含变速机组的抽蓄电站运行特性仿真研究文献综述

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文献综述（或调研报告）：

1. 引言
2. 发展背景

世界上第一台抽水蓄能发电机组于1882年在瑞士苏黎世建成，而在这一个多世纪中，抽水蓄能机组得到了快速的发展与应用^[1]。作为一种特殊的电源形式，抽水蓄能电站既可以调峰填谷、优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相和黑启动等动态功能，从而起到提高供电质量、保障供电安全、减少停电时间、降低环境污染等作用^[2]。

与传统的定速抽水蓄能机组不同，由于转速可调，变速抽蓄机组能参与电网频率自动控制。由于水泵输人功率与转速3 次方成正比, 转速有少量变化, 输人功率就会大幅度改变, 使抽水蓄能机组具有自动跟踪电网频率变化调整水泵水轮机输人功率的功能, 为电力系统提供相应的频率自动控制容量。日本分析统计得出, 在总装机容量11 000MW 的电力系统中投人800MW 的变速机组后, 系统频率控制在60Hzplusmn;0.1Hz范围内的概率可从96.8% 提高到99.7% 。可见, 变速机组对提高电网的供电质量是很有效的^[3]。

1. 应用实例

在工程应用方面，国外对抽水蓄能机组的应用和研究领先国内，目前，日本是世界范围内抽水蓄能电站装机容量最大、装机比例最高的国家。日立与关西电力公司合作，在1987 年投运了世界上首台22 MW 交流励磁变速发电电动机，并于1993 年投运了400 MW 级的可变速抽水蓄能电站^[4]。此外，韩国、西班牙、法国、德国、意大利等国家的抽水蓄能电站装机比例也均接近或者超过5%， 美国抽水蓄能电站装机比例虽然只有2.2%，但其总装机容量仍处于世界领先水平。

表1 2010年国外抽水蓄能装机容量及年发电小时数

数据来源：国家电网公司《2012 年国际能源与电力统计手册》。

1. 变速抽水蓄能机组的构成

变速抽蓄系统的主要组成部分有交流励磁机组、机侧变流器、网测变流器、可逆水泵水轮机。其中，交流励磁机组的定子侧直接跟电网相连接，转子侧经机侧变流器整流成直流电压，再经网测变流器逆变成交流电压之后，与电网相连接。整个系统通过机侧和网侧的控制策略来完成发电和电动工况下的任务，如图1所示。

图1 变速抽蓄系统结构示意图

1. 可变速交流励磁机组

变速机组采用绕线结构，其原理与常规定速机组类似, 两者的区别表现在励磁方面, 常规定速电机的励磁电流频率不能自动调节,是由电机的转速来决定的, 而可变速机组的优势在于电机转子侧接有变频装置的励磁电源, 频率、相位及幅值都是可以调节的,通过调节和控制转子电流来实现定子侧功率的恒定输出^[5]。 其结构如图2所示。

图2 交流励磁可变速抽水蓄能机组结构示意图

交流励磁电机不仅能够提高水轮机在发电时的运行效率, 也可以增强在充电时水泵工况下的调频能力。通过控制系统的设计, 对有功和无功功率的调节来提高系统的动态稳定性。

1. 变流器

变速抽蓄系统的能量控制环节在于连接电机和电网的两个变流器环节的控制策略，该环节由一个三相交-交变流器组成，又因为所处位置不同分为机侧变流器和网侧变流器。两部分变流器采用不同的控制策略，机侧变流器采用定子电压定向控制来实现系统的功率解耦控制，网侧变流器采用电网电压定向控制来保持直流母线电压恒定。

目前，中高压四象限变流器还未形成一个统一的拓扑结构，其主要原因主要有两点: 一是电力电子器件限制了变频器的输出功率，如果需要大功率输出，则需要多个电力电子器件串并联才能得到，而器件串并联是一个技术难点; 二是复杂的拓扑结构增加了驱动及控制的难度。经过多年技术研究，行业中逐渐对中高压四象限变频器形成几个主流的拓扑结构，并分别在实际工程中投入使用。从变频器是否具有直流环节，将变频器拓扑结构分为交-直-交和交-交两大类,下面分别对这两类结构进行适用性分析^[6]。

1. 交-直-交变流器

图3是交-直-交类型变流器的拓扑原理图，它由2个完全相同的两电平电压源型变换器经过一个直流电容背靠背连接而成，其基本元件是可关断全控器件，由PWM 进行控制。变流器机侧变换器结构与网侧相同，输出电压、频率和相位均可调的三相交流电压。其主要作用为当电机在发电工况时，利用对定子磁链的矢量跟踪，实现对变速电机有功、无功的解耦控制，由于能直接控制电机的功角，因此变速电机能更快地抑制电网的有功振荡; 当电机在电动工况时，实现对转子转速的稳定控制。

图3 交-直-交变流器

1. 交-交变流器

交-交变流器是国外早期在交流励磁中采用的一种变流器，如图7 所示。早期的可关断功率器件的技术还不成熟，容量较小，因此研究人员设计出了采用成熟技术的晶闸管作为功率器件的交-交变换器，这种变换器采用晶闸管自然换流方式工作，其每一相由2 个输出相反的整流桥并联而成，分别输出正半波和负半波。这种结构的变流器最高输出频率是电网频率的1 /3 ～ 1 /2，在大功率低频范围有很大的优势^[6][7]。

图4 交-交变流器

1. 可逆水泵水轮机

在变速抽蓄系统中，可逆水泵水轮机充当的是将给定功率信号按照机器的机械特性转化成转矩信号的装置。可变速调速机组之所以能够调节功率，就是因为转速可以根据给定变化而相应的变化。为了研究方便，一般可忽略可逆水泵水轮机的损耗对转速的影响，只考虑输出转矩与转速之间的关系来建立模型^[8]。

1. 变速抽蓄系统的数学模型和控制策略
2. 交流励磁电机数学模型

交流励磁电机一般为绕线式感应电机结构。其中，定子绕组直接和电网相连，转子绕组则由变流器供电，通过机、网侧变流器和隔离变压器接入电网。电机定子侧选取电动机惯例，将转子侧各物理量折算至定子侧。在不考虑磁场饱和、磁滞损耗和涡流损耗的条件下，交流励磁电机在同步dq轴参考坐标系下的电压方程为^[9]：

（3.1）

磁链方程为：

（3.2）

式中，表示同步转速，s 为电机转差率，U 、I 、分别为绕组的电压、电流和磁链，R 、L分别为电阻和电感，下标 s 表示电机定子侧的值，r表示转子侧的值，为定、转子绕组之间的互感，下标d 、q表示该变量在同步旋转参考系下的 d轴分量和 q轴分量。

1. 变流器控制模型和控制策略

所谓功率解耦控制，即通过数学模型和公式运算将有功功率与无功功率间相互耦合的部分解开，分别单独控制。为了稳定控制有功和无功功率，必须对它们进行独立控制。通过调节转子绕组的电流和电压来控制双馈绕线转子感应发电机的定子有功和无功功率。所以，为了实现解耦控制，必须将有功和无功功率转化成带有定子电压和电流的表达式。我们通过将相关参数转化在dq坐标轴下进行分析^[10]~[13]。

图5 三相静止坐标系与两相旋转坐标系的变换

1. 机侧变流器的控制策略

机侧变流器详细的控制如图6所示：首先根据电机的定、转子电流电压,计算出定子磁链、定子有功、定子无功三个量, 同时要根据要求来确定定子有功、无功给定值和和。和均采用阶跃指令值，然后将与、与分别作差, 差值经过PI控制器，P、Q环最终得到的分别是和，另称为有功、无功分量的指令值。

在内闭环中分另与实际值、经过差值比较和PI调节后, 可以得到解耦项、 与、相加后得到的就是转子电压控制的指令值、。最后经过2r/3s变换, 得到的、、、就是转子电压指令值,它是与和是相对应的,到此定子有功、无功独立控制的过程完成^[14]。

在此过程中需要注意的是, 要调节必须要依据的给定值, 有与多上应的水泵水轮机输人机械功率的支持, 以免引起机械转矩和电磁转矩失衡。

根据dq坐标轴下的功率计算可知：

Ps为定子侧有功功率，Qs为定子侧无功功率。

带入(3.1),(3.2)可得出功率与电流之间的关系，最终可得闭环控制模型如图6。

图6 机侧变流器闭环控制模型

1. 网侧变流器的控制策略

网侧变流器为满足电力系统运行的需求，在直流侧采用定直流电压的控制方式。基于dq解耦的控制算法，网侧变流器控制系统可实现有功与无功的解耦控制，保证电网的正常运行。结构上，网侧变流器是基于电流控制的并网型电压源变流器，可灵活控制输出的Ｈ相电流。其工作原理是：由于电网电压恒定通过控制与变流器连接的滤波电感上的电流大小，使其跟踪指令电流的变化，从而使变流器经滤波后的输出功率能够随指令电流而成比例变化对于网侧变流器，发电和电动模式设计为四象限运行，有功功率和无功功率均可为正值或负值。只要采用如解耦的控制策略，发电和电动模式均可正常运行^[15]。

根据dq坐标轴下的功率计算可知：

因为电网电压向量与同步坐标系d轴重合，所以=0

同理得图7：

图7 网侧变流器闭环控制模型

1. 含变速抽蓄电站的运行特性分析

在建立了变速抽蓄机组模型之后，本设计还将通过建立小型电网模型来验证本系统的调节能力，通过直流电压控制抽水蓄能电站,利用直流电压波动调整抽水蓄能电站的运行速率和发电抽水总量。在此基础之上,提出了一种基于多端柔性直流输电系统的抽水蓄能电站和可再生能源发电系统的协同运行策略 ^[16]，从发电模式工况和电动模式工况两种运行状态下分析得出的结果，并通过与理论计算得出的数值对比来验证模型的正确性。

参考文献：

1. 罗莎莎,刘云,刘国中,聂金峰.国外抽水蓄能电站发展概况及相关启示[J].中外能源,2013,18(11):26-29.
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资料编号：[178104]

文献综述（或调研报告）：

1. 引言
2. 发展背景

世界上第一台抽水蓄能发电机组于1882年在瑞士苏黎世建成，而在这一个多世纪中，抽水蓄能机组得到了快速的发展与应用^[1]。作为一种特殊的电源形式，抽水蓄能电站既可以调峰填谷、优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相和黑启动等动态功能，从而起到提高供电质量、保障供电安全、减少停电时间、降低环境污染等作用^[2]。

与传统的定速抽水蓄能机组不同，由于转速可调，变速抽蓄机组能参与电网频率自动控制。由于水泵输人功率与转速3 次方成正比, 转速有少量变化, 输人功率就会大幅度改变, 使抽水蓄能机组具有自动跟踪电网频率变化调整水泵水轮机输人功率的功能, 为电力系统提供相应的频率自动控制容量。日本分析统计得出, 在总装机容量11 000MW 的电力系统中投人800MW 的变速机组后, 系统频率控制在60Hzplusmn;0.1Hz范围内的概率可从96.8% 提高到99.7% 。可见, 变速机组对提高电网的供电质量是很有效的^[3]。

1. 应用实例

在工程应用方面，国外对抽水蓄能机组的应用和研究领先国内，目前，日本是世界范围内抽水蓄能电站装机容量最大、装机比例最高的国家。日立与关西电力公司合作，在1987 年投运了世界上首台22 MW 交流励磁变速发电电动机，并于1993 年投运了400 MW 级的可变速抽水蓄能电站^[4]。此外，韩国、西班牙、法国、德国、意大利等国家的抽水蓄能电站装机比例也均接近或者超过5%， 美国抽水蓄能电站装机比例虽然只有2.2%，但其总装机容量仍处于世界领先水平。

表1 2010年国外抽水蓄能装机容量及年发电小时数

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