姜海軍，徐 青，張高高，梁廷婷，陳曉剛

[1.南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司,江蘇省南京市 211106；2.國網(wǎng)新源控股有限公司,北京市 100005；3.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，浙江省杭州市 310007]

0 引言

隨著大量風(fēng)能、太陽能等間歇性可再生能源并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行，基于大容量電能存儲技術(shù)的電力平衡控制已成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行與控制的迫切需求[1][2]。抽水蓄能電站具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻及事故備用等功能，是當(dāng)前解決電力系統(tǒng)調(diào)峰問題以及確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的最為經(jīng)濟(jì)有效的手段之一[3][4]。由于定速抽水蓄能機(jī)組抽水工況只能采取“開機(jī)—滿負(fù)荷—停機(jī)”控制方式，無法滿足電網(wǎng)連續(xù)、快速、準(zhǔn)確進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)和調(diào)整有功功率的要求。對此，變速抽水蓄能機(jī)組是解決問題的優(yōu)選方案。變速抽水蓄能機(jī)組具有一定程度的異步運(yùn)行能力，通過相位、幅值控制可獲得快速有功功率和無功功率響應(yīng)，有利于電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[5][6]。

變速抽水蓄能機(jī)組主要由發(fā)電—電動機(jī)、水泵—水輪機(jī)、交流勵(lì)磁系統(tǒng)、調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)組成，如圖1所示。發(fā)電—電動機(jī)采用可以工作在發(fā)電工況和抽水工況的雙饋型感應(yīng)電機(jī)，當(dāng)其轉(zhuǎn)子頻率f1發(fā)生變化時(shí)，改變交流勵(lì)磁電流輸出頻率f2，能使電機(jī)定子頻率f保持不變，這樣發(fā)電—電動機(jī)就實(shí)現(xiàn)了恒頻率變轉(zhuǎn)速運(yùn)行[7]。水泵—水輪機(jī)在發(fā)電工況下是系統(tǒng)的原動機(jī)以水輪機(jī)運(yùn)行方式運(yùn)行，抽水工況下是系統(tǒng)的負(fù)載以水泵運(yùn)行方式運(yùn)行。發(fā)電—電動機(jī)由交流勵(lì)磁系統(tǒng)控制，水泵—水輪機(jī)由調(diào)速器控制，監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)交流勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速器的協(xié)調(diào)控制。

變速抽水蓄能機(jī)組與定速抽水蓄能機(jī)組在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、磁極、轉(zhuǎn)子線圈、勵(lì)磁、轉(zhuǎn)速等方面有著明顯的不同[8]，而且，變速抽水蓄能機(jī)組的勵(lì)磁系統(tǒng)采用交流變頻裝置代替了定速抽水蓄能機(jī)組的普通可控硅直流整流裝置，具備水泵工況啟動功能，因此，變速抽水蓄能機(jī)組取消了靜止變頻啟動裝置。這些方面的不同使得兩者的控制系統(tǒng)也存在著較大的差異。本文對變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制進(jìn)行探討研究。

圖1 變速抽水蓄能機(jī)組結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structural chart of variable speed pumped storage unit

1 變速抽水蓄能機(jī)組概況

運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換方式

變速抽水蓄能機(jī)組基本運(yùn)行工況主要包括：發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相、空轉(zhuǎn)、空載和停機(jī)等運(yùn)行工況，這些基本運(yùn)行工況之間的轉(zhuǎn)換構(gòu)成了變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換方式。變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換方式見表1。

續(xù)表

2 運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制

2.1 設(shè)計(jì)原則

變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況多，轉(zhuǎn)換控制復(fù)雜，操作頻繁，對運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制的可靠性和操作成功率要求高，為保證運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換準(zhǔn)確、安全、可靠運(yùn)行，控制流程需遵循以下設(shè)計(jì)原則[9]:

（1）模塊化編程原則。變速抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制流程復(fù)雜，為了編寫工況轉(zhuǎn)換控制流程簡單、修改方便和節(jié)省內(nèi)存空間，需要將工況轉(zhuǎn)換控制流程進(jìn)行模塊化分解，即由幾個(gè)子流程模塊組合構(gòu)成一個(gè)完整的工況運(yùn)行轉(zhuǎn)換控制流程。

（2）靈活操作原則。變速抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制流程具有靈活的操作性，即工況轉(zhuǎn)換控制流程在收到操作命令后，既可以自動地完成全部工況轉(zhuǎn)換控制流程，也可以進(jìn)行單步執(zhí)行工況轉(zhuǎn)換控制流程。

（3）冗余容錯(cuò)原則。變速抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制流程具有自檢查和自校核的糾錯(cuò)能力，當(dāng)工況轉(zhuǎn)換控制流程出現(xiàn)非法或不合理的轉(zhuǎn)換操作時(shí)，程序可自動進(jìn)行閉鎖保護(hù)并進(jìn)行報(bào)警，確保工況轉(zhuǎn)換控制流程正確運(yùn)行。

（4）優(yōu)先轉(zhuǎn)換原則。變速抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制流程具有優(yōu)先轉(zhuǎn)換功能，即變速機(jī)組的事故停機(jī)或正常停機(jī)轉(zhuǎn)換流程的優(yōu)先級高于其他工況轉(zhuǎn)換控制流程，當(dāng)事故停機(jī)或正常停機(jī)轉(zhuǎn)換流程被執(zhí)行，將中斷正在運(yùn)行的其他工況轉(zhuǎn)換控制流程，從事故停機(jī)或正常停機(jī)轉(zhuǎn)換流程第一步開始執(zhí)行事故停機(jī)或正常停機(jī)控制流程；另外，當(dāng)工況轉(zhuǎn)換控制流程操作發(fā)生超時(shí)故障時(shí)，控制流程直接進(jìn)入事故停機(jī)流程，使機(jī)組停機(jī)。

（5）可擴(kuò)展原則。變速抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制流程具有添加工況轉(zhuǎn)換控制流程和修改原有控制流程的功能，便于擴(kuò)充和完善機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制流程。

（6）安全可靠原則。變速抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制流程具有安全可靠性，每一步操作均設(shè)置啟動判斷條件，當(dāng)啟動判斷條件滿足時(shí)，解除下一步操作流程的閉鎖，執(zhí)行下一步工況轉(zhuǎn)換控制流程；若啟動判斷條件不滿足，則中斷工況轉(zhuǎn)換控制流程，直接跳轉(zhuǎn)到事故停機(jī)控制流程，使機(jī)組停機(jī)。在機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制流程執(zhí)行過程中，若機(jī)組狀態(tài)發(fā)生變化，或者機(jī)組設(shè)備突發(fā)故障，不允許該工況轉(zhuǎn)換控制流程繼續(xù)執(zhí)行時(shí)，則自動終止該工況轉(zhuǎn)換控制流程，進(jìn)入到事故停機(jī)控制流程，使機(jī)組停機(jī)。

2.2 運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制流程

變速抽水蓄能機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)分為穩(wěn)定運(yùn)行工況、暫時(shí)運(yùn)行工況和特殊運(yùn)行工況。穩(wěn)定運(yùn)行工況包括：停機(jī)態(tài)、空轉(zhuǎn)態(tài)、空載（旋轉(zhuǎn)備用）態(tài)、發(fā)電態(tài)、發(fā)電調(diào)相態(tài)、抽水調(diào)相態(tài)和抽水態(tài)七種工況。暫時(shí)運(yùn)行工況包括：中轉(zhuǎn)停機(jī)態(tài)和旋轉(zhuǎn)態(tài)兩種工況。黑啟動為特殊運(yùn)行工況。根據(jù)變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制設(shè)計(jì)原則，穩(wěn)定運(yùn)行工況和特殊運(yùn)行工況作為操作目標(biāo)，暫時(shí)運(yùn)行工況則不能作為操作目標(biāo)。由于各工況轉(zhuǎn)換控制流程中有部分設(shè)備控制操作是相同的，因此可將工況轉(zhuǎn)換控制流程進(jìn)一步細(xì)化，分解成獨(dú)立的子控制流程模塊，這樣將變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制流程模塊化，每種工況轉(zhuǎn)換流程就可由穩(wěn)定運(yùn)行工況、暫時(shí)運(yùn)行工況和特殊運(yùn)行工況之間的轉(zhuǎn)換控制流程組成，從而降低各工況轉(zhuǎn)換控制流程的復(fù)雜性和編程工作量，提高控制流程的執(zhí)行效率和靈活性。

根據(jù)模塊化分解原則，可將變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制流程轉(zhuǎn)換為圖2變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制結(jié)構(gòu)圖和圖3變速抽水蓄能機(jī)組事故停機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖，變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制流程模塊化組合見表2。

2.3 運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制優(yōu)先級

為了便于運(yùn)行操作，變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換設(shè)置了如下10種運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制操作：空轉(zhuǎn)、空載（旋轉(zhuǎn)備用）、發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水調(diào)相、抽水、停機(jī)、機(jī)械事故停機(jī)、電氣事故停機(jī)和黑起動流程。

考慮機(jī)組運(yùn)行操作安全性，機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制操作設(shè)置了優(yōu)先級，其優(yōu)先級為：電氣事故停機(jī)＞機(jī)械事故停機(jī)＞停機(jī)＞空轉(zhuǎn)=空載（旋轉(zhuǎn)備用）=發(fā)電=發(fā)電調(diào)相=抽水=抽水調(diào)相=黑起動，事故停機(jī)控制操作優(yōu)先級最高，當(dāng)高優(yōu)先級工況轉(zhuǎn)換控制操作被執(zhí)行，將中斷并禁止低優(yōu)先級工況轉(zhuǎn)換控制操作；當(dāng)同等級工況轉(zhuǎn)換控制操作被執(zhí)行，將禁止其他同等級工況轉(zhuǎn)換控制操作。

圖2 變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structural diagram of operating conditions conversion control for variable speed pumped storage unit

圖3 變速抽水蓄能機(jī)組事故停機(jī)控制結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Accident shutdown control structure diagram of variable speed pumped storage unit

3 結(jié)束語

本文簡要分析了變速抽水蓄能機(jī)組與定速抽水蓄能機(jī)組在機(jī)組工況轉(zhuǎn)換控制方面的差異，介紹了變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制方式及控制原則，探討研究了變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制流程。該工況轉(zhuǎn)換控制流程具有模塊化、容錯(cuò)、安全可靠等特點(diǎn)，能夠滿足變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制要求。

表2 變速抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換控制模塊化組合表Table 2 Modular combination table of operating conditions conversion control for variable speed pumped storage unit