何雪飞



面向智能电网的抽水蓄能电站的智能化研究

何雪飞

（吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林敦化 133700）

我国正着力推进实施智能电网建设，能量存储是智能电网的重要环节，抽水蓄能是电力系统中应用最广泛、容量最大的一种储能技术，其智能化建设成为了智能电网建设的必要需求。抽水蓄能电站的水泵/水轮机的调速系统和发电/电动机的励磁系统是智能化控制的最核心部分，对目前调速系统和励磁系统的智能化控制情况进行了介绍，在实现抽水蓄能电站单个机组层级的智能控制，进一步升级至整个电站层级所有机组的智能联动控制，最终形成整个电网层级的所有入网抽水蓄能机组的智能控制是未来抽水蓄能电站智能化建设的发展方向。

抽水蓄能电站；智能化；调速系统；励磁系统

0 前言

我国正着力推进实施智能电网建设，未来大量的新能源发电将被引入智能电网。目前，抽水蓄能是电力系统中应用最广泛、容量最大的一种储能技术，主要用于电网调峰调频、事故备用及黑启动等[1, 2]。此外，抽水蓄能电站能够有效消除风能、太阳能和海洋能等新能源大规模并网对电网的影响，补偿新能源入网引起的负荷波动，实现新能源发电的平稳输出，为新能源的可持续发展提供重要支撑。适当规模的抽水蓄能电站的建立是智能电网实现坚强、自愈、兼容、经济、安全、优化和清洁运行的重要手段，是解决可再生能源并网接入、提高能源利用率的重要途径[3,4]。

1 抽水蓄能电站在智能电网中的作用

1.1 均衡能源资源供需

我国能源供需分布不均衡，智能电网的建设的重要目的是实现全国范围内电力资源的优化配置。抽水蓄能电站的存在可以有效提升电网的调节能力和能源资源的优化配置能力，增加电网的运行效率和有效输送容量，提高输电线路的利用率，减少输电损失，优化区域间的经济发展和能源资源的合理分配。

1.2 支持新能源的接入

风能、太阳能、海洋能资源等新能源发电存在随机性、间歇性、波动性以及反调峰等特点，在并入电网时容易引起电网频率偏差和电压波动，极大的限制了新能源的入网与发展，抽水蓄能电站是新能源发展的重要组成部分，可在新能源接人电网后补偿负荷波动，为新能源的可持续发展提供重要支撑。

1.3 调峰填谷

调峰填谷是抽水蓄能电站的特有作用，在未来的智能电网中，抽水蓄能电站将配套电网中核电机组及新能源机组接入，实现发电和用电间负荷调节，在一定程度上减弱电网峰谷差，减少火电机组参与深度调峰的启停次数，使其在最优的状况下运行，降低火电机组燃料和运行维护费用提高全电网的能源利用率。

1.4 调频调相

当电网频率波动时，抽水蓄能机组一次调频功能自动响应频率变化调整其负荷出力，使电网的频率自动恢复到正常范围。在智能电网中，抽水蓄能电站可参与系统调频运行，并可通过发出与吸收无功功率来调节电网电压，从而提高智能电网的供电质量，维持智能电网的安全稳定运行。

1.5 事故备用

抽水蓄能机组具有快速响应能力，跟踪负荷迅速，能适应负荷的急剧变化，可有效提高电网运行频率和电压质量的稳定性，有效增强智能电网的自愈能力，保障电力系统的安全稳定运行。

1.6 黑启动

由于抽水蓄能机组具有响应速度快、容量大，调节性能好的特点，因此，当电力系统发生故障停运时，抽水蓄能机组是非常理想的黑启动电源，实现快速发电，带动其他机组恢复电网运行和对用户供电[2,5]。

2 抽水蓄能电站的智能化

抽水蓄能电站作为未来智能电网的重要组成部分，其智能化建设将是未来的主要发展方向和全新目标。以下对抽水蓄能电站最主要的调速系统和励磁系统的智能化，以及诊断监控系统的智能化需求进行介绍。

2.1 调速系统的智能化

调速系统是抽水蓄能机组频率及出力控制的主要部件，其控制性能及控制品质对于工况变化频繁，在电网中担任削峰填谷任务的抽水蓄能机组尤为重要。智能启动控制策略可以保证抽水蓄能机组安全平稳开机。实现抽水蓄能机组快速启动，减少现场调试的复杂性和提高机组运行的稳定性，有重要的实际应用价值。

目前，我国大部分抽水蓄能机组的启动控制都是通过PID控制调节来实现，这种模式下以偏差为基础来实现抽水蓄能机组调速器启动控制，为开环控制。此外，PID控制算法存在积分饱和的问题，不利于机组的启动控制。由于机组的启动控制与水头和空载开度密切相关，在无法确定当前空载开度的情况下，机组的启动控制十分困难。此外，活动导叶的开启和关闭操作都与机组额定转速密切相关，而且，电站引水系统的水锤作用和机组转动惯性均限制了导叶的关闭速度导，进而，容易引起机组开机时间延长和机组过速。因此，采用传统的PID控制策略解决抽水蓄能机组的智能控制问题存在很大困难[6,7]。

抽水蓄能机组最优的开机方式应该是在保证系统稳定的前提下，机组转速能够以最快的速度升高，而超调量最小。针对开环控制的缺点，智能启动策略需要采用闭环开机控制方式，即设置机组开机时的转速上升期望特性作为频率给定，机组的开机控制不依赖于空载开度和启动开度，在整个开机过程中调速器始终处于闭环调节状态，控制机组频率跟踪频率给定曲线上升。通过设置合理的频率给定曲线，实现机组开机过程的快速而不过速。基于此，研究人员尝试将更先进的控制方式引入水轮机调速系统中，以提高其控制性能。例如，分数阶PID控制，模糊控制，滑模变结构控制，神经网络控制和模型预测控制等，为实现抽水蓄能机组调速系统的智能控制进行了有益的探索[8-12]，一种抽水蓄能机组调速系统预测控制模型如图1所示。

图1 抽水蓄能机组调速系统预测控制模型

2.2 励磁系统的智能化

励磁系统是抽水蓄能电站发电/电动机的核心控制系统，随着控制技术以及计算机技术的发展，励磁系统设备内集成了电源系统和信息交互系统，励磁系统工作的好坏直接影响到发电机运行的可靠性和稳定性，所以对励磁系统状态的监控至关重要。励磁系统除了具备维持发电机机端电压的基本功能外。发电机励磁系统对电网稳定发挥了越来越重要的作用，已经成为电网的一部分。励磁系统智能化建设包括励磁系统的冗余容错及故障自诊断设计，辅环控制模型建立，主环与辅环以及辅环与辅环间的协调控制等[13,16]。

目前，国内外运行的机组一般以SFC变频器启动作为主要启动模式。该模式是利用晶闸管变频器产生频率可变的交流电源对电动发电机进行启动，是抽水蓄能电机启动的一种新方法，在国内外抽水蓄能机组得到了广泛的应用。同时，在机组变频器启动时，引入PID控制，以利于静止变频器检测电动机转子位置，当发电机并网之后，励磁系统控制模型自动切换到电压等闭环控制模式。这样既保证机组静止变频器一次启动成功的可靠性，又不影响机组运行在其他工况下的稳定性，引入PID的控制的抽水蓄能机组静止变频器启动控制模型如图2所示。

图2 抽水蓄能机组静止变频器启动控制模型

3 电力系统稳定器（PSS）的应用

二十世纪五十年代后期，装有同步电机的大型电力系统遇到了电压稳定性问题。持续性的电压小幅低频振荡限制了大型电力系统的功率传输能力。由于对这种电压波动抑制能力不足，功率传输能力降低。因此，电力系统稳定器（PSS）应运而生，PSS通过调节发电机励磁来抑制电压波动以抑制电压振荡过程，改善电力系统功率传输能力。图3给出了某抽蓄电站的PSS系统的电压控制框图。

图3 PSS系统电压控制框图

3.1 电网条件下配有PSS装置同步发电系统动态性能

对带有标准PSS装置的同步电机和无PSS装置的同步发电机两种不同系统的性能进行比较。图4给出采用标准PSS的短路分析。

图4 采用标准PSS的短路分析

可以看出，有功功率的振荡幅值与本地模式接近，对于不带有PSS装置的同步电机来说较高。PSS对这种模式下产生阻尼效果。

3.2 PSS系统对电压频率的影响

对电压频率问题的分析目的是为了研究在区域内振荡下两种发电系统的动态和稳态特性。电网电压幅值调制引起电压波动，可以等效于不同电机之间负载角波动。代表发电机和电网之间的相角差如图5所示。变化的电网电势能够产生相角差的小幅变化，并出现发电机和电网之间的功率交换，代表着本地和区域互联电力系统之间的功率波动，可以看到PSS装置的阻尼作用。

4 结语

智能电网是我国未来电网的发展方向，抽水蓄能电站作为未来智能电网的重要组成部分，其智能化建设将是未来的主要发展方向和全新目标。调速系统和励磁系统的智能化是实现抽水蓄能电站单个机组层级的智能控制的重要保证，除此之外，电站机组的智能化建设还包括继电保护、监测、巡检和辅机系统的智能化建设。未来在实现单个机组智能化的基础上，将升级至整个电站层级的所有机组的智能联动控制，最终形成整个电网层级的所有入网抽水蓄能机组的智能控制，以满足智能电网的建设需要。

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The Smart Grid Oriented Intelligent Development of Pumped Storage Power Station

HE Xuefei

(Jilin Dunhua Pumped Storage Co., Ltd., Dunhua 133700, China)

The smart grid is the development direction of future grid in China, the pumped storage power station as an important part of the future smart grid, the intelligent building will be the main development direction in the future and new goals. pumped storage power station's main control system and the intelligent excitation system are introduced, pumped storage power station the intelligent control of a single unit level to upgrade to the whole plant level all the intelligent linkage control unit, finally form the whole power grid level of intelligent control of all the net pumped storage units is pumped storage power plant in the future the development direction of intelligent building.

pumped storage power station; intelligent; speed control system; excitation system

TM622

A

1000-3983(2017)04-0066-05

2016-12-09

何雪飞（1989-），2013年毕业于长春工程学院电气工程及其自动化专业，主要从事抽水蓄能电站机电方面研究，在读硕士，助理工程师。