采用虚拟恒压水池增容的抽水蓄能电站设计与运行策略

尤嘉钰，姜 彤

(华北电力大学，北京102206)

0 前 言

为避免水轮机在抽水蓄能电站水头变幅过大时不稳定运行，出现发电效率降低、裂纹或振动问题，要控制电站水头在水轮机允许范围内变化。对于水头变幅大的电站会造成水库库容浪费，限制日发电量[1-3]。葛野川抽水蓄能电站水库调节库容830万m3，最大水头763 m，最小水头716 m，发电机组为设计水头714 m、最大水头751 m的单级可逆式水泵水轮机，要控制电站的水头小于水轮机最大水头，实际利用库容仅为调节库容的3/4，不能使水库容量得到充分利用，减少了可持续发电量[4]。

对于水头变幅大的抽水蓄能电站，目前采用变频调速机组通过改变转速来适应不同的运行水头，变频调速机组可以增大水头变幅和功率适应范围，减少了振动、空蚀和泥沙磨损，提高了机组运行的稳定性[5- 6]。还可以采用双转速同步发电机，根据模型转轮特性曲线，计算出采用不同同步转速的水头分界线，高于该水头采用较高转速的同步转速运行，低于该水头采用较低转速的同步转速，增大了水轮机水头变化范围[7]。虽然对发电机组的改进适当增大了水头变幅，但对于水头变幅大的电站只是小幅度的提升，仍然有大部分库容不能充分利用，限制了可持续发电量。

为此，本文引入了液压恒压网络的概念，将虚拟恒压水池作为液压恒压网络中的液压蓄能器，采用多组不同面积比的活塞液压缸作为液压恒压网络中的液压变压器来实现变压，使抽水蓄能电站水库大幅度变化的水头通过液压传动机构转变为虚拟恒压水池中小范围波动的水头，再进行水轮机/水泵的发电与储能，提出了一种采用虚拟恒压水池增容的抽水蓄能电站。其中，本文提出了一种驱动设备的调速控制策略来进一步控制虚拟恒压水池中的水头恒定，保证水轮机高效运行。水轮机水头的限定不再成为电站水头变幅的制约因素，可以建设更大变幅大容量的抽水蓄能电站，水库库容得到充分利用，可持续发电量增加，扩大了应用范围，实现了更好的推广。

1 系统原理分析

1.1 液压恒压网络

液压恒压网络系统是近年来发展起来的一种新型液压系统，具有高效、结构简单等诸多优点，一个液压恒压网络系统由能量源、液压蓄能器、高低压两条驱动油路和负载组成[8]。

液压蓄能器是一个储存和释放能量的压力容器，它将液压系统中的压力油储存起来，在需要时又重新放出，在液压恒压网络系统中，通常将液压蓄能器和液压变压器串联使用，这样能够在保持恒压的同时进行能量回收[9]。

1.2 液压变压器

液压变压器是指在液压传动中能够实现压力转换的一种液压元件，它相当于压力转换器，可以从液压恒压网络系统中无节流损失地获取能量。液压变压器分为液压缸式液压变压器和液压马达/泵式液压变压器。

液压缸式液压变压器是由两个单杆液压缸将其活塞杆刚性地联接在一起，由于两侧活塞的有效作用面积不同，从而使两侧油腔内的压强不同，这样便实现了变压。

液压马达/泵式液压变压器是由轴向柱塞泵与马达通过一个轴机械地联结在一起，以便二者能够一起旋转，通过改变变量马达的排量，使这两个泵/马达分别变换自己的角色来做泵或马达使用，进行双向变压。

如果将液压马达/泵式液压变压器和液压缸组合使用，能实现功率匹配、提高能量利用率。由电液伺服阀或电液比例阀控制变量缸，进而调节变压器马达的排量，实现变压。在实际使用中，变量缸与液压变压器制成一体[8-10]。

1.3 装置结构设计

本文引入了液压恒压网络的概念，将虚拟恒压水池作为液压恒压网络中的液压蓄能器，采用多组不同面积比的活塞液压缸作为液压恒压网络中的液压缸式液压变压器来实现变压，提出了一种采用虚拟恒压水池以应对大范围变水头的抽水蓄能电站[11，12]。

图1 采用虚拟恒压水池增容的抽水蓄能电站装置

电站的结构如图1所示，上水库和下水库组成第一势能源，虚拟恒压水池和低压水池组成第二势能源，液压传动机构由多组不同面积比的活塞液压缸构成，驱动设备与液压缸中活塞杆的末端相连，根据第一势能源和第二势能源在运行过程中的压强变化，选择不同面积比的液压缸，使两组势能源在活塞杆上产生的合力推动活塞杆运动，由驱动设备控制活塞杆的运动速度和方向，通过设置液压缸多个阀门的开闭，来实现发电和储能。

1.4 运行过程

当抽水蓄能电站处于发电状态时，按式(1)选择最接近的相应面积比的液压缸，通过控制阀门的开闭推动活塞杆作往复运动，上水库中的水流入液压缸，再从液压缸流入下水库，低压水池中的水通过液压缸被抽入虚拟恒压水池，再从虚拟恒压水池中流出推动水轮机发电，将电能送入电网。

当抽水蓄能电站处于储能状态时，按式(1)选择最接近的相应面积比的液压缸，水泵将低压水池中的水抽到虚拟恒压水池，再从虚拟恒压水池流入液压缸，通过控制阀门的开闭推动活塞杆作往复运动，将下水库中的水抽到上水库中储能。

在抽水蓄能电站的发电与储能运行过程中，通过调节驱动设备来实现虚拟恒压水池中的水头恒定，多组不同面积比的液压缸式液压变压器的采用可以减小运行过程中的损耗，其面积比的选择公式为

(1)

式中，P1为水库中水的压强；P2为虚拟恒压水池中水的压强，且为定值；S1和S2为液压变压器两个液压缸的面积。

2 驱动设备调速控制策略

在抽水蓄能电站的运行过程中，为了控制虚拟恒压水池中的水头恒定，需要先确定液压缸的面积比，再由驱动设备进行微调，通过控制液压缸和虚拟恒压水池之间水的流速，来实现虚拟恒压水池中的水头恒定。本文提出了一种驱动设备的调速控制策略，等流速水头补偿控制策略。

2.1 策略原理

等流速水头补偿控制策略，是使活塞液压缸和虚拟恒压水池之间的液体管道中水的平均流速与虚拟恒压水池和水力设备之间的液体管道中水的流速相等，这样虚拟恒压水池中的蓄水量就处于一种动态平衡，同时补偿虚拟恒压水池中的水头变化量，使其恢复到标准值，从而保证虚拟恒压水池的水头恒定。

2.2 策略实现方案

本文对驱动设备设置不同的调速档位旋钮，设定每次调速前的档位为初始档位n0，以初始档位为基准的各档位为n0±1、n0±2、n0±3……，相邻调速档位之间的速度变化量相同。

图2为等流速水头补偿控制策略流程图。每隔T1时间监测一次虚拟恒压水池中的水头变化

Δh=h2-h1

(2)

式中，h1为开始监测时的水头；h2为T1时间后监测到的水头。

然后计算虚拟恒压水池和水力设备之间液体管道中水的流速变化量

(3)

式中，k为常数;ρ为水的密度;g为重力加速度。

驱动设备调速档位之间的速度变化量为Δv，计算出驱动设备应该调节的档位数量

(4)

把驱动设备调速系统启动前的档位设为初始档位n0，设定补偿时间为T2，根据以标准水头H0为基准的水头变化量计算出需要补偿的档位数量

(5)

则驱动设备应该调节的实际档位为

(6)

当抽水蓄能电站处于发电状态时，如果虚拟恒压水池中的水头小于标准水头，即h2

当抽水蓄能电站处于储能状态时，如果虚拟恒压水池中的水头小于标准水头，即h2

图2 等流速水头补偿控制策略流程

2.3 调速控制系统

驱动设备的控制部分由采集单元、策略应用单元和执行单元组成，其中，采集单元通过传感器将虚拟恒压水池中的水头信号传递给策略应用单元，策略应用单元可以采用PLC或者带CPU的控制设备进行分析计算，然后将其传送给执行单元，执行单元可以采用变频器来调节驱动设备，驱动设备可以采用直线电机来实现调速控制。

3 仿真试验分析

当突然出现水力设备出力增大或者减少的情况，使虚拟恒压水池中水头变化时，本文对有无驱动设备调速控制策略的虚拟恒压水池水头波动进行了仿真实验分析，并对两种情况进行了对比，可以明显地观察到驱动设备调速控制策略的实施效果。

假定液压缸中的活塞作速度为正弦运动规律的运动[13-14]，活塞的运动规律为

x=Hsinωt

(7)

3.1 抽水蓄能电站发电工况

在抽水蓄能电站处于发电工况下，如果水轮机出力突然减少，采用驱动设备调速控制策略，在时间T2=2 s内监测到虚拟恒压水池的水头变化为Δh=4 m，计算出虚拟恒压水池和水力设备之间液体管道中水的流速变化量Δv2=0.2 m/s，设驱动设备调速档位之间的速度变化量为Δv=0.1 m/s，补偿时间为T2=2 s，则驱动设备应该调节的档位数量n1=2，需要补偿的档位数量n2=2，实际调节档位数量为n1′=4，将驱动设备先调节到n0-4档位，1 s后将驱动设备先恢复到n0-2档位，调节后活塞液压缸和虚拟恒压水池之间的液体管道中水的平均流速v1′=0.8 m/s，与虚拟恒压水池和水力设备之间的液体管道中水的流速v2′=0.8 m/s仍然相等。

图3 虚拟恒压水池两边液体管道水流速随时间变化

图4 虚拟恒压水池水头大小随时间变化

如果水轮机出力突然增加，比如水轮机气门开度增大的情况，则虚拟恒压水池流入水力设备的水流速v2增大，如图5所示，采用驱动设备调速控制策略先将驱动设备调节到n0+4档位，补偿时间T2=2 s后，再将驱动设备调节到n0+2档位使v1′=v2′，虚拟恒压水池中的水头如图6所示，先下降再恢复到标准水头0.5 MPa附近小范围内波动。

图5 虚拟恒压水池两边液体管道水流速随时间变化

3.2 抽水蓄能电站储能工况

抽水蓄能电站在储能工况下的驱动设备调节方式与发电工况相同，如果水泵出力突然减少，如图3所示v2′=0.8 m/s，在T1=2 s时间内监测到虚拟恒压水池的水头下降了Δh=4 m如图6所示，则同样将驱动设备调节到n0-4档位，在补偿时间为T1=2 s后，再将驱动设备调节到n0-2档位使v1′=v2′，虚拟恒压水池中的水头恢复到0.5 MPa附近波动。

图6 虚拟恒压水池水头大小随时间变化

如果水泵出力突然增加，则水力设备流入虚拟恒压水池的水流速v2增大，采用驱动设备调速控制策略调节驱动设备档位补偿水头变化量再使v1′=v2′，虚拟恒压水池中的水头先上升再下降恢复到标准水头0.5 MPa附近小范围内波动。

4 结 论

本文提出的采用虚拟恒压水池增容的抽水蓄能电站与传统抽水蓄能电站相比主要有以下几个优点，

(1)能够适应更宽的水头变化范围，使水库库容得到充分利用，同时降低了对抽水蓄能电站的建设环境要求。

(2)能够保证水轮机的高效稳定运行，增大水轮机的使用寿命。

(3)装置结构设计简单，实验装置中的液压传动机构由多组不同面积比的活塞液压缸组成，便于设计与制造。

经仿真实验分析，本文提出的驱动设备调速控制策略可以使虚拟恒压水池的水头保持在标准水头附近小范围波动，保证了水轮机的发电效率，增加了可持续发电量。