馬小亮

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

（原名——天津電氣傳動(dòng)研究所）

抽水-發(fā)電機(jī)組是既能抽水又能發(fā)電的水電裝備。它主要用于抽水蓄能電站，是電網(wǎng)中重要的貯能設(shè)施，由上、下蓄水池、可逆水泵-水輪機(jī)和電機(jī)機(jī)組構(gòu)成，如圖1所示，主要任務(wù)是“削峰-填谷”：在電網(wǎng)需要電能時(shí)，水從上池流向下池，機(jī)組正轉(zhuǎn)按發(fā)電模式工作，向電網(wǎng)送能；在電網(wǎng)有多余電能時(shí)，機(jī)組反轉(zhuǎn)按電動(dòng)抽水（水泵）模式工作，從電網(wǎng)吸取能量，水從下池返回上池。除抽水蓄能電站外，抽水-發(fā)電機(jī)組也用于調(diào)水工程。

圖1 變速抽水蓄能電站Fig.1 Variable-speed pumped-storage power plant

抽水蓄能電站是電網(wǎng)中重要的大功率蓄能設(shè)施，始于20世紀(jì)70年代，那時(shí)電機(jī)采用同步機(jī)并直接聯(lián)接至電網(wǎng)，恒速運(yùn)行。從20世紀(jì)90年代初起，隨著大功率電力電子4象限變頻技術(shù)的發(fā)展，為提高電能調(diào)控的快速性和靈活性，擴(kuò)展水輪機(jī)運(yùn)行范圍和提高效率，越來(lái)越多的抽水蓄能機(jī)組改為變速運(yùn)行。

20世紀(jì)80年代末潘家口水電站曾從ABB公司引進(jìn)一套90 MW的變速抽水蓄能機(jī)組，由于采用晶閘管電流型LCI變頻器，因諧波大引起電網(wǎng)振蕩而失敗，仍恒速運(yùn)行，LCI裝置只用來(lái)做水泵模式工作時(shí)的軟啟動(dòng)器。它嚴(yán)重影響了變速運(yùn)行在我國(guó)的推廣，后來(lái)我國(guó)建造了許多抽水蓄能電站，基本都恒速運(yùn)行?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)許多高校、研究機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)院都在開(kāi)展變速運(yùn)行的試驗(yàn)研究。引漢濟(jì)渭調(diào)水工程中三河口水電站采用的2套12 MW變速抽水-發(fā)電機(jī)組即將投運(yùn)，它的變頻器采用4象限H橋級(jí)聯(lián)變頻器。

本文第1節(jié)介紹了變速運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)[1]；第2節(jié)介紹兩種變速方案和它們的變頻器[1]；第3節(jié)介紹兩種變速運(yùn)行的控制策略。

1 變速運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn)

與恒速運(yùn)行機(jī)組相比，變速運(yùn)行機(jī)組除了能“削峰-填谷”外還有許多其它優(yōu)點(diǎn)。下面分別從電網(wǎng)和水電站兩方面介紹這些優(yōu)點(diǎn)。

1.1 變速運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)的好處

恒速運(yùn)行機(jī)組在發(fā)電時(shí)借助水輪機(jī)中的機(jī)電調(diào)速器通過(guò)改變導(dǎo)葉開(kāi)度（改變水流量）調(diào)節(jié)注入電網(wǎng)的功率，響應(yīng)慢；在電動(dòng)抽水時(shí)因轉(zhuǎn)速固定不能根據(jù)電網(wǎng)需要調(diào)節(jié)從電網(wǎng)抽取的功率。變速運(yùn)行機(jī)組在發(fā)電時(shí)除用調(diào)速器控制導(dǎo)葉開(kāi)度外，又增加了用變頻器控制電機(jī)的手段，可以通過(guò)改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)注入電網(wǎng)功率（把機(jī)組的動(dòng)能變?yōu)殡娔堋w輪效應(yīng)），響應(yīng)非?？欤A躍響應(yīng)時(shí)間僅0.2～0.3 s（幾乎瞬時(shí)）；在電動(dòng)抽水時(shí)可以根據(jù)電網(wǎng)需要通過(guò)改變轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)從電網(wǎng)抽取的功率。靈活和快速的功率調(diào)控能力對(duì)電網(wǎng)有如下好處：

1）快速吸收電網(wǎng)中的隨機(jī)功率擾動(dòng)，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性；

2）改善電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)能力，減小為穩(wěn)定電網(wǎng)頻率設(shè)置的備用發(fā)電機(jī)的數(shù)量及啟停次數(shù)；

3）風(fēng)和光伏等新能源發(fā)電的功率隨機(jī)變化且難預(yù)測(cè)，限制了它們?cè)陔娋W(wǎng)中的占有率，變速抽水蓄能機(jī)組的優(yōu)良功率調(diào)控性能可以提高新能源發(fā)電的占有率。

上述優(yōu)點(diǎn)主要針對(duì)大功率機(jī)組而言。對(duì)于獨(dú)立電網(wǎng)，中、小功率機(jī)組同樣能獲得良好效果，特別是它可以靠近負(fù)荷中心或新能源發(fā)電場(chǎng)，近年來(lái)備受關(guān)注。

1.2 變速運(yùn)行對(duì)水電站的好處

1）水輪機(jī)有最佳工作點(diǎn)（最高效率點(diǎn)），它是水頭、流量和轉(zhuǎn)速的函數(shù)。恒速運(yùn)行時(shí)水頭和流量偏離額定點(diǎn)導(dǎo)致效率降低，從而限制水頭和流量的允許工作范圍。變速運(yùn)行可以在較大水頭和流量變化時(shí)通過(guò)改變轉(zhuǎn)速提高效率，從而擴(kuò)大允許工作范圍。恒速運(yùn)行時(shí)最大和最小水頭變化率限制約為1.25，變速運(yùn)行時(shí)該變化率限制可擴(kuò)展至約1.45[1]。日本Okawachi抽水蓄能電站稱(chēng)它的400 MW變速運(yùn)行機(jī)組水力效率的改善可達(dá)10%，平均效率提高3%[1]，如圖2所示。低水頭和無(wú)水庫(kù)水電站流量變化范圍大，恒速運(yùn)行機(jī)組多采用機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜且昂貴的軸流轉(zhuǎn)槳水輪機(jī)，改用變速運(yùn)行可采用簡(jiǎn)單且便宜的軸流定槳水輪機(jī)+變頻器。

圖2 Okawachi抽水蓄能電站（400 MW）的水力效率與水頭關(guān)系Fig.2 Relation between hydro-efficiency and head of Okawachi pumped-storage power plant（400 MW）

2）恒速運(yùn)行電站在某些功率段會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的水壓波動(dòng)和振蕩問(wèn)題，采用變速運(yùn)行能顯著減小波動(dòng)和振蕩。圖3是日本Yagisawa抽水蓄能電站（85 MW）的示波圖[1]。圖3中，從上到下的波形依次為壓力鋼管水壓、尾水管水壓、主軸撓度、水輪機(jī)頂蓋震蕩。

圖3 Yagisawa抽水蓄能電站（85 MW）示波圖Fig.3 Waveforms of Yagisawa pumped-storage power plant（85 MW）

2 兩種電機(jī)變速方案和它們的變頻器

有兩種實(shí)現(xiàn)電機(jī)變速的方案：雙饋異步電機(jī)系統(tǒng)（DFIM）和變頻器供電同步電機(jī)系統(tǒng)（CFSM）。

2.1 雙饋異步電機(jī)系統(tǒng)（DFIM）

雙饋異步電機(jī)即繞線型異步電機(jī)，它的定子繞組直接聯(lián)接至電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子三相繞組經(jīng)滑環(huán)和電刷聯(lián)接至4象限變頻器，通過(guò)控制變頻器輸出頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)變速。在變頻器輸出電壓矢量和定子電壓矢量旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)耐剿傧蛏险{(diào)；在變頻器輸出電壓矢量和定子電壓矢量旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，轉(zhuǎn)速?gòu)耐剿傧蛳抡{(diào)。這種系統(tǒng)的變頻器功率等于電機(jī)最大轉(zhuǎn)差功率，電機(jī)調(diào)速范圍小時(shí)變頻器功率也小。通常變速抽水蓄能機(jī)組的轉(zhuǎn)速變化范圍約20%（±10%），變頻器額定容量一般不超過(guò)電機(jī)額定功率的20%[2]，這是該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)，使其成為大功率電站（≥100 MV·A）的首選。另外，變頻器的額定電壓按最大轉(zhuǎn)差時(shí)的轉(zhuǎn)子電壓選取，通常低于電網(wǎng)電壓（＜10 kV），給變頻器的選型提供了方便。

早期DFIM系統(tǒng)的變頻器多選用晶閘管交-交變頻器（cycloconverter）[2]，它輸岀頻率低、功率大、可靠、便宜。采用12脈波晶閘管交-交變頻器的系統(tǒng)示于圖4。這種系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：

圖4 采用12脈波晶閘管交-交變頻器的DFIM系統(tǒng)Fig.4 DFIM system based on 12 pulse thyristor cycloconverter

1）變頻器網(wǎng)側(cè)諧波和無(wú)功電流大，需加裝濾波和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備；

2）交-交變頻器的最高輸岀頻率小于1/3工頻，在電動(dòng)抽水時(shí)無(wú)法用它啟動(dòng)機(jī)組，需輔以軟啟動(dòng)器（功率約10%～20%電機(jī)額定功率，常用晶閘管LCI變頻器）。

近年來(lái)，隨著大功率高壓自關(guān)斷電力電子器件（IGCT和IEGT）以及基于它們的變頻技術(shù)的發(fā)展，電壓型中壓4象限變頻器倍受推崇。ALSTOM公司300 MV·A采用電壓型中壓4象限三電平變頻器的DFIM系統(tǒng)如圖5所示[2]，4套Converteam公司的MV-7000型10 MV·A/3 kV變頻器并聯(lián)工作，為減小變頻器網(wǎng)側(cè)電流諧波，4臺(tái)進(jìn)線變壓器移相7.5°。這種系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：

1）變頻器網(wǎng)側(cè)電流諧波小，功率因數(shù)可調(diào)或等于1，不需要濾波和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備；

2）電壓型中壓變頻器可以輸出工頻，在電動(dòng)抽水時(shí)不需要軟啟動(dòng)器，啟動(dòng)時(shí)圖5中開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)和S3接通，電機(jī)定子繞組短路，變頻器輸出頻率從0逐漸升至工頻，電機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)?升至同步轉(zhuǎn)速，然后斷開(kāi)S3和經(jīng)同期控制接通S2，定子并網(wǎng)。為避免頻率升高后轉(zhuǎn)子電壓太高，啟動(dòng)期間電機(jī)深度弱磁，在這個(gè)實(shí)例中電機(jī)弱磁至1/8額定磁場(chǎng)（機(jī)組靜阻轉(zhuǎn)矩小于2.5%）[2]。

圖5 采用電壓型中壓4象限三電平變頻器的DFIM系統(tǒng)Fig.5 DFIM system based on medium voltage 4Q 3-level freguency converter

DFIM系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下：

1）流過(guò)雙饋電機(jī)滑環(huán)和電刷的功率是轉(zhuǎn)差功率，遠(yuǎn)大于流過(guò)常規(guī)同步電機(jī)滑環(huán)和電刷的直流勵(lì)磁功率，以250 MW抽水蓄能機(jī)組為例[3]，流過(guò)雙饋電機(jī)滑環(huán)和電刷的電壓/電流為3 300 V/11.6 kA，流過(guò)常規(guī)同步發(fā)電機(jī)滑環(huán)和電刷的電壓/電流為360 V/1.6 kA。另外，雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子裝有三相繞組的隱極轉(zhuǎn)子，也比常規(guī)同步機(jī)的凸極轉(zhuǎn)子復(fù)雜。電機(jī)轉(zhuǎn)子復(fù)雜、昂貴及維護(hù)工作量大是DFIM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)；

2）電網(wǎng)發(fā)生短路、接地等故障時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組會(huì)感應(yīng)出高電壓并危及變頻器，必須在轉(zhuǎn)子側(cè)加裝晶閘管過(guò)壓保護(hù)器（見(jiàn)圖4和圖5），若采用電壓型變頻器還需在其直流母線上裝設(shè)防直流電壓過(guò)高的保護(hù)單元和電阻（見(jiàn)圖5），并且此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低壓穿越復(fù)雜、代價(jià)高。

2.2 變頻器供電同步電機(jī)系統(tǒng)（CFSM）

在CFSM系統(tǒng)中，常規(guī)同步電機(jī)定子經(jīng)全功率（100%）4象限變頻器接至電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子側(cè)接常規(guī)晶閘管直流勵(lì)磁裝置，通過(guò)改變定子頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)變速。

變頻器功率大且昂貴是CFSM系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)，它限制了該系統(tǒng)的應(yīng)用范圍（＜50 MW[1]或100 MW[2]）。另外，變頻器功率大，損耗也大，但可以從同步機(jī)效率比雙饋異步機(jī)高（同步機(jī)轉(zhuǎn)子損耗?。┑玫窖a(bǔ)償。

與DFIM系統(tǒng)相比，CFSM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）定子側(cè)頻率變化范圍大，可適應(yīng)更大水頭和流量變化范圍；

2）定子側(cè)頻率從0升至工頻時(shí)電壓從0升至電網(wǎng)電壓，電動(dòng)抽水工況的電機(jī)啟動(dòng)簡(jiǎn)單，不用弱磁和切換控制，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；

3）電機(jī)和電網(wǎng)被變頻器隔開(kāi)，電網(wǎng)的短路、接地等故障由變頻器常規(guī)保護(hù)措施處理，電機(jī)不受影響，實(shí)現(xiàn)低壓穿越簡(jiǎn)單且性能好；

4）在運(yùn)行于額定水頭附近，水輪機(jī)效率較高時(shí)，可以用高壓開(kāi)關(guān)旁路變頻器，電機(jī)直接聯(lián)接至電網(wǎng)，省去變頻器損耗，在變頻器故障時(shí)也可通過(guò)旁路維持機(jī)組恒速運(yùn)行；

5）如果4象限變頻器是電壓型VSC且其整流單元采用PWM控制，可快速和靈活控制注入電網(wǎng)的無(wú)功功率（從容性到感性），起靜止無(wú)功電流補(bǔ)償器（STATCOM）作用。

早期CFSM系統(tǒng)的變頻器多用晶閘管電流型LC變頻器[1]，它諧波大、功率因數(shù)差，諧波吸收和無(wú)功補(bǔ)償裝置復(fù)雜、龐大，且易引發(fā)電網(wǎng)振蕩。近年來(lái)隨著大功率自關(guān)斷電力電子器件及變頻技術(shù)的發(fā)展，多改用電壓型中壓變頻器（中壓VSC）。各種中壓VSC中首選4象限H橋級(jí)聯(lián)變頻器CHB，如圖6a，這是因?yàn)槠漭攲珉妷焊撸伞?0 kV）及功率大（數(shù)十至上百M(fèi)W）；電網(wǎng)側(cè)和電機(jī)側(cè)諧波小，不需要諧波吸收和無(wú)功補(bǔ)償裝置；多級(jí)功率單元串聯(lián)結(jié)構(gòu)使之可以在1或2個(gè)單元故障時(shí)通過(guò)旁路事故單元維持運(yùn)行，可靠性高。采用中壓VSC變頻器時(shí)，同步電機(jī)產(chǎn)生的無(wú)功功率不能通過(guò)VSC的中間直流母線到達(dá)電網(wǎng)，因此借助控制直流勵(lì)磁電流使電機(jī)在各種運(yùn)行工況下都維持功率因數(shù)等于1，勵(lì)磁功率比常規(guī)同步機(jī)小。

有專(zhuān)家建議建立地區(qū)性高壓直流電網(wǎng)HVDC[1]，把該地區(qū)所有常規(guī)發(fā)電、新能源發(fā)電、蓄能裝置及用電負(fù)荷都接在此網(wǎng)上，這時(shí)變速抽水發(fā)電站宜選用模塊化多電平變換器MMC，如圖6b，因?yàn)樗泄仓绷髂妇€。

3 兩種變速運(yùn)行系統(tǒng)的控制策略

恒速運(yùn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)速固定不變，只有一個(gè)控制手段——水輪機(jī)中調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度（調(diào)水流量）的機(jī)電調(diào)速器，用它控制一個(gè)目標(biāo)變量。準(zhǔn)備發(fā)電啟動(dòng)機(jī)組時(shí)，調(diào)速器通過(guò)調(diào)節(jié)水流量控制機(jī)組轉(zhuǎn)速，使之從0升至同步轉(zhuǎn)速，經(jīng)同期控制電機(jī)并網(wǎng)。發(fā)電工作期間，調(diào)速器根據(jù)電網(wǎng)需要調(diào)節(jié)輸送給電網(wǎng)的功率。抽水工作時(shí)該調(diào)速器調(diào)節(jié)抽水流量，電機(jī)功率不能根據(jù)電網(wǎng)需要調(diào)節(jié)。

除上述控制手段外，變速運(yùn)行系統(tǒng)又增加一個(gè)控制手段——變頻器，相應(yīng)控制目標(biāo)變量也增加一個(gè)，即變速運(yùn)行系統(tǒng)有兩個(gè)控制手段——機(jī)電調(diào)速器和變頻器，且有兩個(gè)控制目標(biāo)變量——功率和轉(zhuǎn)速（或?qū)~開(kāi)度）。那么問(wèn)題是應(yīng)該用誰(shuí)調(diào)誰(shuí)？解決辦法有兩種發(fā)電控制策略，方案1是變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速、調(diào)速器調(diào)節(jié)功率，方案2是變頻器調(diào)節(jié)功率、調(diào)速器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。電動(dòng)抽水也有兩種控制策略，方案1是變頻器調(diào)節(jié)功率，方案2是變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，兩個(gè)方案中調(diào)速器都調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度。與常規(guī)調(diào)速控制不同，抽水蓄能電站的任務(wù)是“削峰-填谷”，因此無(wú)論是發(fā)電還是抽水，控制系統(tǒng)的主設(shè)定都是電網(wǎng)所需的功率Pset。

3.1 發(fā)電控制策略

3.1.1 變頻器調(diào)轉(zhuǎn)速、調(diào)速器調(diào)功率[4]

該方案的控制框圖示于圖7。根據(jù)電網(wǎng)期望的功率Pset和水頭高度h計(jì)算最佳（水輪機(jī)效率最高）轉(zhuǎn)速期望值nset并送至變頻器輸入，變頻器的常規(guī)雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)系統(tǒng)確保機(jī)組實(shí)際轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定于此期望值。功率期望值Pset也送入調(diào)速器，它按功率控制模式工作，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度使注入電網(wǎng)的功率P等于期望值。

這種控制方法與常規(guī)水電站的控制非常相似，只是轉(zhuǎn)速不再固定在同步轉(zhuǎn)速，而是穩(wěn)定于期望轉(zhuǎn)速，可使用現(xiàn)有的通用電機(jī)調(diào)速變頻器并容易掌握。如果電站采用變頻器供電且同步電機(jī)系統(tǒng)（CFSM）有旁路的變頻器運(yùn)行工況，該控制方案在旁路前后的調(diào)速器控制方法不變，易為現(xiàn)場(chǎng)人員接受。

方案1的主要缺點(diǎn)是功率調(diào)節(jié)響應(yīng)慢，在轉(zhuǎn)速變化時(shí)功率反調(diào)。瑞士320 MW變速抽水蓄能機(jī)組的方案1仿真結(jié)果示于圖8[4]，仿真時(shí)功率期望值Pset突降20%，轉(zhuǎn)速期望值nset突降大于4%。變頻器控制的轉(zhuǎn)速變化快（4 s），調(diào)速器控制的導(dǎo)葉開(kāi)度變化慢，在降速期間機(jī)組旋轉(zhuǎn)部分減小的動(dòng)能（飛輪效應(yīng)）與水輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率疊加促使注入電網(wǎng)的功率P不降反升，功率反調(diào)對(duì)電網(wǎng)不利。在降速結(jié)束后飛輪效應(yīng)消失，功率P快速下降，經(jīng)超調(diào)20 s后趨于穩(wěn)定，響應(yīng)慢。減小nset變化率可以避免這種不良暫態(tài)過(guò)程，但會(huì)增加P到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。和恒速運(yùn)行系統(tǒng)類(lèi)似，電站中的水壓波動(dòng)和振蕩也會(huì)引起注入電網(wǎng)功率波動(dòng)和振蕩，這是該方案的另一缺點(diǎn)[5]，但既然和常規(guī)發(fā)電一樣，那么它不是要害問(wèn)題。

圖8 320 MW機(jī)組的方案1仿真結(jié)果Fig.8 Scheme 1 simulation results of 320 MW unit

綜上，方案1適合用于功率不大、功率調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)性能對(duì)電網(wǎng)影響小的電站。采用變速的出發(fā)點(diǎn)是獲取對(duì)水電站的好處（見(jiàn)第1.2節(jié)）。日本Yagisawa抽水蓄能電站（85 MW）采用該方案[6]。

3.1.2 變頻器調(diào)功率、調(diào)速器調(diào)轉(zhuǎn)速[4]

采用此方案的變速水力發(fā)電和變速風(fēng)力發(fā)電都是通過(guò)變頻器調(diào)功率使渦輪機(jī)工作于最高效率點(diǎn)，但因二者追求的目標(biāo)不同，故控制方法也不同。風(fēng)電追求輸出功率最大；抽水蓄能是按電網(wǎng)需求輸出功率，追求功率調(diào)節(jié)的靈活和快速。

方案2的控制框圖示于圖9[4]。電網(wǎng)期望的功率Pset送至變頻器輸入，變頻器功率閉環(huán)，它確保注入電網(wǎng)的實(shí)際功率P等于期望值，且與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)。根據(jù)期望功率Pset和水頭高度h計(jì)算最佳轉(zhuǎn)速期望值nset并送至調(diào)速器輸入，它按轉(zhuǎn)速控制模式工作，通過(guò)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度使機(jī)組轉(zhuǎn)速n等于期望值。

圖9 發(fā)電模式方案2控制框圖Fig.9 Scheme 2 control block diagram of power generation mode

方案2的主要優(yōu)點(diǎn)是功率調(diào)節(jié)響應(yīng)快。瑞士320 MW變速抽水蓄能機(jī)組的方案2仿真結(jié)果示于圖10[4]，與方案1的仿真一樣，功率期望值Pset突降20%，轉(zhuǎn)速期望值nset突降大于4%。變頻器的功率控制用電流控制環(huán)實(shí)現(xiàn)，階躍功率響應(yīng)非?？?，到達(dá)穩(wěn)態(tài)時(shí)間小于0.3 s（幾乎瞬時(shí)），對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定非常有利。另外，由于無(wú)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，注入電網(wǎng)功率與轉(zhuǎn)速波動(dòng)無(wú)關(guān)，電站中的水壓波動(dòng)和振蕩不影響功率[5]，這是該方案的另一優(yōu)點(diǎn)。

圖10 320 MW機(jī)組的方案2仿真結(jié)果Fig.10 Scheme 2 simulation results of 320 MW unit

方案2的主要問(wèn)題是功率快速變化引起大轉(zhuǎn)速反向超調(diào)。功率變化快，調(diào)速器控制的導(dǎo)葉開(kāi)度變化慢，在功率減小初期水輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械功率大于注入電網(wǎng)的功率P，轉(zhuǎn)速不降反升，引起轉(zhuǎn)速反向超調(diào)，圖10中的超調(diào)量近似等于nset的變化量。轉(zhuǎn)速超調(diào)導(dǎo)致電機(jī)電壓超調(diào)，對(duì)變頻器安全不利。另外，如果電站采用變頻器供電且同步電機(jī)系統(tǒng)（CFSM）有旁路的變頻器運(yùn)行工況，該控制方案在旁路前后的調(diào)速器控制方法不同，不易為現(xiàn)場(chǎng)人員接受。

轉(zhuǎn)速反向超調(diào)大問(wèn)題從兩方面解決[5]：1）限制Pset的階躍變化量小于10%～20%，以及在Pset變化范圍大時(shí)限制它的變化率；2）在控制系統(tǒng)中引入轉(zhuǎn)速限制環(huán)節(jié)，DFIM系統(tǒng)限制最高和最低轉(zhuǎn)速，CFSM系統(tǒng)只限制最高轉(zhuǎn)速。

采用雙饋電機(jī)+交-交變頻器DFIM系統(tǒng)的日本Okawachi抽水蓄能電站（400 MW）采用此發(fā)電控制方案，框圖示于圖11[5]。整個(gè)控制系統(tǒng)的主設(shè)定是電網(wǎng)期望的功率Pset，變頻器的功率控制由功率控制器和交-交變頻器實(shí)現(xiàn)。根據(jù)Pset和水頭h計(jì)算最佳轉(zhuǎn)速期望值并送至調(diào)速器，經(jīng)它的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和開(kāi)度控制器調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)。圖11中的閾值設(shè)定及拉回控制環(huán)節(jié)用以實(shí)現(xiàn)最高和最低轉(zhuǎn)速限制，在轉(zhuǎn)速超過(guò)閾值時(shí)減緩變頻器功率控制給定信號(hào)的變化。此電站的額定發(fā)電功率是331 MW，為避免轉(zhuǎn)速反向超調(diào)量過(guò)大，限制Pset的階躍變化量≤32 MW（約10%額定發(fā)電功率）。如果要求Pset的變化幅度大于此值，需限制其變化率，從0至額定值的變化時(shí)間約40 s。圖12是該電站示波圖，其中圖12a是Pset階躍變化32 MW波形，圖12b是Pset在0～320 MW間變化的波形[5]。

圖11 Okawachi抽水蓄能電站發(fā)電模式控制框圖Fig.11 Power generation mode control block diagram of Okawachi pumped-storage plant

圖12 Okawachi抽水蓄能電站發(fā)電模式示波圖Fig.12 Power generation mode waveforms of Okawachi pumped-storage power plant

綜上，方案2適合用于功率大、功率調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)性能對(duì)電網(wǎng)影響大的電站。采用此方案可以獲得對(duì)電網(wǎng)和對(duì)水電站兩方面好處（見(jiàn)第1節(jié)）。

3.2 電動(dòng)抽水（泵摸式）控制策略

常規(guī)變速水泵的控制關(guān)注節(jié)能效果，把控制流量的閥門(mén)開(kāi)至最大，通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來(lái)改變流量。與常規(guī)變速水泵不同，抽水蓄能電站的電動(dòng)抽水控制關(guān)注電網(wǎng)對(duì)功率的需求，要求電機(jī)從電網(wǎng)吸取“填谷”所需功率，電網(wǎng)期望功率Pset是整個(gè)控制系統(tǒng)的主設(shè)定。電站的電動(dòng)抽水也有兩種控制策略，方案1是變頻器調(diào)節(jié)功率，方案2是變頻器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，兩個(gè)方案中調(diào)速器都調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度。

3.2.1 變頻器調(diào)功率、調(diào)速器調(diào)導(dǎo)葉開(kāi)度[4]

抽水控制系統(tǒng)方案1的框圖示于圖13，根據(jù)機(jī)組轉(zhuǎn)速n和水頭h計(jì)算最佳（水輪機(jī)抽水效率最高）導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值yset，并送至調(diào)速器給定端，經(jīng)調(diào)速器開(kāi)度控制使導(dǎo)葉實(shí)際開(kāi)度y等于其設(shè)定值。瑞士320 MW裝置泵模式的導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值yset=yoptimumn，與單位轉(zhuǎn)速 n11的關(guān)系如圖14所示[4]，其計(jì)算如下式：

圖13 抽水模式控制系統(tǒng)方案1框圖Fig.13 Scheme 1 control block diagram of pump mode

圖14 320 MW裝置泵模式的yoptimumn=f(n11)Fig.14 yoptimumn=f(n11)of 320 MW unit for pump mode

式中：Dref為水輪機(jī)直徑。

此方案中變頻器按功率控制模式工作，通過(guò)電流控制環(huán)實(shí)現(xiàn)，階躍功率響應(yīng)非常快（幾乎瞬時(shí)），對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定有利。因無(wú)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，機(jī)組轉(zhuǎn)速n取決于水輪機(jī)特性，可能偏離估算值。

3.2.2 變頻器調(diào)轉(zhuǎn)速、調(diào)速器調(diào)導(dǎo)葉開(kāi)度[5]

日本Okawachi抽水蓄能電站（400 MW）采用此電動(dòng)抽水控制方案，框圖示于圖15。與方案1類(lèi)似，調(diào)速器也調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度，不同之處是此電站根據(jù)Pset和水頭h計(jì)算最佳導(dǎo)葉開(kāi)度設(shè)定值yset。Pset信號(hào)還送給最佳轉(zhuǎn)速計(jì)算環(huán)節(jié)，經(jīng)它算岀與從電網(wǎng)抽取期望功率對(duì)應(yīng)的期望轉(zhuǎn)速nset，借助轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制（外環(huán)），調(diào)節(jié)器輸岀ΔPset與Pset相加（功率前饋）后經(jīng)變頻器功率閉環(huán)控制（內(nèi)環(huán)）使實(shí)際功率P穩(wěn)定于Pset+ΔPset。該方案的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速控制外環(huán)能確保實(shí)際轉(zhuǎn)速n=nset，功率Pset前饋又促使功率響應(yīng)快。它的缺點(diǎn)是實(shí)際功率P可能偏離期望值Pset，因?yàn)閚set和yset依據(jù)廠家提供的水輪機(jī)特性算岀，實(shí)際特性可能有偏差。Okawachi抽水蓄能電站電動(dòng)抽水工況示波圖如圖16所示[5]，功率響應(yīng)很快且無(wú)轉(zhuǎn)速超調(diào)。

圖15 抽水模式控制系統(tǒng)方案2框圖Fig.15 Scheme 2 control block diagram of pump mode

圖16 Okawachi抽水蓄能電站電動(dòng)抽水模式示波圖Fig.16 Pump mode waveforms of Okawachi pumped-storage power plant

4 結(jié)論

1）抽水蓄能機(jī)組是電網(wǎng)中重要的貯能設(shè)施，任務(wù)是“削峰-填谷”。常規(guī)機(jī)組都恒速運(yùn)行，隨著變頻技術(shù)發(fā)展，越來(lái)越多的機(jī)組改為變速運(yùn)行。

2）變速運(yùn)行除能“削峰-填谷”外還有以下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)電網(wǎng)的好處——在發(fā)電和抽水運(yùn)行時(shí)都能根據(jù)電網(wǎng)需要快速、靈活地調(diào)控電能，改善電網(wǎng)穩(wěn)定性和提高新能源發(fā)電占有率；對(duì)水電站的好處——可以在較大水頭和流量變化時(shí)通過(guò)改變轉(zhuǎn)速提高效率、擴(kuò)大允許工作范圍及能減小水壓波動(dòng)和振蕩。

3）兩種變速方案：雙饋異步電機(jī)系統(tǒng)（DFIM）和變頻器供電同步電機(jī)系統(tǒng)（CFSM）。DFIM系統(tǒng)變頻器容量小（＜20%電機(jī)功率）及電壓低，是大功率電站首選，宜采用電壓型變頻器。它的缺點(diǎn)是：電機(jī)轉(zhuǎn)子復(fù)雜、昂貴及維護(hù)工作量大；電網(wǎng)故障時(shí)轉(zhuǎn)子繞組會(huì)感應(yīng)出高電壓并危及變頻器，需設(shè)置過(guò)壓保護(hù)。CFSM系統(tǒng)適合中小功率電站，因其變頻器容量按電機(jī)全功率選，電壓按電網(wǎng)電壓選，宜采用H橋級(jí)聯(lián)變頻器。其優(yōu)點(diǎn)為：頻率變化范圍大，能適應(yīng)更大水頭和流量變化范圍；抽水時(shí)電機(jī)啟動(dòng)簡(jiǎn)單；在水輪機(jī)效率較高或變頻器故障時(shí)，可旁路變頻器維持機(jī)組恒速運(yùn)行。

4）變速運(yùn)行電站有兩個(gè)控制手段——機(jī)電調(diào)速器和變頻器，因而在發(fā)電和抽水運(yùn)行時(shí)都有兩種控制策略。發(fā)電控制方案1——變頻器調(diào)轉(zhuǎn)速、調(diào)速器調(diào)功率，與常規(guī)水電站控制非常相似，適合用于功率不大、功率調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)性能對(duì)電網(wǎng)影響小的電站，采用變速的出發(fā)點(diǎn)是獲取對(duì)水電站的好處；方案2——變頻器調(diào)功率、調(diào)速器調(diào)轉(zhuǎn)速，適合用于功率大、功率調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)性能對(duì)電網(wǎng)影響大的電站，可以獲得對(duì)電網(wǎng)和對(duì)水電站兩方面好處。抽水控制方案1——變頻器調(diào)功率，方案2——變頻器調(diào)轉(zhuǎn)速，這兩個(gè)方案中調(diào)速器均調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開(kāi)度。