何雪飛

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面向智能電網(wǎng)的抽水蓄能電站的智能化研究

何雪飛

（吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林敦化 133700）

我國(guó)正著力推進(jìn)實(shí)施智能電網(wǎng)建設(shè)，能量存儲(chǔ)是智能電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)，抽水蓄能是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛、容量最大的一種儲(chǔ)能技術(shù)，其智能化建設(shè)成為了智能電網(wǎng)建設(shè)的必要需求。抽水蓄能電站的水泵/水輪機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)和發(fā)電/電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)是智能化控制的最核心部分，對(duì)目前調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)的智能化控制情況進(jìn)行了介紹，在實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站單個(gè)機(jī)組層級(jí)的智能控制，進(jìn)一步升級(jí)至整個(gè)電站層級(jí)所有機(jī)組的智能聯(lián)動(dòng)控制，最終形成整個(gè)電網(wǎng)層級(jí)的所有入網(wǎng)抽水蓄能機(jī)組的智能控制是未來(lái)抽水蓄能電站智能化建設(shè)的發(fā)展方向。

抽水蓄能電站；智能化；調(diào)速系統(tǒng)；勵(lì)磁系統(tǒng)

0 前言

我國(guó)正著力推進(jìn)實(shí)施智能電網(wǎng)建設(shè)，未來(lái)大量的新能源發(fā)電將被引入智能電網(wǎng)。目前，抽水蓄能是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛、容量最大的一種儲(chǔ)能技術(shù)，主要用于電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、事故備用及黑啟動(dòng)等[1, 2]。此外，抽水蓄能電站能夠有效消除風(fēng)能、太陽(yáng)能和海洋能等新能源大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)的影響，補(bǔ)償新能源入網(wǎng)引起的負(fù)荷波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的平穩(wěn)輸出，為新能源的可持續(xù)發(fā)展提供重要支撐。適當(dāng)規(guī)模的抽水蓄能電站的建立是智能電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)、自愈、兼容、經(jīng)濟(jì)、安全、優(yōu)化和清潔運(yùn)行的重要手段，是解決可再生能源并網(wǎng)接入、提高能源利用率的重要途徑[3,4]。

1 抽水蓄能電站在智能電網(wǎng)中的作用

1.1 均衡能源資源供需

我國(guó)能源供需分布不均衡，智能電網(wǎng)的建設(shè)的重要目的是實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)電力資源的優(yōu)化配置。抽水蓄能電站的存在可以有效提升電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力和能源資源的優(yōu)化配置能力，增加電網(wǎng)的運(yùn)行效率和有效輸送容量，提高輸電線路的利用率，減少輸電損失，優(yōu)化區(qū)域間的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源資源的合理分配。

1.2 支持新能源的接入

風(fēng)能、太陽(yáng)能、海洋能資源等新能源發(fā)電存在隨機(jī)性、間歇性、波動(dòng)性以及反調(diào)峰等特點(diǎn)，在并入電網(wǎng)時(shí)容易引起電網(wǎng)頻率偏差和電壓波動(dòng)，極大的限制了新能源的入網(wǎng)與發(fā)展，抽水蓄能電站是新能源發(fā)展的重要組成部分，可在新能源接人電網(wǎng)后補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)，為新能源的可持續(xù)發(fā)展提供重要支撐。

1.3 調(diào)峰填谷

調(diào)峰填谷是抽水蓄能電站的特有作用，在未來(lái)的智能電網(wǎng)中，抽水蓄能電站將配套電網(wǎng)中核電機(jī)組及新能源機(jī)組接入，實(shí)現(xiàn)發(fā)電和用電間負(fù)荷調(diào)節(jié)，在一定程度上減弱電網(wǎng)峰谷差，減少火電機(jī)組參與深度調(diào)峰的啟停次數(shù)，使其在最優(yōu)的狀況下運(yùn)行，降低火電機(jī)組燃料和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用提高全電網(wǎng)的能源利用率。

1.4 調(diào)頻調(diào)相

當(dāng)電網(wǎng)頻率波動(dòng)時(shí)，抽水蓄能機(jī)組一次調(diào)頻功能自動(dòng)響應(yīng)頻率變化調(diào)整其負(fù)荷出力，使電網(wǎng)的頻率自動(dòng)恢復(fù)到正常范圍。在智能電網(wǎng)中，抽水蓄能電站可參與系統(tǒng)調(diào)頻運(yùn)行，并可通過(guò)發(fā)出與吸收無(wú)功功率來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓，從而提高智能電網(wǎng)的供電質(zhì)量，維持智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.5 事故備用

抽水蓄能機(jī)組具有快速響應(yīng)能力，跟蹤負(fù)荷迅速，能適應(yīng)負(fù)荷的急劇變化，可有效提高電網(wǎng)運(yùn)行頻率和電壓質(zhì)量的穩(wěn)定性，有效增強(qiáng)智能電網(wǎng)的自愈能力，保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.6 黑啟動(dòng)

由于抽水蓄能機(jī)組具有響應(yīng)速度快、容量大，調(diào)節(jié)性能好的特點(diǎn)，因此，當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障停運(yùn)時(shí)，抽水蓄能機(jī)組是非常理想的黑啟動(dòng)電源，實(shí)現(xiàn)快速發(fā)電，帶動(dòng)其他機(jī)組恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行和對(duì)用戶供電[2,5]。

2 抽水蓄能電站的智能化

抽水蓄能電站作為未來(lái)智能電網(wǎng)的重要組成部分，其智能化建設(shè)將是未來(lái)的主要發(fā)展方向和全新目標(biāo)。以下對(duì)抽水蓄能電站最主要的調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)的智能化，以及診斷監(jiān)控系統(tǒng)的智能化需求進(jìn)行介紹。

2.1 調(diào)速系統(tǒng)的智能化

調(diào)速系統(tǒng)是抽水蓄能機(jī)組頻率及出力控制的主要部件，其控制性能及控制品質(zhì)對(duì)于工況變化頻繁，在電網(wǎng)中擔(dān)任削峰填谷任務(wù)的抽水蓄能機(jī)組尤為重要。智能啟動(dòng)控制策略可以保證抽水蓄能機(jī)組安全平穩(wěn)開(kāi)機(jī)。實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組快速啟動(dòng)，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試的復(fù)雜性和提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

目前，我國(guó)大部分抽水蓄能機(jī)組的啟動(dòng)控制都是通過(guò)PID控制調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種模式下以偏差為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組調(diào)速器啟動(dòng)控制，為開(kāi)環(huán)控制。此外，PID控制算法存在積分飽和的問(wèn)題，不利于機(jī)組的啟動(dòng)控制。由于機(jī)組的啟動(dòng)控制與水頭和空載開(kāi)度密切相關(guān)，在無(wú)法確定當(dāng)前空載開(kāi)度的情況下，機(jī)組的啟動(dòng)控制十分困難。此外，活動(dòng)導(dǎo)葉的開(kāi)啟和關(guān)閉操作都與機(jī)組額定轉(zhuǎn)速密切相關(guān)，而且，電站引水系統(tǒng)的水錘作用和機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣性均限制了導(dǎo)葉的關(guān)閉速度導(dǎo)，進(jìn)而，容易引起機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)和機(jī)組過(guò)速。因此，采用傳統(tǒng)的PID控制策略解決抽水蓄能機(jī)組的智能控制問(wèn)題存在很大困難[6,7]。

抽水蓄能機(jī)組最優(yōu)的開(kāi)機(jī)方式應(yīng)該是在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，機(jī)組轉(zhuǎn)速能夠以最快的速度升高，而超調(diào)量最小。針對(duì)開(kāi)環(huán)控制的缺點(diǎn)，智能啟動(dòng)策略需要采用閉環(huán)開(kāi)機(jī)控制方式，即設(shè)置機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)的轉(zhuǎn)速上升期望特性作為頻率給定，機(jī)組的開(kāi)機(jī)控制不依賴于空載開(kāi)度和啟動(dòng)開(kāi)度，在整個(gè)開(kāi)機(jī)過(guò)程中調(diào)速器始終處于閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)，控制機(jī)組頻率跟蹤頻率給定曲線上升。通過(guò)設(shè)置合理的頻率給定曲線，實(shí)現(xiàn)機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程的快速而不過(guò)速?；诖?，研究人員嘗試將更先進(jìn)的控制方式引入水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，以提高其控制性能。例如，分?jǐn)?shù)階PID控制，模糊控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模型預(yù)測(cè)控制等，為實(shí)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的智能控制進(jìn)行了有益的探索[8-12]，一種抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制模型如圖1所示。

圖1 抽水蓄能機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制模型

2.2 勵(lì)磁系統(tǒng)的智能化

勵(lì)磁系統(tǒng)是抽水蓄能電站發(fā)電/電動(dòng)機(jī)的核心控制系統(tǒng)，隨著控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)集成了電源系統(tǒng)和信息交互系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)工作的好壞直接影響到發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，所以對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)的監(jiān)控至關(guān)重要。勵(lì)磁系統(tǒng)除了具備維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的基本功能外。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，已經(jīng)成為電網(wǎng)的一部分。勵(lì)磁系統(tǒng)智能化建設(shè)包括勵(lì)磁系統(tǒng)的冗余容錯(cuò)及故障自診斷設(shè)計(jì)，輔環(huán)控制模型建立，主環(huán)與輔環(huán)以及輔環(huán)與輔環(huán)間的協(xié)調(diào)控制等[13,16]。

目前，國(guó)內(nèi)外運(yùn)行的機(jī)組一般以SFC變頻器啟動(dòng)作為主要啟動(dòng)模式。該模式是利用晶閘管變頻器產(chǎn)生頻率可變的交流電源對(duì)電動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)，是抽水蓄能電機(jī)啟動(dòng)的一種新方法，在國(guó)內(nèi)外抽水蓄能機(jī)組得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，在機(jī)組變頻器啟動(dòng)時(shí)，引入PID控制，以利于靜止變頻器檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置，當(dāng)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)之后，勵(lì)磁系統(tǒng)控制模型自動(dòng)切換到電壓等閉環(huán)控制模式。這樣既保證機(jī)組靜止變頻器一次啟動(dòng)成功的可靠性，又不影響機(jī)組運(yùn)行在其他工況下的穩(wěn)定性，引入PID的控制的抽水蓄能機(jī)組靜止變頻器啟動(dòng)控制模型如圖2所示。

圖2 抽水蓄能機(jī)組靜止變頻器啟動(dòng)控制模型

3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的應(yīng)用

二十世紀(jì)五十年代后期，裝有同步電機(jī)的大型電力系統(tǒng)遇到了電壓穩(wěn)定性問(wèn)題。持續(xù)性的電壓小幅低頻振蕩限制了大型電力系統(tǒng)的功率傳輸能力。由于對(duì)這種電壓波動(dòng)抑制能力不足，功率傳輸能力降低。因此，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）應(yīng)運(yùn)而生，PSS通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁來(lái)抑制電壓波動(dòng)以抑制電壓振蕩過(guò)程，改善電力系統(tǒng)功率傳輸能力。圖3給出了某抽蓄電站的PSS系統(tǒng)的電壓控制框圖。

圖3 PSS系統(tǒng)電壓控制框圖

3.1 電網(wǎng)條件下配有PSS裝置同步發(fā)電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能

對(duì)帶有標(biāo)準(zhǔn)PSS裝置的同步電機(jī)和無(wú)PSS裝置的同步發(fā)電機(jī)兩種不同系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較。圖4給出采用標(biāo)準(zhǔn)PSS的短路分析。

圖4 采用標(biāo)準(zhǔn)PSS的短路分析

可以看出，有功功率的振蕩幅值與本地模式接近，對(duì)于不帶有PSS裝置的同步電機(jī)來(lái)說(shuō)較高。PSS對(duì)這種模式下產(chǎn)生阻尼效果。

3.2 PSS系統(tǒng)對(duì)電壓頻率的影響

對(duì)電壓頻率問(wèn)題的分析目的是為了研究在區(qū)域內(nèi)振蕩下兩種發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。電網(wǎng)電壓幅值調(diào)制引起電壓波動(dòng)，可以等效于不同電機(jī)之間負(fù)載角波動(dòng)。代表發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的相角差如圖5所示。變化的電網(wǎng)電勢(shì)能夠產(chǎn)生相角差的小幅變化，并出現(xiàn)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的功率交換，代表著本地和區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)之間的功率波動(dòng)，可以看到PSS裝置的阻尼作用。

4 結(jié)語(yǔ)

智能電網(wǎng)是我國(guó)未來(lái)電網(wǎng)的發(fā)展方向，抽水蓄能電站作為未來(lái)智能電網(wǎng)的重要組成部分，其智能化建設(shè)將是未來(lái)的主要發(fā)展方向和全新目標(biāo)。調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)的智能化是實(shí)現(xiàn)抽水蓄能電站單個(gè)機(jī)組層級(jí)的智能控制的重要保證，除此之外，電站機(jī)組的智能化建設(shè)還包括繼電保護(hù)、監(jiān)測(cè)、巡檢和輔機(jī)系統(tǒng)的智能化建設(shè)。未來(lái)在實(shí)現(xiàn)單個(gè)機(jī)組智能化的基礎(chǔ)上，將升級(jí)至整個(gè)電站層級(jí)的所有機(jī)組的智能聯(lián)動(dòng)控制，最終形成整個(gè)電網(wǎng)層級(jí)的所有入網(wǎng)抽水蓄能機(jī)組的智能控制，以滿足智能電網(wǎng)的建設(shè)需要。

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The Smart Grid Oriented Intelligent Development of Pumped Storage Power Station

HE Xuefei

(Jilin Dunhua Pumped Storage Co., Ltd., Dunhua 133700, China)

The smart grid is the development direction of future grid in China, the pumped storage power station as an important part of the future smart grid, the intelligent building will be the main development direction in the future and new goals. pumped storage power station's main control system and the intelligent excitation system are introduced, pumped storage power station the intelligent control of a single unit level to upgrade to the whole plant level all the intelligent linkage control unit, finally form the whole power grid level of intelligent control of all the net pumped storage units is pumped storage power plant in the future the development direction of intelligent building.

pumped storage power station; intelligent; speed control system; excitation system

TM622

A

1000-3983(2017)04-0066-05

2016-12-09

何雪飛（1989-），2013年畢業(yè)于長(zhǎng)春工程學(xué)院電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，主要從事抽水蓄能電站機(jī)電方面研究，在讀碩士，助理工程師。