大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下的抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻控制的研究

中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司 蔡穎倩

風(fēng)力發(fā)電類型主要有離網(wǎng)型發(fā)電、并網(wǎng)型發(fā)電。所謂的并網(wǎng)發(fā)電，是指利用大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電廠以及大量風(fēng)電機(jī)實現(xiàn)電力系統(tǒng)介入發(fā)電，既能增加供電量、提高風(fēng)力資源利用率，又能降低發(fā)電成本，確保發(fā)電企業(yè)擁有可觀效益，因此大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)項目的推進(jìn)確實具備很有必要。而抽水蓄電機(jī)組調(diào)頻控制的應(yīng)用，可實現(xiàn)電力系統(tǒng)中負(fù)荷側(cè)與發(fā)電側(cè)均衡分布。一旦遭受風(fēng)電波動時，能夠經(jīng)由調(diào)頻控制操作，重新調(diào)整電力頻率，以免電力系統(tǒng)遭受損壞。

在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)中，因抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻控制方式優(yōu)勢顯著，能隨時根據(jù)風(fēng)電功率變化規(guī)律展現(xiàn)調(diào)節(jié)效能，從而保證短時功率波動問題得到妥善處置，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。此外，此種調(diào)節(jié)方式的應(yīng)用，要想應(yīng)對水利系統(tǒng)復(fù)雜條件，提高機(jī)組控制水準(zhǔn)，需加強(qiáng)調(diào)頻控制的優(yōu)化改造，這樣方可在提升調(diào)頻性能前提下，削弱風(fēng)電功率波動的危害。基于此，理應(yīng)圍繞抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻控制的特征，提出可行性優(yōu)化思路，借此體現(xiàn)出它的現(xiàn)實意義。

1 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下棄風(fēng)形成機(jī)理

在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下之所以會產(chǎn)生棄風(fēng)，是因為電力系統(tǒng)調(diào)頻能力薄弱，或電力系統(tǒng)故障及輸電能力較差等。為進(jìn)一步體現(xiàn)出風(fēng)電并網(wǎng)項目的可行性，充分利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化電能，滿足當(dāng)前用電需求，還需結(jié)合棄風(fēng)形成機(jī)理，針對抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻控制模式的應(yīng)用成果予以優(yōu)化，便于在新型調(diào)頻控制方法下，電力系統(tǒng)能夠持久保持均衡穩(wěn)態(tài)。依據(jù)調(diào)頻控制能力薄弱形成棄風(fēng)的具體原因，在為風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)采用抽水蓄能機(jī)組時，應(yīng)盡量減少棄風(fēng)形成容量，就此精準(zhǔn)評估風(fēng)力發(fā)電實效性。

從目前我國風(fēng)電發(fā)電項目分布區(qū)域進(jìn)行分析，風(fēng)能本身具備隨機(jī)性，且風(fēng)能產(chǎn)生量與日照條件存在密切相關(guān)性。即晝夜風(fēng)能產(chǎn)生量差異明顯，就此引起了風(fēng)能發(fā)電負(fù)荷波動明顯。此時需依靠機(jī)組系統(tǒng)予以調(diào)控，以此抑制棄風(fēng)的形成。參照圖1可知：在風(fēng)電棄風(fēng)產(chǎn)生的陰影區(qū)域，在機(jī)組運行時上調(diào)旋轉(zhuǎn)備用量能夠隨著移動，轉(zhuǎn)而向風(fēng)電接納空間轉(zhuǎn)移，從而表明棄風(fēng)的形成不利于改善風(fēng)電并網(wǎng)項目的發(fā)電質(zhì)量。要想切實處理棄風(fēng)問題，理應(yīng)從上調(diào)可用調(diào)峰容量方面，優(yōu)化系統(tǒng)運行狀態(tài)。而在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)項目中，加強(qiáng)對抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻控制的優(yōu)化設(shè)計，能夠切實實現(xiàn)風(fēng)能的高效利用[1]。

圖1 棄風(fēng)形成機(jī)理曲線圖

2 大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻控制優(yōu)化方法

2.1 建立調(diào)頻控制優(yōu)化模型

針對大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下抽水蓄能機(jī)組的調(diào)頻控制進(jìn)行優(yōu)化，可更好的利用其調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相等功能。基于系統(tǒng)調(diào)峰角度，建立調(diào)頻控制優(yōu)化模型。抽水蓄能機(jī)組多為可逆式機(jī)組，有著較為靈活的運行方式。抽水蓄能機(jī)組的運行約束主要與自身固有特性有關(guān)，同時受到運行條件的限制。建立調(diào)頻控制優(yōu)化模型的過程中，應(yīng)該充分考慮各類運行約束。

抽水蓄能機(jī)組的運行狀態(tài)以布爾變量xk,j,t、yk,j,t表示。抽水蓄能機(jī)組處于發(fā)電、抽水等運行狀態(tài)，有著具體的功率限制。抽水蓄能電站需要定期進(jìn)行調(diào)節(jié)，在不同的調(diào)節(jié)周期應(yīng)保障水庫蓄水的平衡，明確其蓄能約束以及各時間段的蓄能變化情況，了解水庫蓄能值（最大值、最小值）、水位（最高、最低）、發(fā)電和抽水效率（水輪機(jī)）、出力優(yōu)化的時段間隔。在實際的運行過程中，無同時發(fā)電和抽水的情況。抽水蓄能機(jī)組的工作運行過程中，能夠快速進(jìn)行機(jī)組啟停、工況轉(zhuǎn)換等方面的調(diào)節(jié)響應(yīng)。

火電機(jī)組的出力及爬坡約束，需考慮到出力限制、最小運行時間、最小停運時間等因素。在調(diào)頻控制優(yōu)化模型中，應(yīng)具體了解火電機(jī)組功率、機(jī)組爬坡功率的上限和下限。在優(yōu)化模型中求解系統(tǒng)潮流，并考慮到電網(wǎng)線路傳輸容量限制的影響。應(yīng)用直流潮流模型，根據(jù)其電網(wǎng)傳輸容量約束，探究抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻控制策略。根據(jù)優(yōu)化模型中的各類約束，具體了解電力系統(tǒng)風(fēng)電棄風(fēng)的影響因素。在抽水蓄能電站中，完成調(diào)峰運行，可有效減少系統(tǒng)風(fēng)電棄風(fēng)。在優(yōu)化模型求解的過程中分析模型約束條件，應(yīng)用布爾變量表示系統(tǒng)狀態(tài)。在求解結(jié)果中，能夠了解風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)棄風(fēng)量，并可得到最優(yōu)運行出力。調(diào)頻控制優(yōu)化模型的應(yīng)用可有效解決風(fēng)電棄風(fēng)問題，為大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻控制的優(yōu)化提供重要的支持。

2.2 依托魯棒原理生成魯棒控制器

結(jié)合抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻控制特點，它主要是通過減載運行的形式實現(xiàn)電力功率的合理調(diào)節(jié)。但考慮到傳統(tǒng)調(diào)頻控制方法很難達(dá)到連續(xù)調(diào)控效果，從而引起風(fēng)能損耗。因此在改造設(shè)計中可依托魯棒原理科學(xué)設(shè)計魯棒控制器，由此輔助抽水蓄能機(jī)組，實現(xiàn)電力系統(tǒng)頻率的優(yōu)化條件。同往日常用的同步發(fā)電機(jī)組方式，抽水蓄電機(jī)組顯然更具優(yōu)勢。若能充分結(jié)合魯棒原理理論生成魯棒控制器，可從中應(yīng)對原有調(diào)頻控制結(jié)果的不確定風(fēng)險。

具體可參照下屬關(guān)系式求取最優(yōu)解。即‖TWZ‖式中W、z、y 以及TWZ（s）均代表系統(tǒng)輸入、輸出測量以及性能指標(biāo)、閉環(huán)傳遞函數(shù)等。如能設(shè)計適合的魯棒控制器，可避免調(diào)頻控制系統(tǒng)在發(fā)揮效能時受外界環(huán)境影響而增大偏差。因此應(yīng)圍繞魯棒原理理論設(shè)計魯棒控制器[2]。

首先，在設(shè)計魯棒控制器時，應(yīng)先行了解魯棒控制器運行思路，而后選定適合的應(yīng)用軟件，并進(jìn)入建模等環(huán)節(jié)。魯棒控制器要求在設(shè)計后能夠針對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)采集，并結(jié)合系統(tǒng)模型借助計算軟件求解，以便在實際應(yīng)用中能夠有效掌握電力頻率波動情況。

其次，應(yīng)根據(jù)電力系統(tǒng)的運行流程，為其設(shè)置魯棒控制器的應(yīng)用流程框架。其中在電力網(wǎng)絡(luò)與火電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組間建立對應(yīng)關(guān)系，使其在魯棒控制器干預(yù)下實現(xiàn)電能的良性循環(huán)。而對于期間產(chǎn)生的電力波動負(fù)荷，應(yīng)通過電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效轉(zhuǎn)換與控制。在建模階段，模型中還要設(shè)置控制對象與外部擾動模塊。基于功率與頻率相互表達(dá)關(guān)系設(shè)計調(diào)頻控制回路，在此回路中多分布著壓力管道、發(fā)電機(jī)與調(diào)速器等組件，在建模后可參照抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻控制標(biāo)準(zhǔn)加以優(yōu)化，且無需改造部件結(jié)構(gòu)。

最后，需根據(jù)風(fēng)電出力特性設(shè)計魯棒控制器。其中在電力系統(tǒng)運行中，風(fēng)能的介入能改變電力系統(tǒng)頻率，而抽水蓄能機(jī)組可起到調(diào)頻控制作用。在利用線性矩陣不等式關(guān)系設(shè)計魯棒控制器時，還可依靠頻率波動值與風(fēng)電出力擾動值自主建成魯棒控制器，用于輔助調(diào)頻控制系統(tǒng)，支撐大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)項目的廣泛發(fā)電。

2.3 推行風(fēng)電波動調(diào)節(jié)模式

在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)下應(yīng)用抽水蓄能機(jī)組能有效實現(xiàn)調(diào)頻控制，經(jīng)過對電能的合理存儲與使用能產(chǎn)生調(diào)峰效果。由于在風(fēng)電并網(wǎng)項目建設(shè)中要求調(diào)頻電源更加靈活，所以針對抽水蓄能機(jī)組性能予以優(yōu)化，能滿足調(diào)頻需求。為進(jìn)一步改善電網(wǎng)運行質(zhì)量，可利用風(fēng)電波動調(diào)節(jié)模式，積極應(yīng)對調(diào)頻控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的各種風(fēng)險。本次研究中具體以兩種不同的抽水蓄能機(jī)組調(diào)峰能力的比對，確定適合應(yīng)用在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)環(huán)境中的機(jī)組類型。

第一種是三機(jī)式機(jī)組，是以同軸設(shè)計的形式保持系統(tǒng)頻率的合理調(diào)控。在水泵以及沖擊式水輪機(jī)的協(xié)同運行階段能產(chǎn)生回流情況。在對風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的富余電能進(jìn)行利用時，能通過水輪機(jī)等組件的運作消耗電能，由此為電力系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)頻控制。此種類型的抽水蓄能機(jī)組面對不同工況，轉(zhuǎn)換時間與常規(guī)機(jī)組存在一定差異。其中在由靜止向水泵轉(zhuǎn)換工況中，三機(jī)式機(jī)組需要80s 的轉(zhuǎn)換時間，照比常規(guī)機(jī)組能夠提前260s。而由調(diào)項至水輪機(jī)工況轉(zhuǎn)換時其轉(zhuǎn)換時間為20s，比常規(guī)機(jī)組提前50s。由此證實此類機(jī)組的應(yīng)用確實能夠達(dá)到顯著的調(diào)頻控制效能，且可減少因長時間轉(zhuǎn)換形成的能耗量。

第二種是變速式機(jī)組，在運行期間借助電子器件能增加響應(yīng)速度，保持電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行。與常規(guī)機(jī)組比較也有著突出的調(diào)頻控制作用。而對比上述兩組機(jī)組，可發(fā)現(xiàn)前者明顯需要的轉(zhuǎn)換周期更短。在相同工況下，變速式機(jī)組與三機(jī)式機(jī)組轉(zhuǎn)換時間均短于常規(guī)機(jī)組（可逆式機(jī)組）。例如在水泵至水輪機(jī)工況運行中，變速式機(jī)組消耗280s 完成轉(zhuǎn)換。三機(jī)式機(jī)組僅需25s，自此增加了抽水蓄能機(jī)組的靈活度，可憑借機(jī)組系統(tǒng)的實時響應(yīng)特點，滿足大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)調(diào)頻需求。其中應(yīng)格外注意的是：選擇機(jī)組類型時，還應(yīng)參照調(diào)頻控制要求，促使經(jīng)過優(yōu)化后機(jī)組性能得以提升，為電力系統(tǒng)頻率的調(diào)控帶來可靠的輔助保障[3]。

基于此，在優(yōu)化抽水蓄電機(jī)組時，應(yīng)從上述機(jī)組類型對比中判定風(fēng)電波動調(diào)節(jié)模式的可行性，而后依靠機(jī)組功能，為電力系統(tǒng)的風(fēng)能介入過程打造穩(wěn)定運行環(huán)境。

2.4 實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)動態(tài)仿真設(shè)計

在改造抽水蓄能機(jī)組時，要想充分展現(xiàn)其調(diào)頻控制價值，還可利用仿真設(shè)計的方式對機(jī)組性能予以驗證。匯總上述兩種類型的運行特性，可結(jié)合功率調(diào)節(jié)動態(tài)仿真設(shè)計結(jié)果確定最佳機(jī)組類型。其中在三機(jī)式機(jī)組仿真設(shè)計環(huán)節(jié)，可將其應(yīng)用在實踐項目中，記錄電力系統(tǒng)功率變化趨勢，從中判定此類型機(jī)組是否具備調(diào)峰作用。從相關(guān)研究成果中了解到：隨著球閥開度的變化水泵功率未產(chǎn)生明顯波動。因此在三機(jī)式機(jī)組運行中若針對球閥開度予以調(diào)整，很難實現(xiàn)功率調(diào)節(jié)目的，且還需利用建模軟件對其展開仿真驗證試驗。

在三機(jī)式機(jī)組保持水泵、水輪機(jī)、機(jī)組同步運行時，能將系統(tǒng)功率控制在額定功率范圍內(nèi)。在導(dǎo)葉開度變化階段，功率與之呈正相關(guān)，可在大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)背景下根據(jù)發(fā)電量的降低而減少系統(tǒng)負(fù)荷，自此保持供電穩(wěn)定性。尤其是在機(jī)組運行時，機(jī)組吸收功率為60%額定功率，水輪機(jī)為40%，水泵則為100%額定功率，以便在機(jī)組運行中促進(jìn)電力系統(tǒng)功率的有效調(diào)控[4]。

于仿真設(shè)計中能從調(diào)頻控制成果中驗證機(jī)組功效。針對變速式機(jī)組進(jìn)行仿真設(shè)計時，將其應(yīng)用在風(fēng)電并網(wǎng)項目中，基于功率調(diào)節(jié)模式，此類型的機(jī)組基本上不會產(chǎn)生慣性反應(yīng)，尤其在運行10s 后電動機(jī)功率可降低20%左右。在多個工況調(diào)頻結(jié)果中，在水輪機(jī)、水泵運行中皆呈現(xiàn)規(guī)律性變化趨勢。由于電力系統(tǒng)在風(fēng)力發(fā)電介入中具備高度靈活性要求，因此，應(yīng)用抽水蓄能機(jī)組、結(jié)合動態(tài)仿真設(shè)計效果，確定不同機(jī)組調(diào)頻控制作用，可增加機(jī)組使用可行性。對于電力系統(tǒng)調(diào)頻要求，可從水輪機(jī)及水泵組件功率調(diào)節(jié)的渠道，保證機(jī)組運行能隨時根據(jù)功率變化而自行調(diào)控。匯總兩種類型抽水蓄能機(jī)組仿真設(shè)計數(shù)據(jù)可了解到：使用變速式機(jī)組與三機(jī)式機(jī)組均能產(chǎn)生顯著的調(diào)頻作用，且可適當(dāng)規(guī)避頻率調(diào)節(jié)偏移風(fēng)險，促使風(fēng)電波動在良好的調(diào)控條件下，維持電力系統(tǒng)在風(fēng)電并網(wǎng)環(huán)境里的運行穩(wěn)態(tài)。

3 結(jié)語

在風(fēng)電裝機(jī)容量日益擴(kuò)增時，為適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)條件，理應(yīng)加大對抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻控制模式的關(guān)注度，并從調(diào)頻控制優(yōu)化模型、魯棒控制器、風(fēng)電波動調(diào)節(jié)模式及功率調(diào)節(jié)動態(tài)仿真設(shè)計等方面著手，促使在其助力下電力系統(tǒng)的功率得到合理調(diào)節(jié)，從而維持風(fēng)力發(fā)電穩(wěn)定性，滿足當(dāng)前電能用戶實際用電需求，提升供電服務(wù)水準(zhǔn)，妥善處置系統(tǒng)頻率偏差問題。