盧偉甫，王 勇，樊玉林，陳 瑞，孫曉霞

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

0 引言

目前國內(nèi)解決電力系統(tǒng)調(diào)峰的手段——抽水蓄能電站，全部是定速抽水蓄能機(jī)組，只能采取“開機(jī)—滿負(fù)荷—停機(jī)”控制方式，不能調(diào)節(jié)輸入功率。隨著電網(wǎng)中核電等穩(wěn)定供電電源和風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源所占比例日益增大，電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，尤其是夜間頻率控制變得更為困難[1-3]。當(dāng)出現(xiàn)頻率波動情況時，定速抽水蓄能機(jī)組無法滿足電網(wǎng)快速、準(zhǔn)確進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)的要求。為此，連續(xù)可調(diào)抽水蓄能變速機(jī)組成為優(yōu)選方案之一[4-6]。

然而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)優(yōu)化規(guī)劃和調(diào)度研究未考慮抽水蓄能變速機(jī)組特性對規(guī)劃模型、調(diào)度策略及算法的影響。同時，對于抽水蓄能雙饋電機(jī)交流勵磁控制技術(shù)與調(diào)速器兩者之間的聯(lián)合協(xié)調(diào)控制，故障策略保護(hù)技術(shù)等方面研究也較少。因此非常有必要對相關(guān)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行研究，保證抽水蓄能變速機(jī)組參與電網(wǎng)有功功率準(zhǔn)確有效，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更有力的保障。

1 抽水蓄能變速機(jī)組工作原理和優(yōu)勢

與定速機(jī)組轉(zhuǎn)子直流勵磁相比，抽水蓄能變速機(jī)組轉(zhuǎn)子采用交流勵磁，轉(zhuǎn)子上采用三相對稱分布的勵磁繞組，由幅值、頻率、相位以及相序任意可調(diào)的變頻器提供勵磁[7]。

轉(zhuǎn)子繞組通以頻率為f2的對稱交流電，在電機(jī)氣隙中就會產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的磁場，其轉(zhuǎn)速為Nr，轉(zhuǎn)速與勵磁電流頻率滿足式（1）：

式中 p——電機(jī)極對數(shù)。

要產(chǎn)生恒定電磁轉(zhuǎn)矩，定、轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁場轉(zhuǎn)速必須相同。即交流勵磁產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場加上轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速N等于定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即同步轉(zhuǎn)速Ns，見式（2）：

式（2）中正負(fù)表示Nr與N轉(zhuǎn)向相同或相反。相同時，取正，N小于Ns，稱為欠同步運(yùn)行；相反時，取負(fù)，N大于Ns，稱為超同步運(yùn)行。

將式（2）代入式（1），得式（3）：

可知，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速N變化，通過調(diào)節(jié)f2，使得從定子角度看上去的轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)速就可以保持恒定的同步轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)子交流頻率、幅值、相位可調(diào)的優(yōu)勢：

（1）水輪機(jī)工況水輪機(jī)的運(yùn)行范圍調(diào)節(jié)更加靈活。

可逆式水泵水輪機(jī)運(yùn)兩種工況的最高效率區(qū)不重合，通常按水泵工況為基礎(chǔ)進(jìn)行水力設(shè)計(jì)，以水輪機(jī)工況的要求來校核，因此一般水輪機(jī)工況不能在最優(yōu)運(yùn)行區(qū)運(yùn)行。相比定速機(jī)組，可變速機(jī)組可在滿足相應(yīng)水頭和要求的出力下，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開度，保持最高效率，即使水輪機(jī)工況在出力一定條件下發(fā)電需要的水最少，或水量相同條件下機(jī)組發(fā)出的功率更多。

（2）水泵工況可以快速地調(diào)節(jié)機(jī)組入力（軸功率）等。

定速抽蓄機(jī)組水泵工況額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，根據(jù)水泵特性曲線，對應(yīng)某個揚(yáng)程的輸入功率值限定在一個點(diǎn)，不能調(diào)節(jié)。由于可變速機(jī)組的水泵轉(zhuǎn)速可調(diào)，對應(yīng)某個揚(yáng)程，調(diào)整轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)輸入功率。水泵的入力與轉(zhuǎn)速的三次方成正比，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高10%或降低10%時，相應(yīng)的水泵入力增大33.1%或減小27.1%。因此水泵工況電網(wǎng)頻率變化時，變速機(jī)組具有自動調(diào)整輸入功率的能力，為電力系統(tǒng)提供頻率自動控制容量。

（3）實(shí)現(xiàn)有功、無功的快速調(diào)節(jié)機(jī)。

定速機(jī)組其勵磁調(diào)節(jié)大多數(shù)采用直流勵磁，通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)同步發(fā)電機(jī)的無功功率，達(dá)到電網(wǎng)的要求。變速電機(jī)的勵磁電流幅度可調(diào)，因此機(jī)組吸收或發(fā)出無功分量可以調(diào)節(jié)，功率因數(shù)也可調(diào)整，還可實(shí)現(xiàn)深吸無功穩(wěn)定運(yùn)行。變速機(jī)組的勵磁電流相位可調(diào)，可使得發(fā)電狀態(tài)的電磁調(diào)節(jié)過程快速完成，從而可快速調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)電壓或無功。

（4）具有一定程度的異步運(yùn)行能力，有利于電網(wǎng)穩(wěn)定性。

變速機(jī)組具有一定程度的異步運(yùn)行能力，它通過相位控制可獲得快速有功功率響應(yīng)，因?yàn)楸瘸Ｒ?guī)同步電機(jī)具有較好的穩(wěn)定運(yùn)行性能，有利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高。即使機(jī)組失步以后，變速機(jī)組也較易于再同步。

（5）在水泵工況下可實(shí)現(xiàn)自啟動。

定速抽水蓄能機(jī)組的起動方式通常為：定子外接變頻器變頻啟動方式為主，背靠背作為備用方式。而變速機(jī)組則能實(shí)現(xiàn)自啟動，具體起動方式為：在水泵工況啟動前，先通過隔離開關(guān)短路定子回路，并通過定子回路中串聯(lián)電阻提高啟動轉(zhuǎn)矩。起動過程中，交流勵磁系統(tǒng)的輸出頻率逐漸變化，故變速機(jī)組能實(shí)現(xiàn)平滑啟動。

目前，全世界變速抽水蓄能機(jī)組應(yīng)用臺數(shù)最多的是日本，如額定轉(zhuǎn)速600r/min的小丸川電站機(jī)組，容量為475MVA/460MW的葛野川電站機(jī)組，投運(yùn)時間超過20年的大河內(nèi)電站機(jī)組和奧清津電站二期機(jī)組（1996 年投運(yùn)）。歐洲也是可變速機(jī)組的集中應(yīng)用之地，如德國Goldisthal抽水蓄能電站、斯洛文尼亞的AVCE抽水蓄能電站，分別安裝了2臺331MVA、1臺195MVA的可變速機(jī)組。抽水蓄能變速機(jī)組運(yùn)行優(yōu)越性顯著，對提高電網(wǎng)電能品質(zhì)作用明顯。我國的抽水蓄能電站建設(shè)進(jìn)入快車道，但對變速抽水蓄能機(jī)組的建設(shè)應(yīng)用缺乏研究。

2 抽水蓄能變速機(jī)組應(yīng)用技術(shù)

2.1 容量配比和運(yùn)維成本分析

僅從機(jī)組性能和運(yùn)行效果來看，最優(yōu)的配比方案應(yīng)該是全部建設(shè)抽水蓄能變速機(jī)組。但我國電網(wǎng)規(guī)模較大，區(qū)域電網(wǎng)之間的連接相對較強(qiáng)，電網(wǎng)之間、網(wǎng)內(nèi)各類電源之間的互補(bǔ)性較強(qiáng)，少量的變速機(jī)組投入大的電網(wǎng)中，很難體現(xiàn)出變速機(jī)組的優(yōu)越性能，同時在變速機(jī)組建設(shè)成本較高的事實(shí)之下，不可能也沒必要全部建設(shè)變速機(jī)組[8]。

利用模擬軟件建立各類型區(qū)域的抽水蓄能變速機(jī)組運(yùn)行效益評估模型，進(jìn)行定量的實(shí)證分析，得到現(xiàn)有2030年電力規(guī)劃方案下各區(qū)域科學(xué)合理的抽水蓄能變速機(jī)組容量在抽水蓄能機(jī)組中的配置比例。某一容量配比下的抽水蓄能變速機(jī)組使用該容量配比情景下的電力系統(tǒng)總費(fèi)用與無變速機(jī)組情景下的電力系統(tǒng)總費(fèi)用之差來刻畫。

如圖1所示，華北區(qū)域、華東區(qū)域、西北區(qū)域使得系統(tǒng)運(yùn)行效益最優(yōu)的新建抽水蓄能變速機(jī)組容量配比大致為50%、70%、40%。通過對比可見，華東區(qū)域負(fù)荷峰谷差較大，對抽水蓄能機(jī)組的調(diào)峰需求也較為突出。西北區(qū)域負(fù)荷峰谷差較小，負(fù)荷較為平穩(wěn)，因此利用抽蓄電站進(jìn)行調(diào)峰填谷的需求不大。當(dāng)?shù)陀谧罴讶萘颗浔葧r，當(dāng)抽水蓄能變速機(jī)組容量逐步增加時，體現(xiàn)出明顯的削峰填谷作用，系統(tǒng)調(diào)峰需求減小，火電等常規(guī)機(jī)組利用率提高，發(fā)電量與發(fā)電煤耗均有所下降，燃料成本與變動運(yùn)行費(fèi)用明顯降低，對變速機(jī)組容量配比增加帶來的投資增加抵消效果明顯。當(dāng)抽水蓄能變速機(jī)組容量配比超過最佳容量配比，抽水蓄能削峰填谷的空間明顯減弱，系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用的減少量逐步放緩，其抵消變速機(jī)組容量配比增加帶來的投資增加作用越來越不明顯。

圖1 不同區(qū)域各配比情景運(yùn)行效益（a）2030年華北區(qū)域各配比情景運(yùn)行效益；（b）2030年華東區(qū)域各配比情景運(yùn)行效益；（c）2030年西北區(qū)域各配比情景運(yùn)行效益Figure 1 Operational benefits versus ratio in different regions

抽水蓄能電站的運(yùn)維成本費(fèi)用主要是由外購原材料和燃料動力費(fèi)、修理費(fèi)、工資及福利費(fèi)等組成[9]，而修理費(fèi)占運(yùn)行維護(hù)費(fèi)的87%。修理費(fèi)包括修理費(fèi)、設(shè)備檢測費(fèi)、委托運(yùn)維費(fèi)等。變速機(jī)組運(yùn)行后的運(yùn)維檢修對象與定速機(jī)組基本一致，最大的區(qū)別在于變速機(jī)組轉(zhuǎn)子采用雙層繞組、勵磁變頻裝置較大，從而導(dǎo)致相應(yīng)的檢修內(nèi)容有所增加。我國目前尚無連續(xù)調(diào)節(jié)變速機(jī)組的建設(shè)、運(yùn)行、管理經(jīng)驗(yàn)，缺少抽水蓄能變速機(jī)組的實(shí)際運(yùn)維成本數(shù)據(jù)。目前通過調(diào)研同時擁有定速機(jī)組與變速機(jī)組配置的日本奧清津、德國Goldisthal抽蓄電站的運(yùn)行狀況，變速機(jī)組與定速機(jī)組的運(yùn)維成本并無明顯差別。

2.2 調(diào)度策略和調(diào)用順序

圖2 變速機(jī)組與間歇性電源的配合調(diào)度策略與調(diào)度性能評價研究方法Figure 2 Research method for coordination scheduling strategy and scheduling performance evaluation of variable speed unit and intermittent power supply

2.2.1 調(diào)度策略研究

我國電網(wǎng)實(shí)行五級調(diào)度：國、網(wǎng)、省、地、縣，抽水蓄能機(jī)組由網(wǎng)調(diào)或者省調(diào)直接調(diào)度[10，11]。相比常規(guī)定速機(jī)組，變速機(jī)組在電力調(diào)度系統(tǒng)中有利于促進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性，可有效降低電站啟停對局部電網(wǎng)的沖擊，有利于提高與可再生能源電源的契合度等優(yōu)勢。因此基于變速機(jī)組的作用，對含變速機(jī)組與風(fēng)電、太陽能發(fā)電等間歇性電源的配合調(diào)度策略與調(diào)度性能評價進(jìn)行研究，方法如圖2所示。首先對間歇性電源不確定性進(jìn)行處理：對于風(fēng)電，風(fēng)機(jī)與風(fēng)機(jī)間相對位置、風(fēng)機(jī)所在地氣溫、濕度、地表等地理因素帶來的預(yù)測誤差分布可能不同。對于光伏發(fā)電，光伏陣列所在地區(qū)氣溫、濕度、云層、污穢程度等地理和氣象條件都會影響光伏發(fā)電的預(yù)測準(zhǔn)確度。根據(jù)中心極限定理，對于大量隨機(jī)因素影響導(dǎo)致的預(yù)測誤差可認(rèn)為其服從正態(tài)分布。利用誤差分布函數(shù)將間歇性電源預(yù)測出力離散化為一定數(shù)量的代表性出力場景。同時建立抽水蓄能變速機(jī)組處理模型：建立其水輪機(jī)工況與水泵工況運(yùn)行模型、上下水庫庫容模型和工況選擇約束。

接著將短期發(fā)電調(diào)度分解為2個階段：日前調(diào)度階段和時前調(diào)度階段，基于二階段決策理論，構(gòu)建含抽水蓄能電站的電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度模型并采用先進(jìn)的優(yōu)化算法如粒子群算法進(jìn)行求解，得到變速機(jī)組的調(diào)度策略。為進(jìn)一步化抽水蓄能電站產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等綜合效益，對電站的運(yùn)行情況進(jìn)行評價，構(gòu)建抽水蓄能參與電力系統(tǒng)調(diào)度性能評價模型，具體包含調(diào)度運(yùn)行評價、調(diào)度經(jīng)濟(jì)性評價、調(diào)度環(huán)境效益評價，最后進(jìn)行實(shí)證分析。

以三種情景實(shí)證分析為例，分別如表1～表3所示，分別給出了無抽蓄情景、定速抽蓄情景和變速抽蓄情景的棄風(fēng)棄光情況。

表1 逐時段棄風(fēng)棄光情況—無抽蓄情景Table 1 Gradual abandoned energy without pumped-storage power station

表2 逐時段棄風(fēng)棄光及抽蓄出力安排情況—定速抽蓄情景Table 2 Gradual abandoned energy with fixed speed pumped-storage power units

表3 逐時段棄風(fēng)棄光及抽蓄出力安排情況—變速抽蓄情景Table 3 Gradual abandoned energy with variable speed pumped-storage power units

經(jīng)分析，三種情景下棄風(fēng)棄光率分別為：24.2%、19.9%、16.9%。系統(tǒng)中沒有抽蓄時，受火電機(jī)組啟停調(diào)峰、低位運(yùn)行煤耗升高、棄風(fēng)棄光較多等因素影響，系統(tǒng)運(yùn)行成本最高。加入定速抽蓄后，系統(tǒng)運(yùn)行成本相比無抽蓄情景降低，主要由降低火電機(jī)組啟停次數(shù)、提高新能源消納能力和系統(tǒng)平均煤耗率下降帶來；將定速抽水蓄能機(jī)組替換為變速抽水蓄能機(jī)組后，系統(tǒng)在負(fù)荷低谷時段負(fù)荷跟蹤能力更為平滑，有效減少了棄風(fēng)棄光，改善了其他類型機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行成本相比定速抽蓄情景降低[12]。

2.2.2 調(diào)峰調(diào)用順序

常規(guī)煤電、常規(guī)水電、燃?xì)獍l(fā)電以及抽水蓄能電站是電力系統(tǒng)調(diào)峰資源的主要來源。由于調(diào)峰手段各自的特性和成本不同，需要針對不同系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建調(diào)峰資源調(diào)用決策模型，結(jié)合優(yōu)化理論，形成調(diào)峰資源調(diào)度決策工具和調(diào)用順序表，為系統(tǒng)的調(diào)峰調(diào)度提供理論支撐和參考。研究方法可采用以負(fù)荷持續(xù)爬坡事件為切入，通過以單位調(diào)節(jié)容量成本為關(guān)鍵指標(biāo)實(shí)現(xiàn)調(diào)峰手段的調(diào)用先后順序[13]。

有關(guān)結(jié)果表明在火電為主和清潔能源為主電力系統(tǒng)中，應(yīng)對負(fù)荷爬坡事件時，抽水蓄能電站與常規(guī)電源機(jī)組調(diào)用順序不完全固定。在負(fù)荷上爬坡事件中，一般在保障水電、風(fēng)電、光電優(yōu)先消納，尚有剩余空間時由常規(guī)電源機(jī)組發(fā)電來實(shí)現(xiàn)電力平衡，抽蓄以發(fā)電工況參與調(diào)用順序取決于抽蓄上一次抽水工況時電力來源成本與當(dāng)前對應(yīng)常規(guī)機(jī)組中發(fā)電成本的高低，若高過當(dāng)前常規(guī)機(jī)組發(fā)電成本就后調(diào)用，反之則先于對應(yīng)常規(guī)機(jī)組被調(diào)用。負(fù)荷爬坡事件同一時間清潔能源出力爬坡性質(zhì)相反時，抽水蓄能電站先于常規(guī)電源機(jī)組被調(diào)用參與調(diào)峰。負(fù)荷爬坡事件同一時間內(nèi)清潔能源出力爬坡幅度較大時，導(dǎo)致部分小容量常規(guī)電源機(jī)組反向爬坡參與調(diào)峰，讓渡空間給清潔能源和大容量常規(guī)電源機(jī)組。爬坡事件中抽水蓄能機(jī)組往往優(yōu)于火電深度調(diào)峰被調(diào)用。

2.2.3 交流勵磁系控制及保護(hù)技術(shù)

抽水蓄能變速機(jī)組交流勵磁系統(tǒng)控制需與調(diào)速器控制協(xié)調(diào)，以滿足抽蓄變速機(jī)組不同工況機(jī)組的運(yùn)行方式及控制要求。

整個控制系統(tǒng)中存在三個被控對象：有功功率、無功功率以及電機(jī)轉(zhuǎn)速，而系統(tǒng)中可以調(diào)節(jié)的物理量則有變速電機(jī)轉(zhuǎn)子的電壓、電流（通過變換器調(diào)節(jié)）、頻率以及水輪機(jī)導(dǎo)葉的開度（通過水輪機(jī)控制器調(diào)節(jié)）。國內(nèi)南瑞集團(tuán)根據(jù)機(jī)組工作水頭和有功負(fù)荷功率，由機(jī)組運(yùn)行特性曲線計(jì)算出最優(yōu)轉(zhuǎn)速和最優(yōu)導(dǎo)葉開度信號，然后，導(dǎo)葉開度信號作用于調(diào)速器，通過交流勵磁調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速和有功功率。為了使抽水蓄能變速機(jī)組具有快速負(fù)荷響應(yīng)特性，調(diào)速器控制水輪機(jī)的導(dǎo)葉開度來實(shí)現(xiàn)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的粗調(diào)，而抽水蓄能變速機(jī)組交流勵磁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷和轉(zhuǎn)速的細(xì)調(diào)從而使機(jī)組處于負(fù)荷最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

保護(hù)技術(shù)方面，變速抽水蓄能機(jī)組應(yīng)配置完善可靠的反應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組相間短路、接地短路等故障的保護(hù)，以及反應(yīng)過頻、過電壓等異常狀態(tài)的保護(hù)功能。由于轉(zhuǎn)子側(cè)繞組電氣頻率是低頻，且持續(xù)變化，對轉(zhuǎn)子側(cè)電氣量互感器選型、保護(hù)測量算法等都提出新的要求。如常規(guī)電磁式電流互感器在頻率很低時可能出現(xiàn)嚴(yán)重的暫態(tài)飽和，傳變特性差，嚴(yán)重影響差動保護(hù)性能，甚至導(dǎo)致保護(hù)誤動，因此應(yīng)采用電磁特性滿足要求的電磁式互感器，或者采用電子式互感。同時，保護(hù)軟件上，應(yīng)采用與頻率無關(guān)的算法。

3 結(jié)束語

變速機(jī)組的抽水蓄能電站是一種高效、先進(jìn)的調(diào)峰調(diào)頻電源，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供更有力的保障，是電網(wǎng)發(fā)展到一定階段后電力系統(tǒng)管理的有效工具之一。國內(nèi)在抽水蓄能變速機(jī)組的應(yīng)用也已起步，在科學(xué)合理規(guī)劃、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、調(diào)用順序優(yōu)化、交流勵磁系統(tǒng)、控制和保護(hù)系統(tǒng)等相關(guān)技術(shù)方面逐步展開系統(tǒng)研究，并取得有效成果。此后，要以抽水蓄能電站快速建設(shè)為契機(jī)，針對我國國情和區(qū)域電網(wǎng)特點(diǎn)，進(jìn)一步推進(jìn)變速機(jī)組各項(xiàng)技術(shù)支撐建設(shè)，優(yōu)化抽水蓄能電站的服務(wù)使命。