抽水工況下抽水蓄能電廠風(fēng)電波動調(diào)節(jié)技術(shù)

摘 要：鑒于多數(shù)抽水蓄能電站安裝可逆式機(jī)組的現(xiàn)狀，該文提出一種運(yùn)用雙饋?zhàn)兯偌夹g(shù)擴(kuò)展風(fēng)電波動調(diào)節(jié)范圍的方案，利用電子元件實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子交流勵磁，進(jìn)而對機(jī)組的轉(zhuǎn)速與功率進(jìn)行解耦控制，達(dá)到動態(tài)調(diào)節(jié)、快速響應(yīng)的目的。使用Matlab平臺構(gòu)建抽水蓄能機(jī)組模型并進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)仿真，結(jié)果表明機(jī)組電磁功率調(diào)節(jié)的速動性良好，無論是在水輪機(jī)工況還是水泵工況下都能完成風(fēng)電功率波動調(diào)節(jié)，切實(shí)提高抽水蓄能機(jī)組的調(diào)節(jié)能力。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能機(jī)組；雙饋電機(jī)；調(diào)速器；動態(tài)調(diào)節(jié)；Matlab仿真

中圖分類號：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）31-0168-04

Abstract： In view of the current situation of installing reversible units in most pumped storage power stations， this paper proposes a plan to use doubly-fed variable speed technology to expand the range of wind power fluctuation regulation. Electronic components are used to realize AC excitation of the generator rotor， and then the speed and power of the unit are decoupled， thus achieving the purpose of dynamic adjustment and rapid response. The model of the pumped storage unit is built using Matlab platform and dynamic adjustment simulation is carried out. The results show that the electromagnetic power adjustment of the unit has good quickness， and the wind and electricity power fluctuation adjustment can be completed regardless of whether it is under water turbine operating conditions or pump operating conditions， which effectively improves the regulation ability of the pumped storage unit.

Keywords： pumped storage unit; doubly-fed machine; governor; dynamic regulation; Matlab simulation

常規(guī)的抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電工況下支持動態(tài)調(diào)節(jié)，若處于抽水工況時無法調(diào)節(jié)，這種特性會導(dǎo)致風(fēng)電并網(wǎng)時風(fēng)電波動的調(diào)節(jié)范圍受到限制，不利于保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。近幾年出現(xiàn)的三機(jī)式抽水蓄能機(jī)組和變速抽水蓄能機(jī)組很好地解決了上述問題，前者的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍大、工況轉(zhuǎn)換時間短、機(jī)組設(shè)計(jì)更加靈活，但是存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、建設(shè)與維護(hù)成本較高等弊端；后者融合了雙饋?zhàn)兯偌夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組轉(zhuǎn)速與功率的解耦控制，在保證電網(wǎng)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性和改善水泵水輪機(jī)運(yùn)行特性等方面有良好效果，成為解決抽水蓄能機(jī)組動態(tài)調(diào)節(jié)問題的最優(yōu)選擇。

1 抽水蓄能機(jī)組的風(fēng)電波動調(diào)節(jié)方案及其優(yōu)勢

將交流勵磁技術(shù)應(yīng)用到抽水蓄能電廠的可逆式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上，通過外接電子控制器件的方式調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)對機(jī)組轉(zhuǎn)速與機(jī)組功率的解耦控制。該控制方案的特點(diǎn)體現(xiàn)在：第一，支持對機(jī)組有功功率和無功功率的獨(dú)立調(diào)控，保證了抽水蓄能機(jī)組無論是出于發(fā)電工況還是抽水工況都能根據(jù)需要完成電網(wǎng)調(diào)節(jié)，從而大幅度提升電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。第二，在一定程度上改善了可逆式水泵水輪機(jī)的運(yùn)行特性。常規(guī)的抽水蓄能機(jī)組在水泵工況（即抽水工況）下不能通過調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度的方式改變水泵吸收功率。采用交流勵磁技術(shù)后，抽水蓄能機(jī)組在水輪機(jī)工況（即發(fā)電工況）下保持較高的機(jī)組運(yùn)行效率，在水泵工況下也具備了一定的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)能力（調(diào)節(jié)范圍在±10%左右），并且使用性能更好的電子控制期間還能進(jìn)一步擴(kuò)展調(diào)節(jié)范圍[1]。第三，抽水蓄能機(jī)組通過靈活調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速，還能降低運(yùn)行期間發(fā)生氣蝕、不穩(wěn)定等情況的概率，對維護(hù)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性也有積極幫助。

2 變速抽水蓄能機(jī)組動態(tài)模型的構(gòu)建

2.1 雙饋電機(jī)矢量控制原理

將交流勵磁技術(shù)應(yīng)用到抽水蓄能機(jī)組中，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)電電動機(jī)的雙饋?zhàn)兯倏刂?，進(jìn)而保證了機(jī)組轉(zhuǎn)速始終維持在最佳工況點(diǎn)，達(dá)到了改善機(jī)組運(yùn)行特性、提升機(jī)組運(yùn)行效率的目的。在抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行中，電機(jī)轉(zhuǎn)速在受到外部因素（如電壓波動、潤滑變差等）影響后，實(shí)際轉(zhuǎn)速與同步轉(zhuǎn)速之間出現(xiàn)偏差。這時候利用外接電子器件向電機(jī)轉(zhuǎn)子提供一個三相低頻交流電實(shí)現(xiàn)勵磁，通過改變勵磁電流的幅值、頻率等參數(shù)實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)的恒頻恒壓發(fā)電[2]?？紤]到變頻調(diào)速系統(tǒng)中有功功率、無功功率等標(biāo)量的計(jì)算難度較大，因此本文基于矢量控制方法對雙饋電機(jī)的有功和無功進(jìn)行解耦控制，其控制原理如圖1所示。

圖1 交流勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)雙閉環(huán)控制原理圖

如圖1所示，該控制系統(tǒng)主要分為功率控制外環(huán)和轉(zhuǎn)子電流控制內(nèi)環(huán)2部分，兩者組合形成了閉環(huán)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)。在功率控制外環(huán)中，Pmeas和Qmeas分別表示有功功率和無功功率，2項(xiàng)參數(shù)根據(jù)需要并入電網(wǎng)的功率來確定。經(jīng)過PI控制器的處理后得到定子電流的有功分量（iqs）和無功分量（ids）；在轉(zhuǎn)子電流控制內(nèi)環(huán)中，將定子電流（iqr）與定子電流的有功分量（iqs）作為PI控制器的輸入，經(jīng)過處理后得到電壓分量（vqr）；同理可得vdr。將該系統(tǒng)最終輸出的vqr與vdr進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，可以求出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的三相電壓控制量v1r，v2r，v3r。

2.2 水輪機(jī)工況下機(jī)組控制模型

相比于傳統(tǒng)可逆式機(jī)組，應(yīng)用了交流勵磁技術(shù)的抽水蓄能機(jī)組其創(chuàng)新點(diǎn)在于機(jī)組轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)頻率相互獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)了對機(jī)組轉(zhuǎn)速和機(jī)組出力2個變量的分別控制。這就意味著抽水蓄能機(jī)組在出力不變的情況下其工況點(diǎn)是允許變化的，只要能保證機(jī)組始終處于最佳工況點(diǎn)，即可讓抽水蓄能電站取得最佳效益?；诖?，本文將機(jī)組出力、機(jī)組轉(zhuǎn)速作為控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了對應(yīng)的控制方案。

在1#控制方案中，通過機(jī)組調(diào)速器控制水泵水輪機(jī)導(dǎo)葉的開度，進(jìn)而改變機(jī)組出力；通過功率變頻器控制雙饋電機(jī)的功率，進(jìn)而改變機(jī)組轉(zhuǎn)速。該方案的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在2#控制方案中，通過功率變頻器直接改變機(jī)組出力，通過調(diào)速器控制導(dǎo)葉開度進(jìn)而改變機(jī)組轉(zhuǎn)速。相比于1#控制方案，該方案的特點(diǎn)是顯著提升了對機(jī)組功率的控制速度，并且保證了水泵水輪機(jī)的運(yùn)行不會受到導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)的干擾。該控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

綜上，2#控制方案無論是在控制響應(yīng)速度還是在跟蹤最佳工作點(diǎn)方面均表現(xiàn)出優(yōu)勢，因此本文選擇該方案構(gòu)建了抽水蓄能機(jī)組模型。除此之外，在機(jī)組模型中還加入了輔助控制功能，例如機(jī)組轉(zhuǎn)速越限功能、功率給定控制功能等。以轉(zhuǎn)速越限功能為例，若轉(zhuǎn)速接近安全閾值時雙饋機(jī)組會提供額外的功率支撐，保證機(jī)組始終處于合理轉(zhuǎn)速，維護(hù)機(jī)組的運(yùn)行安全。

2.3 水泵工況下機(jī)組控制模型

在水泵工況下，主要采取改變轉(zhuǎn)速的方式改變水泵功率，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度對水泵功率的影響可以忽略不計(jì)。根據(jù)前文分析，基于交流勵磁技術(shù)的抽水蓄能機(jī)組可以做到機(jī)組轉(zhuǎn)速與電網(wǎng)頻率的耦合斷開，這就使得在可靠并網(wǎng)前提下允許機(jī)組運(yùn)行速度在一定范圍內(nèi)變化。將雙饋電機(jī)應(yīng)用到機(jī)組功率的動態(tài)調(diào)節(jié)中，能夠使水泵轉(zhuǎn)速跟隨機(jī)組功率作出相應(yīng)的變化，滿足抽水蓄能機(jī)組在水泵工況下的動態(tài)調(diào)節(jié)需要。本文在設(shè)計(jì)水泵工況下機(jī)組控制模型時，從實(shí)用性考慮也加入了一些輔助功能。例如查找最優(yōu)轉(zhuǎn)速功能，雙饋機(jī)組在接收到功率給定目標(biāo)信號后，會根據(jù)該水泵的“運(yùn)行功率-轉(zhuǎn)速”曲線查找在給定功率下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，并計(jì)算最優(yōu)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的差值，將該差值作為PID控制器的輸入，經(jīng)過處理后PID控制器輸出額外轉(zhuǎn)速控制分量并作用于雙饋機(jī)組，從而讓水泵實(shí)際轉(zhuǎn)速趨近于最優(yōu)轉(zhuǎn)速[3]。

3 機(jī)組抽水工況下的功率動態(tài)調(diào)節(jié)仿真

為了驗(yàn)證水輪機(jī)工況和水泵工況下抽水蓄能機(jī)組的動態(tài)調(diào)節(jié)效果，本文獲取某抽水蓄能電站的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，基于Matlab平臺構(gòu)建了抽水蓄能機(jī)組模型，通過簡單的PI控制得到了2種工況下機(jī)組對風(fēng)電波動的調(diào)節(jié)效果[4]。

3.1 變速抽水蓄能機(jī)組電磁功率調(diào)節(jié)特性

使用建立的抽水蓄能機(jī)組模型，開展了電磁功率調(diào)節(jié)特性仿真。設(shè)定機(jī)組的初始運(yùn)行功率為1 p.u.，并維持該功率讓機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行10 s。在第10秒時，將雙饋發(fā)電電動機(jī)的給定功率減小20%，即0.8 p.u.。觀察此時的功率變化，如圖4所示。

結(jié)合圖4可知，在第10秒改變機(jī)組功率后，電機(jī)電磁功率能夠做到同步跟蹤給定功率，在第10.1秒時已經(jīng)完成了功率調(diào)節(jié)，整個調(diào)節(jié)過程用時不足0.1 s。此外，電磁功率的超調(diào)量可以忽略不計(jì)（不足0.1 p.u.），說明該機(jī)組的電磁功率調(diào)節(jié)具有良好的速動性和準(zhǔn)確性。考慮到抽水蓄能機(jī)組在水輪機(jī)工況和水泵工況下的控制策略存在差異，因此在仿真試驗(yàn)中分別對2種工況下的動態(tài)調(diào)節(jié)過程進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.2 水輪機(jī)工況下運(yùn)行時的動態(tài)調(diào)節(jié)仿真

使抽水蓄能機(jī)組模型在水輪機(jī)工況下運(yùn)行，初始功率1 p.u.，仍然是在第10 秒時減少20%，分別統(tǒng)計(jì)在100 s內(nèi)水壓、流量、導(dǎo)葉開度以及機(jī)械力矩4項(xiàng)參數(shù)的相對變化量，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的前10秒，4項(xiàng)參數(shù)的相對變化量均為0；從第10秒減小機(jī)組的有功功率后，4項(xiàng)參數(shù)均出現(xiàn)了不同程度的波動變化，并且在第50秒左右才重新恢復(fù)穩(wěn)定，調(diào)節(jié)用時約40 s。與上文的電磁功率調(diào)節(jié)（圖4）相比，動態(tài)調(diào)節(jié)用時更長，這說明在水輪機(jī)工況下機(jī)組調(diào)節(jié)存在慣性，即“飛輪效應(yīng)”。受此影響，水泵水輪機(jī)的機(jī)械動態(tài)特性只存在于抽水蓄能電站內(nèi)部，而不會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，從而提高了動態(tài)調(diào)節(jié)的靈活性、保障了并網(wǎng)的安全性[5]。

3.3 水泵工況下運(yùn)行時的動態(tài)調(diào)節(jié)仿真

在各項(xiàng)試驗(yàn)條件不變的情況下，探究水泵工況下抽水蓄能機(jī)組模型4項(xiàng)參數(shù)的相對變化量，結(jié)果如圖6所示。

圖6 水泵工況下甩負(fù)荷時水泵水輪er7PnYhChBV99MCt+K4DKk/+O64Jhy61ACi0kPRwf/Q=機(jī)各變量的變化曲線

如圖6所示，在第10秒改變機(jī)組有功功率后，4項(xiàng)參數(shù)發(fā)生不同程度的波動變化，大概在第20秒時相繼恢復(fù)穩(wěn)定，整個調(diào)節(jié)過程用時10 s左右。對比水輪機(jī)工況下的抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行情況，可以發(fā)現(xiàn)水泵工況下機(jī)組功率的跟隨速度更快，自適應(yīng)能力更強(qiáng)。綜上，基于交流勵磁技術(shù)的變速抽水蓄能機(jī)組可以同時滿足水輪機(jī)工況和水泵工況下的風(fēng)電波動調(diào)節(jié)需要，并且在水泵工況下調(diào)節(jié)用時更短，為風(fēng)電可靠并網(wǎng)創(chuàng)造了有利條件。

4 結(jié)論

抽水蓄能作為現(xiàn)階段技術(shù)較為成熟且應(yīng)用成本較低的儲能方式，可以將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的電能儲存起來，并通過調(diào)峰、調(diào)頻作用解決大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊影響。但是抽水蓄能電站在實(shí)際運(yùn)行中存在動態(tài)調(diào)節(jié)能力差、系統(tǒng)頻率偏差大、電站總體運(yùn)行效率低等問題?；诮涣鲃畲偶夹g(shù)的變速抽水蓄能機(jī)組可以利用機(jī)組轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的飛輪效應(yīng)，提高了機(jī)組功率的響應(yīng)速度，并且支持在水輪機(jī)工況和水泵工況下的動態(tài)調(diào)節(jié)，讓機(jī)組始終處于最佳工況。在滿足轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)要求、拓寬調(diào)節(jié)范圍以及保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行等方面發(fā)揮了積極作用，在風(fēng)電技術(shù)成熟發(fā)展和普及應(yīng)用的背景下，變速抽水蓄能機(jī)組的應(yīng)用前景十分廣闊。

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