王英伟 赵人正 于爽 贺重阳 王运昌
河北丰宁抽水蓄能有限公司 河北承德067000
摘要：科技的进步，促进人们对能源需求的增多。随着大量风能、太阳能等间歇性可再生能源并网发电运行，基于大容量电能存储技术的电力平衡控制已成为电网安全稳定运行与控制的迫切需求。抽水蓄能电站具有调峰、填谷、调频及事故备用等功能，是当前解决电力系统调峰问题以及确保系统安全稳定运行的最为经济有效的手段之一。由于定速抽水蓄能机组抽水工况只能采取“开机—满负荷—停机”控制方式，无法满足电网连续、快速、准确进行频率调节和调整有功功率的要求。对此，变速抽水蓄能机组是解决问题的优选方案。变速抽水蓄能机组具有一定程度的异步运行能力，通过相位、幅值控制可获得快速有功功率和无功功率响应，有利于电力系统稳定运行。本文就可变速抽水蓄能机组水泵工况起动方式展开探讨。
关键词：可变速；水泵水轮机；能量特性；能量效益；功率调节；新能源
引言
近年来风电、太阳能等新能源大量装机、并网发电，其发电功率的随机性、波动性和间歇性使电网的稳定性受到了极大挑战。可变速抽水蓄能机组可最大限度平抑新能源并网给电网带来的功率波动，极大提高电网稳定性，是节能耗、稳波动、增效益最有效的设备之一。
1变速机组的原理概述
变频交流励磁调速系统由水泵-水轮机、发电-电动机、变频器、控制系统组成。其中发电-电动机和变频器不同于常规同步电机的发电-电动机和变频器，发电-电动机为隐极转子，具有与定子绕组一样的三相分布励磁绕组。变频器输出三相，低频大电流馈电发电-电动机励磁用的转子绕组，系统的组成如图1所示。当绕组通三相励磁电流时，即使转子是在机械静止的条件下，也产生旋转磁场。当机械转、定子电压频率、交流电流频率的百分数分别定义为Km、K1、K2，可给出等式：Km+K2=K1；这就意味着机械转速加上交流电流频率等于电网同步转速。机械转速不依赖于电网频率，是整个发电-电动机和水泵-水轮机和输出能量平衡的结果。当水轮机输出和发电机输出平衡时，转速稳定。如果水轮机输出比发电机输出大时，转速就会增大，其中发电机输出可由励磁系统控制。励磁系统可连续控制励磁电流频率以平衡K1和Km之差，这就是变频交流励磁调速的基本原理。控制系统不仅能控制有功和无功功率，还能控制机组转速，在每个工况下通过数字微处理器获得最佳值对其进行控制。
2起动方式
对于可变速抽水蓄能机组，水泵工况中双馈电机的起动是其关键技术问题。对于恒速抽水蓄能机组，通常采用背靠背或SFC起动方式。背靠背起动是通过其它机组起动，且无法起动最后一台机组；SFC起动需提供一套专用变频器。对于可变速抽水蓄能机组则能实现自起动，且由于励磁频率能够连续变化，因此能实现平滑起动。目前针对双馈电机起动方式主要有：定子侧起动、转子侧起动、定子侧整流起动、双侧变频器起动等几种方式。
3运行工况转换控制流程
变速抽水蓄能机组的运行状态分为稳定运行工况、暂时运行工况和特殊运行工况。稳定运行工况包括：停机态、空转态、空载（旋转备用）态、发电态、发电调相态、抽水调相态和抽水态七种工况。暂时运行工况包括：中转停机态和旋转态两种工况。黑启动为特殊运行工况。根据变速抽水蓄能机组运行工况转换控制设计原则，稳定运行工况和特殊运行工况作为操作目标，暂时运行工况则不能作为操作目标。由于各工况转换控制流程中有部分设备控制操作是相同的，因此可将工况转换控制流程进一步细化，分解成独立的子控制流程模块，这样将变速抽水蓄能机组运行工况转换控制流程模块化，每种工况转换流程就可由稳定运行工况、暂时运行工况和特殊运行工况之间的转换控制流程组成，从而降低各工况转换控制流程的复杂性和编程工作量，提高控制流程的执行效率和灵活性。
4水泵工况能量效益
定转速抽水蓄能电站在调节新能源功率，降低弃风、弃光率方面已有较大贡献。例如，辽宁蒲石河抽水蓄能电站夜间利用电网内风电所发电力抽水储能，白天再利用储存的水能并网发电，风能得到充分利用，降低了弃风率。华东地区风能和太阳能资源丰富，且用电量较大，当地抽水蓄能电站为了充分利用新能源，同时满足吸收新能源发电功率的需求和当地用电需求，通常一天之内多次抽水和发电，对降低弃风、弃光率，节能减排具有不可替代的作用。然而由于上一节所讲的原因，定转速水泵水轮机不能灵活的调节电网的功率波动和需求，使得常规定速抽水蓄能电站的静态效益和动态效益均大打折扣。可变速抽水蓄能电站水泵水轮机的调节能力极大提高，可以增强吸纳电网中随机、波动、瞬时功率的灵活性，更加充分安全的利用新能源，进一步降低弃风、弃光率。从水泵特性角度分析，由于定速水泵水轮机水泵功率调节形式为一维线段，而可变速水泵水轮机水泵功率调节范围是由定速机的功率调节范围扩展而得，形成一个二维平面，因此两者水泵工况能量效益的关系可近似为：
式中：Evariable_p——可变速水泵水轮机水泵能量效益；Econstant_p——定速水泵水轮机水泵能量效益；k——定速与可变速水泵水轮机水泵能量效益关系系数。综上由式（1）可知，可变速水泵水轮机水泵工况的功率调节幅度，即能量效益，与定速机的平方成正比，能量效益显著提高。
5变速机组的一次调频策略
一次调频功能是稳定电网频率的重要技术手段，而抽水蓄能机组县有快速且持久的一次调频能力，是保障电网稳定运行的宝贵资源。一次调频相当于控制系统的前馈作用，机组直接根据频率变化来调节发电负荷，响应速度快。（1）水泵工况下。固定转速的机组抽水工况下，因导叶开关时，电力损失与机械振动均较大，无法对电网的频率变化进行调节。而变速机组，在抽水工况下，同样可以自动跟踪电网频率的变化，通过调节机组转速，调节水泵的输入功率，使得水泵入力在85%~110%额定负荷范围内平滑的调节，从而对电网的频率产生一定调节作用。详细调节原理图见下，系统实时检测机组转速，换算成机组频率反馈，与50Hz频率设定值比较，计算出偏差，经过人工死区环节，输入PID调节环，再通过调差BP环节反馈，最终换算成相应的转速调整量输出，经过限制后转换为转速设定值，通过励磁系统将转速调节到相应值。（2）发电工况。常规定速抽水蓄能机组，其机组转速只能通过调速器来调节，励磁系统对机组转速无直接影响；而对于抽水蓄能变速机组，调速器可以通过调节导叶开度实现机组转速控制，交流励磁系统也可以通过快速改变励磁输出频率来对机组转速进行调节，需要对两者的相互影响、相互配合进行研究。当电力系统频率偏差超过设定死区时，通过改变导叶开度或机组转速，都可以起到类似一次调频的效果。通过改变转速和调节导叶开度的联合作用，使得机组的出力在一定范围内调整，即使频率偏差较大时，也可以使得机组在较优效率区运行，避免进入振动区。机组频率偏差，经过人工死区，输入PID调节环节后，再通过调差反馈环节，换算成相应的导叶调整量输出，经过限制后转换为导叶设定值，通过调速系统将导叶调节到相应位置。
结语
可变速抽水蓄能发电电动机因其具有良好的动态稳定性、快速功率响应、高运行效率、有功功率与无功功率独立调节、宽转速范围内连续平滑运行等特性，在未来抽水蓄能市场具有广泛的应用前景。
参考文献
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