變速抽水蓄能機組的快速調(diào)節(jié)，對電網(wǎng)提供支撐。結(jié)合變速抽水蓄能機組功率調(diào)節(jié)后系統(tǒng)的頻率情況，進一步判斷是否需要切機或切泵。其控制策略如圖8所示。

圖8 發(fā)電工況緊急頻率控制策略Figure 8 Emergency frequency control strategy in generating mode

在泵運行工況下，如果頻率跌落到一定邊界（如49.9Hz）時，開始負荷功率的快速調(diào)節(jié)，降低變速抽水蓄能機組的負荷至最小負荷水平，如果頻率繼續(xù)下降至低頻減載第一輪次，如49Hz，則直接將泵切除。如果頻率高于50.1Hz，則將泵功率增加至最大功率，經(jīng)ts延時后，如果頻率恢復，同時也將功率恢復至故障前水平。如果頻率沒有恢復，則維持泵運行的最大功率。其控制策略如圖9所示。

4 算例仿真

4.1 算例介紹

基于DIgSILENT/PowerFactory軟件，搭建含100MW全功率變速抽蓄機組的地區(qū)電網(wǎng)仿真模型，其單線圖如圖10所示。該電網(wǎng)包含1個容量120MW的雙饋風電場。全功率變速抽蓄機組可工作于發(fā)電、抽水2種工況。

圖9 抽水工況緊急頻率控制策略Figure 9 Emergency frequency control strategy in pumping mode

圖10 測試系統(tǒng)單線圖Figure 10 Single line diagram of test system

4.2 發(fā)電工況

正常情況下，變速抽水蓄能機組工作于發(fā)電工況，發(fā)電功率為80MW，分別驗證上述控制策略的有效性。

第2s時刻系統(tǒng)發(fā)生負荷階躍（突增70MW），分別仿真變速抽水蓄能機組在有、無一次調(diào)頻功能情況下系統(tǒng)頻率響應情況，如圖11所示?？梢钥闯觯ㄟ^變速抽水蓄能機組的快速調(diào)節(jié)，能夠顯著提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

圖11 發(fā)電工況系統(tǒng)頻率響應對比Figure 11 System frequency response comparison in generating mode

圖12 發(fā)電工況系統(tǒng)頻率響應對比Figure 12 System frequency response comparison in generating mode

進一步地，仿真系統(tǒng)第2s發(fā)生負荷跳閘故障（損失功率90MW），基于上述緊急頻率控制策略，需采用快速回降發(fā)電功率并最終切機。下面分別仿真比較以下3種情況下系統(tǒng)頻率響應情況：

（1）無措施；

（2）僅快速回降發(fā)電功率；

（3）快速回降發(fā)電功率+切機。

系統(tǒng)頻率曲線如圖12所示?？梢钥闯?，采用綜合頻率控制策略，能夠顯著提升系統(tǒng)發(fā)生大擾動情況下的頻率穩(wěn)定性。而采用僅回降發(fā)電功率措施下，系統(tǒng)恢復頻率較高，需要進一步采取切除其他常規(guī)機組等措施。

4.3 抽水工況

正常情況下，變速抽水蓄能機組工作于抽水工況，發(fā)電功率為80MW，分別驗證上述控制策略的有效性。

第2s時刻系統(tǒng)發(fā)生負荷跳閘（功率50MW），分別仿真變速抽水蓄能機組在有、無一次調(diào)頻功能情況下系統(tǒng)頻率響應情況，如圖13所示?？梢钥闯觯ㄟ^變速抽水蓄能機組的快速調(diào)節(jié)，能夠顯著提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

圖13 抽水工況系統(tǒng)頻率響應對比Figure 13 System frequency response comparison in pumping mode

進一步地，仿真系統(tǒng)第2s發(fā)生機組跳閘故障（損失功率120MW），基于上述緊急頻率控制策略，需采用快速回降抽水功率并最終切泵。下面分別仿真比較以下3種情況下系統(tǒng)頻率響應情況：

（1）無措施；

（2）僅快速回降抽水功率；

（3）快速回降抽水功率+切泵。

系統(tǒng)頻率曲線如圖14所示?？梢钥闯?，采用綜合頻率控制策略，能夠顯著提升系統(tǒng)發(fā)生大擾動情況下的頻率穩(wěn)定性。而采用僅回降抽水功率措施下，系統(tǒng)恢復頻率較高，需要進一步采取切負荷等其他措施。

圖14 抽水工況系統(tǒng)頻率響應對比Figure 14 System frequency response comparison in pumping mode

5 結(jié)束語

本文研究了利用全功率變速抽水蓄能機組提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的有功綜合控制策略?；跍y試系統(tǒng)的仿真驗證結(jié)果表明：全功率變速抽水蓄能機組具備快速功率響應能力，可有效提升系統(tǒng)在不同程度擾動下的頻率穩(wěn)定性。