可变速抽水蓄能技术应用浅析

宋洪歌

（华北水利水电大学电力学院，河南 郑州 450045；浙江水利水电学院水利与海洋工程研究所，浙江 杭州 310018）

可变速水力机组自20 世纪60 年代以来受到了广泛关注。世界范围内，前苏联在1972 年首次将交流励磁调速技术用于依奥夫斯克电站的水电机组中，从20世纪80 年代初开始，日立、东芝等公司开始研究交流励磁调速技术应用于抽水蓄能电站机组中，最终在20 kW 和4 000 kW 机组上进行了模型试验。1987 年初，日立公司在日本成出电站成功应用了首台交流励磁调速技术实用机组，于同年4 月投入商业运行。从此之后，经过不断总结经验，日立和东芝公司相继在矢木泽、高见、大河内等抽水蓄能电站中建设可变速机组并成功投运。

定速机组原理类似同步电机，正常工作时电机转速恒定为同步转速，变速机组原理则类似异步电机，工作时电机转速和同步转速不等，可以在一定范围内变化。当电机运行时，设电机同步转速（即定子的磁场转速）为1，转子的机械转速为，转子的磁场转速（转差）为2，以上三者关系满足同步转速等于转子机械转速与磁场转速的矢量和，即为1=2+。机组变速的原理是通过变换器或调速器调节2 和，可以实现电机转速在同步转速附近变化的同时保证机组发电频率维持50 Hz。

可变速抽水蓄能机组主要分为2 种类型：一类是双馈感应电机，和异步电机类似，采用交流励磁，在转子侧接入变流器且转子和定子都与电网有能量传递交换；另一类是全功率变频同步电机，类似同步电机，采用直流励磁，仅在定子侧接入变流器实现变速且只有定子与电网有能量交换，转子与电网不进行能量交换。

1 可变速抽水蓄能机组控制理论

基于抽水蓄能机组调速器的控制理论已积累了较多文献。可变速抽水蓄能机组是一个水机电控耦合的系统，包括可逆式水轮机、发电电动机、励磁控制系统及辅助控制系统等部分，与传统水轮发电机组相比控制更加困难。传统的比例-积分-微分（PⅠD）控制器通常不能提供高质量的控制，LⅠ等针对抽水蓄能机组提出了分数阶PⅠD 控制器（FOPⅠD），虽然FOPⅠD控制器比传统的PⅠD 控制器更有效，但对于水泵水轮机调节系统来说，FOPⅠD 控制器的参数优化更为复杂。常鹏飞等基于矢量控制思想，对可变速抽水蓄能机组采用一种预测控制方法，能够实现多目标最优控制。模型预测控制方法（Model Predictive Control，MPC），设计了适用于该系统的模型预测控制器，给出了一种节省在线计算时间的矢量选择方法，通过仿真验证了该方法的有效性。为了使抽水蓄能机组达到足够的性能要求，必须有一种确定抽水蓄能机组最佳工况切换时间的方法，LⅠANG 等提出了一种基于枚举的模型预测控制（MPC）策略来确定抽水蓄能机组的最优切换时间，以提高机组的运行灵活性，并便于频率调节，使MPC 控制器适合于实际应用。LⅠ等将一种非线性广义预测控制（ Nonlinear Generalized Predictive Control，NGPC）方法应用于抽水蓄能机组的控制系统，对 NGPC 控制器、PⅠD 控制器和分数阶 PⅠD 控制器进行了比较。结果表明，NGPC 控制器能有效抑制抽水蓄能机组不同工况下的转速振荡，具有更高的鲁棒性和稳定性。TAN 等根据水泵-水轮机运行曲线，分析了双馈变速抽水蓄能机组的运行特性和性能，提出了交流励磁系统与调速器的协调控制策略，可以确定双馈调速抽蓄机组的最佳转速并快速调节，从而抑制电力系统频率波动。

2 可变速抽水蓄能机组控制方式

可变速抽水蓄能电站存在2 套控制系统，即转速、功率2 个可调节的变量，因此整体控制可变速抽水蓄能机组的方法有2 种，分别是快速功率控制和快速转速控制。快速功率控制方式是通过大功率自动变换器调节电动机输出功率，而水轮机调速器通过调整导叶开启程度调节电机速度；快速转速调节方式则是大功率自动变换器调节电机速度，水轮机调速器调节功率。关于各种调节方式的应用工况，不同的学者有不同的看法。

可变速机组发电或抽水工况运行时，转速优先控制可减少导叶运动次数，会减少轴系磨损和水压脉动，减少换流器容量，而功率优先控制方法所需励磁调节容量相对较大，因此滕军认为发电工况可采用功率优先控制方法和转速优先控制方法2 种方式，抽水工况时采用转速优先控制方式。由于机组电动工况时转速与水泵输入功率的三次方成正比，通过转速控制，能够大范围内调整电动工况下的输入功率，而在发电工况时，有功功率的响应速度要尽可能的最大化，所以发电工况应采用功率优先方式，在电动工况应采用转速优先方式。李辉等提出了功率由交流励磁控制，转速通过水轮机导叶控制的快速功率响应调节方式。然而，KUWABARA 等认为可变速抽水蓄能机组运行时，自动发电控制较为重要，应该优先考虑有功功率响应，相比于转速优先控制方法，功率优先控制方法在负荷中断时不需要切换控制方法，具有更高的可靠性，目前正投入运行的日本大河内电站4 号机组，其发电工况和电动工况均采用功率优先控制方法。所以，对于可变速抽水蓄能机组在每种运行工况时应该采取哪种控制方法，尚未形成定论，因此还需要结合控制策略的特性深入研究。

3 可变速抽水蓄能机组功率调节

关于可变速抽水蓄能机组参与电网调频的研究也逐渐受到学者的重视。王松等以双馈电机等效电路为基础，研究机侧和网侧换流器的无功调节机理，并探讨两者的无功调节优先级，给出合理的无功控制策略，但并未探讨无功功率的影响因素。对于固定下垂系数控制存在抑制频率波动的阻尼不足的问题，李辉等对固定系数控制策略存在不足提供了改进思路，通过改变下垂系数以实现调频控制，并给出了参数整定方法。高晓光等认为应根据机组容量和功率偏差值自行整定PⅠD 参数，整定策略如下，对于小型发电机组，因为其波动幅度小所以无论偏差值大小，PⅠD参数均取较小值；而对于大中型发电机组，其容量大，当功率指令偏差±10 MW 以上时PⅠD 整定值取小，功率偏差值在±10 MW 以下时PⅠD 整定值取大。彭天波等为实现电网频率快速无差别调节，提出了在电站调速器程序中额外设置一次调频专用PⅠD 参数，独立应用于机组一次调频，与其他PⅠD 参数分割取值整定，同时保留另外一组不影响负载的小电网和孤立电网调频能力的PⅠD 参数，实现机组一次调频自动运行，缩短了响应时间，增强了调节能力。NASⅠR 等讨论了可变速抽水蓄能电站中有功和无功功率控制，在电网侧变流器仍保持原直流电压的同时，提出了一种转子侧变流器有效控制有功和无功功率的方法，对于电站参与电网调频提供了新思路。

虽然一些专家学者对变速水力机组参与电网调节的控制策略进行了一定的研究，但变速机组参与一次调频过程的特点及是否与定速机组有一致性尚不明确。为研究双馈感应电机在电网功率调节中的作用，胡万丰等建立了双馈感应电机功率控制系统模型，可以调节励磁电流直接对定子有功功率进行调节，定子功率能够快速跟随功率指令的变化，实现功率快速调节，有效缩减机组调节时间。为研究可变速机组运行对电网功率的控制作用，韩民晓等综合考虑能量平衡、波动负荷与可再生能源发电出力跟踪控制及电压稳定控制的需求，采用-解耦方法实现可变速机组有功与无功功率的控制。为分析影响可变速抽蓄机组功率调节能力的因素，王德顺等分析各指标参数权重，计算各影响因素权重大小，建立功率调节能力评估体系，为可变速抽水蓄能机组的建设和实际运行提供参考。

4 结论

关于可变速抽水蓄能电站应用方面，日本可变速抽水蓄能技术应用广泛、技术成熟，目前生产可变速抽水蓄能机组的制造商有日立、东芝、三菱等公司，已经成功应用可变速抽水蓄能机组包括冲绳、蛇尾川、盐源、奥清津、小丸川、葛野川等抽水蓄能电站，其装机容量已超过500 万kVA；在德国、瑞士等西方国家可变速抽水蓄能机组也在大量投运，如德国Konsortium Goldisthal 电站，瑞士 Grimsel 电站、Linthal电站等；中国抽水蓄能电站装机容量是目前世界上在建和已建规模最大的国家，虽然可变速抽水蓄能机组还没有正式应用在电力系统中，但河北丰宁电站已通过采用2 台容量300 MW 的可变速抽水蓄能机组的方案，在未来可变速抽水蓄能电站必将迎来蓬勃发展。

关于可变速抽水蓄能机组调节特性方面，国内外学者对机组的调节控制系统展开大量研究，控制策略与调节方法积累了许多文献，为后续研究提供了便利条件。而可变速抽水蓄能机组参与电网调频过程中，采用哪种控制方法如转速控制或功率控制并没有形成定论，还需结合电站实际运行情况与控制方法特性进行深入研究；相比定速抽水蓄能机组，可变速机组其参与调频的规律，如何体现变速机组的优势及以什么样的标准来考核等问题在今后的研究中需要深入探讨；关于抽水蓄能机组采用同发同抽工况运行，目前针对电站进出水口之间的流场流态特性深入研究，在机组参与电网调频方面并没有相关报道，因此抽水蓄能电站采用同发同抽工况的可行性，是否能给电站带来效益的问题仍需继续研究。