陳 超，汪衛(wèi)平，劉海濱，邱雪俊，陳 磊

（華東瑯琊山抽水蓄能有限責(zé)任公司，安徽省滁州市 239000）

0 引言

近年來，隨著風(fēng)電、光伏發(fā)電等間歇性可再生能源的大規(guī)模接入，在電網(wǎng)中所占比例日益增大，這給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提出了很大的挑戰(zhàn)[1]，電網(wǎng)頻率控制尤其是夜間頻率控制變得更加困難[2-3]。電網(wǎng)頻率控制的高要求與頻率控制手段匱乏特別是精細(xì)化控制手段匱乏形成一對矛盾。

抽水蓄能電站在調(diào)峰填谷、保障電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行方面作用突出[4-5]，但傳統(tǒng)的定速抽水蓄能機(jī)組在水泵工況只能滿負(fù)荷抽水，不能根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，因此無法滿足電網(wǎng)快速、準(zhǔn)確進(jìn)行電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的要求。而可變速機(jī)組與定速機(jī)組相比，最大的區(qū)別在于機(jī)組能在額定同步轉(zhuǎn)速附近的一定范圍內(nèi)無級變速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)抽水功率可調(diào)，無論是提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平還是提高資源利用率，均具有現(xiàn)實(shí)意義。

變速抽水蓄能機(jī)組根據(jù)拓?fù)洳町惪梢苑譃槿β市秃碗p饋型兩種。前者通過背靠背交直流變流器接入電網(wǎng)，其變流器容量通常與機(jī)組容量相近。隨著大功率電力電子器件技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)變速抽水蓄能機(jī)組技術(shù)得到了很大的發(fā)展。文獻(xiàn)[6]研究了雙饋型變速抽水蓄能機(jī)組建模方法，重點(diǎn)分析了水輪機(jī)的模型。文獻(xiàn)[7]同樣基于雙饋型變速抽水蓄能機(jī)組提出基于PID控制的虛擬慣性控制策略。文獻(xiàn)[8]研究了全功率變速抽水蓄能機(jī)組平抑新能源功率波動控制方法。上述研究成果為變速抽水蓄能機(jī)組的理論和應(yīng)用研究提供了良好的基礎(chǔ)，但在變速抽水蓄能機(jī)組參與電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制策略方面還有待進(jìn)一步深入。

本文針對全功率變速抽水蓄能機(jī)組的快速調(diào)節(jié)特性，研究其用于提升電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性的綜合有功控制策略。首先，基于對全功率變速抽水蓄能機(jī)組的數(shù)學(xué)模型分析，在機(jī)電暫態(tài)仿真軟件DIgSILENT中搭建了100MW全功率變速抽水蓄能機(jī)組模型，并驗(yàn)證其有功功率快速調(diào)節(jié)特性。其次，針對變速抽水蓄能機(jī)組的快速調(diào)節(jié)能力，提出了全功率變速抽水蓄能機(jī)組參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)的綜合控制策略，包括參與電網(wǎng)正常一次調(diào)頻及緊急情況下有功—頻率控制策略。最后，基于搭建的典型電網(wǎng)模型，驗(yàn)證了本文所提出的有功綜合控制策略。結(jié)果表明：全功率變速抽水蓄能機(jī)組通過快速的功率調(diào)節(jié)和頻率響應(yīng)，能夠顯著提升系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定性。

1 全功率變速抽水蓄能機(jī)組數(shù)學(xué)模型

對于全功率變速抽水蓄能機(jī)組的并網(wǎng)變流器，目前也較多采用雙PWM背靠背式結(jié)構(gòu)，分別由網(wǎng)側(cè)逆變器和機(jī)側(cè)整流器組成。如圖1所示給出了全功率變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

1.1 水泵水輪機(jī)

發(fā)電工況下，水泵水輪機(jī)與常規(guī)水電機(jī)組的水輪機(jī)控制類似，通過導(dǎo)水葉開度的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)功率的調(diào)節(jié)，其數(shù)學(xué)模型如圖2所示。

圖1 全功率變速抽水蓄能機(jī)組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Figure 1 Topological structure of FSC-VSPS

圖2 水輪機(jī)模型控制框圖Figure 2 Control block diagram of hydraulic turbine model

而在電動工況下，水泵水輪機(jī)工作在水泵狀態(tài)，其入力與轉(zhuǎn)速呈三次方關(guān)系[9]，通過轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)水泵抽水功率的調(diào)節(jié)。

1.2 機(jī)側(cè)變流器

機(jī)側(cè)變流器直接與機(jī)組相連，其外環(huán)控制根據(jù)控制目標(biāo)的不同，可以分為有功類控制和無功類控制。對于有功類控制，通常采用定直流電壓控制，其主要目標(biāo)為控制機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器功率的平衡。而對于無功類控制，可采用定交流電壓控制，以維持機(jī)端電壓穩(wěn)定，其控制框圖如圖3所示。

圖3 機(jī)側(cè)變流器控制框圖Figure 3 Control block diagram of side converter

其中，VAC、VACref分別為機(jī)端母線電壓實(shí)測值、參考值；Vdc、Vdcref分別為直流母線電壓實(shí)測值、參考值。

1.3 網(wǎng)側(cè)變流器

網(wǎng)側(cè)變流器直接與外電網(wǎng)相連，與機(jī)側(cè)變流器類似，通過有功、無功解耦控制可以實(shí)現(xiàn)有功類控制和無功類控制，且在發(fā)電、抽水工況下可以實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。對于有功類控制，通常采用定有功功率控制，而對于無功類控制，可采用定交流電壓或定無功功率控制，其控制框圖如圖4所示。

其中，P、Pref分別為網(wǎng)側(cè)有功功率實(shí)測值、參考值；Q、Qref分別為網(wǎng)側(cè)無功功率實(shí)測值、參考值；VAC、VACref分別為交流母線電壓實(shí)測值、參考值。

圖4 網(wǎng)側(cè)變流器控制框圖Figure 4 Control block diagram of grid side converter

2 全功率變速抽水蓄能機(jī)組功率調(diào)節(jié)特性研究

基于上述基本控制理論，在DIgSILENT軟件中分別搭建全功率變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電和抽水工況下機(jī)電暫態(tài)模型，其容量為100MW，機(jī)端母線電壓為10.5kV，額定頻率為50Hz。下面分別基于發(fā)電工況、抽水工況仿真全功率變速抽水蓄能機(jī)組響應(yīng)功率調(diào)節(jié)指令情況。

2.1 發(fā)電工況

在正常運(yùn)行時，全功率變速抽水蓄能機(jī)組工作在發(fā)電工況，發(fā)電功率90MW，在0.5s發(fā)出功率指令由90MW階躍至100MW，其有功功率響應(yīng)曲線如圖5所示。可以看出，發(fā)電工況下，變速抽水蓄能機(jī)組功率響應(yīng)在0.1s左右即可達(dá)到目標(biāo)值。

圖5 發(fā)電工況有功功率響應(yīng)Figure 5 Active power response in generating mode

2.2 抽水工況

在正常運(yùn)行時，泵功率為滿功率抽水100MW，在0.5s發(fā)出功率指令由100MW下階躍至90MW，其有功功率響應(yīng)曲線如圖6所示?？梢钥闯?，抽水工況下，全功率變速抽水蓄能機(jī)組功率響應(yīng)在0.1s左右即可達(dá)到目標(biāo)值。

由上述分析可知，全功率變速抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電、抽水兩種工況下均具備快速功率響應(yīng)能力，且通過電力電子接口可實(shí)現(xiàn)非同步轉(zhuǎn)速運(yùn)行，提高機(jī)組在不同水頭、流速下的運(yùn)行效率。

3 參與電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)控制策略研究

3.1 參與電網(wǎng)一次調(diào)頻控制

對于常規(guī)機(jī)組，如運(yùn)行在泵工況，其輸出功率無法響應(yīng)電網(wǎng)頻率變化。相比于常規(guī)抽水蓄能機(jī)組，全功率變速抽水蓄能機(jī)組在發(fā)電、抽水工況下均具備快速響應(yīng)能力[9-10]，且實(shí)現(xiàn)了輸出功率與電網(wǎng)頻率的解耦控制，因此，可以很好地應(yīng)用于參與大電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)，提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

圖6 抽水工況有功功率響應(yīng)Figure 6 Active power response in pumping mode

通過對外環(huán)功率控制指令進(jìn)行附加控制，提出基于全功率變速抽水蓄能機(jī)組的有功—頻率控制策略，其控制框圖如圖7所示。附加功率控制指令滿足由式（1）得到：

其中，fref、f、Δf分別為電網(wǎng)頻率基準(zhǔn)值、測量值、頻率偏差量，db為死區(qū)環(huán)節(jié)輸出，Kd、KdrooP分別為虛擬慣性系數(shù)、頻率下垂控制系數(shù)。由于采用電力電子接口并網(wǎng)，全功率變速抽水蓄能機(jī)組無法對電網(wǎng)提供慣性支撐，因此，通過添加虛擬慣性控制環(huán)節(jié)，使全功率變速抽水蓄能機(jī)組具備一定的慣量支撐能力。

圖7 一次調(diào)頻控制框圖Figure 7 Primary frequency control block diagram

3.2 參與電網(wǎng)緊急頻率控制

對于一些分層分區(qū)相對明確的地區(qū)電網(wǎng)，一旦500kV主變壓器出線N-2或者進(jìn)線故障，可能造成局部孤網(wǎng)的現(xiàn)象，引起局部電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定問題。為了維護(hù)緊急情況下的系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，常規(guī)的第三道防線控制措施主要包括主動解列、負(fù)控系統(tǒng)快速減負(fù)荷、優(yōu)化全網(wǎng)低頻減載配置等措施，降低大面積停電風(fēng)險。

基于以上背景，本文提出全功率變速抽水蓄能機(jī)組參與電網(wǎng)緊急頻率控制策略。

在發(fā)電運(yùn)行工況下，如果頻率跌落到一定邊界（如49.9Hz）時，開始發(fā)電機(jī)功率的快速調(diào)節(jié)，增加變速抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電機(jī)功率至最大水平，如果頻率繼續(xù)下降則維持最大功率，如果頻率恢復(fù)，發(fā)電機(jī)功率也恢復(fù)到故障前水平，如果頻率高于50.1Hz，則將發(fā)電機(jī)功率降低至最小功率，經(jīng)ts延時后，如果頻率恢復(fù)，同時也將功率恢復(fù)至故障前水平。如果頻率繼續(xù)升高，則在高周切機(jī)第一輪次（50.6Hz）直接切除機(jī)組。因此，在緊急情況下，考慮首先通過變速抽水蓄能機(jī)組的快速調(diào)節(jié)，對電網(wǎng)提供支撐。結(jié)合變速抽水蓄能機(jī)組功率調(diào)節(jié)后系統(tǒng)的頻率情況，進(jìn)一步判斷是否需要切機(jī)或切泵。其控制策略如圖8所示。

圖8 發(fā)電工況緊急頻率控制策略Figure 8 Emergency frequency control strategy in generating mode

在泵運(yùn)行工況下，如果頻率跌落到一定邊界（如49.9Hz）時，開始負(fù)荷功率的快速調(diào)節(jié)，降低變速抽水蓄能機(jī)組的負(fù)荷至最小負(fù)荷水平，如果頻率繼續(xù)下降至低頻減載第一輪次，如49Hz，則直接將泵切除。如果頻率高于50.1Hz，則將泵功率增加至最大功率，經(jīng)ts延時后，如果頻率恢復(fù)，同時也將功率恢復(fù)至故障前水平。如果頻率沒有恢復(fù)，則維持泵運(yùn)行的最大功率。其控制策略如圖9所示。

4 算例仿真

4.1 算例介紹

基于DIgSILENT/PowerFactory軟件，搭建含100MW全功率變速抽蓄機(jī)組的地區(qū)電網(wǎng)仿真模型，其單線圖如圖10所示。該電網(wǎng)包含1個容量120MW的雙饋風(fēng)電場。全功率變速抽蓄機(jī)組可工作于發(fā)電、抽水2種工況。

圖9 抽水工況緊急頻率控制策略Figure 9 Emergency frequency control strategy in pumping mode

圖10 測試系統(tǒng)單線圖Figure 10 Single line diagram of test system

4.2 發(fā)電工況

正常情況下，變速抽水蓄能機(jī)組工作于發(fā)電工況，發(fā)電功率為80MW，分別驗(yàn)證上述控制策略的有效性。

第2s時刻系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷階躍（突增70MW），分別仿真變速抽水蓄能機(jī)組在有、無一次調(diào)頻功能情況下系統(tǒng)頻率響應(yīng)情況，如圖11所示?？梢钥闯?，通過變速抽水蓄能機(jī)組的快速調(diào)節(jié)，能夠顯著提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

圖11 發(fā)電工況系統(tǒng)頻率響應(yīng)對比Figure 11 System frequency response comparison in generating mode

圖12 發(fā)電工況系統(tǒng)頻率響應(yīng)對比Figure 12 System frequency response comparison in generating mode

進(jìn)一步地，仿真系統(tǒng)第2s發(fā)生負(fù)荷跳閘故障（損失功率90MW），基于上述緊急頻率控制策略，需采用快速回降發(fā)電功率并最終切機(jī)。下面分別仿真比較以下3種情況下系統(tǒng)頻率響應(yīng)情況：

（1）無措施；

（2）僅快速回降發(fā)電功率；

（3）快速回降發(fā)電功率+切機(jī)。

系統(tǒng)頻率曲線如圖12所示?？梢钥闯?，采用綜合頻率控制策略，能夠顯著提升系統(tǒng)發(fā)生大擾動情況下的頻率穩(wěn)定性。而采用僅回降發(fā)電功率措施下，系統(tǒng)恢復(fù)頻率較高，需要進(jìn)一步采取切除其他常規(guī)機(jī)組等措施。

4.3 抽水工況

正常情況下，變速抽水蓄能機(jī)組工作于抽水工況，發(fā)電功率為80MW，分別驗(yàn)證上述控制策略的有效性。

第2s時刻系統(tǒng)發(fā)生負(fù)荷跳閘（功率50MW），分別仿真變速抽水蓄能機(jī)組在有、無一次調(diào)頻功能情況下系統(tǒng)頻率響應(yīng)情況，如圖13所示?？梢钥闯?，通過變速抽水蓄能機(jī)組的快速調(diào)節(jié)，能夠顯著提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性。

圖13 抽水工況系統(tǒng)頻率響應(yīng)對比Figure 13 System frequency response comparison in pumping mode

進(jìn)一步地，仿真系統(tǒng)第2s發(fā)生機(jī)組跳閘故障（損失功率120MW），基于上述緊急頻率控制策略，需采用快速回降抽水功率并最終切泵。下面分別仿真比較以下3種情況下系統(tǒng)頻率響應(yīng)情況：

（1）無措施；

（2）僅快速回降抽水功率；

（3）快速回降抽水功率+切泵。

系統(tǒng)頻率曲線如圖14所示?？梢钥闯觯捎镁C合頻率控制策略，能夠顯著提升系統(tǒng)發(fā)生大擾動情況下的頻率穩(wěn)定性。而采用僅回降抽水功率措施下，系統(tǒng)恢復(fù)頻率較高，需要進(jìn)一步采取切負(fù)荷等其他措施。

圖14 抽水工況系統(tǒng)頻率響應(yīng)對比Figure 14 System frequency response comparison in pumping mode

5 結(jié)束語

本文研究了利用全功率變速抽水蓄能機(jī)組提升系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的有功綜合控制策略?；跍y試系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證結(jié)果表明：全功率變速抽水蓄能機(jī)組具備快速功率響應(yīng)能力，可有效提升系統(tǒng)在不同程度擾動下的頻率穩(wěn)定性。