FSC可变速抽水蓄能在含大规模风光发电系统中的应用

畅 欣，韩民晓，郑 超

（华北电力大学，北京市 102206）

FSC可变速抽水蓄能在含大规模风光发电系统中的应用

畅 欣，韩民晓，郑 超

（华北电力大学，北京市 102206）

全功率变流器（Full Size Converter，FSC）可变速抽水蓄能（Variable Speed Pumped Storage，VSPS）是电网自动频率控制，平衡可再生能源发电波动的有效手段。本文在介绍三电平全功率变流器可变速抽水蓄能整体结构的基础上，介绍了机侧变流器和网侧变流器的模型和控制策略。在给出由于电网需求而产生的参考功率的基础上，说明了全功率变流器可变速机组在发电模式和电动模式时有功功率和无功功率的控制策略。最后，用PSIM和MATLAB/SIMULINK软件对基于双馈机组和全功率变流器机组的风光储互补系统进行了仿真分析，阐述了全功率机组对可再生能源等引起的电网波动的控制作用。

全功率变流器；电力电子变流器；可变速抽水蓄能电站；功率控制策略；可再生能源

1 绪论

抽水蓄能电站是当前公认的最成熟、最经济、寿命周期最长、容量最大的大规模储能方式。根据《国家发展改革委关于促进抽水蓄能电站健康有序发展有关问题的意见》，到2025年，全国抽蓄电站总装机容量达到1亿kW，占全国电力总装机容量的比重达到4%左右。但目前，全国抽蓄电站总装机容量仅为2151万kW，占全国电力总装机容量比重不到2%，离发展目标仍有较大差距[1]。

随着电力电子技术和自动控制理论的飞速发展，三相交流励磁的转子组成的可变速抽水蓄能机组得到了技术支持，并很快开始了应用。普通机组的励磁是AC-DC的整流装置，而可变速的机组则由原先的AC-AC变频装置发展到如今的AC-DC-AC结构。采用可变速技术的抽水蓄能电站，不仅可以快速调节有功功率和无功功率来使系统更加稳定，而且可以改善电能质量，提高发电效率。可变速抽水蓄能系统还可以有效地控制电网负荷频率，并且平衡由于可再生能源引起的频率波动[2]，使电能质量更加稳定和可靠。由于基于双馈系统的可变速抽水蓄能机组的装机容量仅占总装机容量的1/5，加上它的优越性能，已经进入了较成熟的应用阶段。日本、德国、瑞士等国在可变速抽水蓄能电站技术开发和应用方面取得了令人瞩目的成就[3，4]。

由于变流器容量较小，世界上大多数可变速抽水蓄能系统都用的是三相交流励磁的转子组成的双馈可变速抽水蓄能机组，然而这种普通的可变速机组存在严重的缺点：复杂的转子受到设计限制——限制速度增加以符合该泵用水轮机的最佳速度极限。此外，该启动程序复杂得多，有时甚至需要泵用水轮机来排水，而且很难满足电网的要求。因此发展全功率变流器的同步电机已成为主要趋势。全功率变流器是在发电机定子与电网间连接了一个与发电机功率相同的变频器，将发电机发出的电压、频率不同的电力，经过整流、逆变后变成与电网电压、频率相同的电力，输入电网。它的优点在于将发电机和电网完全隔离，电机调速范围更宽，同时在电网异常和故障状态下，变流器的兼容运行能力更强。将现有的抽水蓄能电站相对较为方便地改装为采用全功率变流器可变速抽水蓄能电站也说明了全功率方式的优越性。全功率技术已成功应用于格里姆瑟尔2号抽水蓄能电站[5]。

由于新型电力电子器件的价格一再降低，变流器占整体工程投资的比例逐渐减小，双馈可变速机组投资较小的优势也越来越不明显[6，7]。将普通的双馈可变速机组升级为全功率机组时，抽水蓄能电站的主要投资仅增加了2%～4%。同时由于机组可变速，可以平滑调节，降低了水轮机的摩擦损耗，减少了水流对水轮机的损坏，从而增长机组的维修周期，降低维修时消耗的人力、物力和财力。总之，不管是设计安装新的电站，还是改装现有的抽蓄机组，全功率变流器机组都具有一定的优势。

本文分析了三电平全功率变流器可变速抽水蓄能机组功率调节特性，并描述了电网运行对功率调节的需求（即参考有功功率和无功功率的产生）；基于此详细分析了发电模式下和电动模式下功率的调节特性和方法。最后运用PSIM和MATLAB/SIMULINK软件对基于全功率变流器的可变速抽水蓄能机组功率调节系统的特性进行了数字仿真分析和频谱分析，验证了系统对电压波动的响应和在发电、电动方式下对功率波动的响应，证明了系统对波动的抑制作用。

图1 中点箝位型（NPC）三电平双PWM结构

2 全功率变流器可变速抽水蓄能机组模型与控制策略

全功率变流器是水轮机发出的电能连接到电网的唯一通路，具有较高的可靠性和较快的响应速度，并且容量与抽水蓄能机组的容量相同。如图1所示，由于容量和电压的增大，抽水蓄能电站变流器逐渐向多电平化发展，采用了三电平中点箝位型（NPC）电压源变流器。两个串联器件的中点通过箝位二极管和直流侧电容的中点相连接。箝位二极管的作用是：在开关器件导通时，提供电流通道从而防止电容短路。三电平中点箝位型电压型变流器的主要调制算法是空间矢量脉冲宽度调制算法，它数字化程度高，直流电压利用率高，在三电平变流器中得到了广泛的应用[8]。

图2 系统的控制框图

如图2所示，为保证电网正常运行，网侧变流器要在交流侧维持有功功率和无功功率的平衡。基于d-q解耦的控制算法，网侧变流器控制可以准确实现有功与无功的解耦控制，保证电网的正常运行。结构上，网侧变流器是电流控制的并网型电压源变流器，可以灵活控制输出的三相电流。其工作原理是：当电网电压保持恒定，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的变化而成比例变化。全功率变流器的网侧变流器可以向电网输送能量。晶闸管变流器、电压源型PWM变流器（VSC）等都可以作为连接电网的变流器使用。PWM调制带来的开关频率及更高次谐波会影响到器件的正常工作，为了滤除这些谐波，可以在VSC三相输出侧采用滤波电感（L），改善连接到电网的电流波形质量。变流器不管工作在空载状态，还是逐步加载到满载运行，它的直流侧电压的动态性能都可以满足电网运行的需求。

机侧变流器的目的是维持直流母线电压恒定，从而保证机侧和网侧有功功率的恒定。当网侧换流器的有功功率波动的时候，直流母线电压就随之变化。当直流母线电压变化时，机侧变流器可以调整输出频率，从而调整发电电动机的转速，通过转子动能的调整和调速器对水流量的调整来最终实现功率的控制[9]。机侧变流器控制的目的是连接网侧变流器和电动发电机，实现两者之间的电能输送，在不同工作模式下都准确控制转矩跟踪，使变流器的动态性能满足电网要求。使用全控器件和空间矢量SVPWM调制算法，可以有效减小电流谐波、抑制电机转矩波动、降低系统损耗、在不同工作模式下实现能量的双向流动，并且还可以提高变流器直流电压利用率，保证良好的动态性能。

不论在发电模式还是电动模式，同步电机的工作特性主要取决于电机和变流器对其的控制。同步电机通过旋转坐标变换，精确实现转矩电流（有功）和励磁电流（无功）的解耦，最终控制电机的电磁转矩。

图3 可变速机组有功参考功率的形成

3 全功率变流器可变速抽水蓄能机组功率调节特性分析

3.1 电网运行对功率调节的需求

（1）有功功率的控制过程。

为充分发挥可变速机组在电网运行中的控制作用，通常将多种控制功能相互结合，如图3所示[10]。调度系统在整个电网层面考虑能量平衡和最优控制的基础上得到最优功率Poptimal，控制系统根据负荷波动（包括可再生能源发电出力波动）跟踪控制及系统频率控制形成附加控制量ΔPw，ΔPf。这些量相叠加形成有功功率的参考量Pref。

其中，ΔPw通常采用波动性负荷或可再生能源发电出力的测量值与预测值之差形成：

而ΔPf则可以是简单的下垂控制，也可以通过增添附加项用于电网振荡阻尼。

其中，Kdrop为下降调节系数；Td、Tfilt分别为调节系统与滤波系统的时间常数；fref、fgrid分别为参考频率和电网的实际频率。

（2）无功功率的控制过程。

机组的无功功率则依据电压稳定控制需要计算形成。类似如图4所示，系统运行提供设计基本功率Qb，通过系统电压控制得到附加功率ΔQu。这些量相叠加形成无功功率的参考量Qref。

而ΔQu则可以是简单的PI调节控制，也可通过增添附加项用于电网振荡阻尼。

图4 可变速机组无功参考功率的形成

其中，Kp、Ki分别为比例与积分环节的系数，s为微分算子；uref、ugrid分别为参考电压和电网的实际电压。无功功率的控制不会影响直流母线电压，所以，可以通过控制网侧变流器来控制无功功率[11，12]。

3.2 不同模式下的功率调节特性

作为可逆的发电电动机组，叶片式水力机械可以双向运行，水泵或水轮机都可以反方向旋转，以相反的方式工作。在发电模式下，即在高峰负荷时，机组作为发电机组运行，利用上池的蓄水发电，将机械能转化为电能，送到电网。水轮机进口能量高于出口能量，即水流对转轮做功。由于调节网侧逆变器相对于电网的相角，可以使有功功率发生变化。当相角增大，电网功率增大，使得三电平NPC变流器的直流母线电压Udc（见图1）降低时，电网所需的发电量增大，机侧变流器可以调整输出频率，从而使得发电电动机的转速降低，通过转子动能的调整和调速器对水流量的调整来最终实现对有功功率的控制。相反，当电网功率减小，使得直流电压Udc升高时，电网所需的发电量降低，调整机侧变流器的频率，使得发电电动机的转速提高。所以，抽水蓄能电站可以根据电网负荷变动情况而调节发出功率，可靠性高，灵活快速，暂态特性好。

在电动模式下，即在电力系统负荷处于低谷时，抽水蓄能机组作为水泵运行，往上库蓄水，将电能转化为机械能，水泵的出口能量高于进口能量，即转轮对水流做功。PI、PG、PM等功率的流动方向与电动模式相反。此时，功率由电机转速直接控制，电网吸收的功率与转速的三次方成正比。当电机转速发生改变，就可以大幅度的调节电网和水轮机之间的功率。

4 全功率变流器可变速抽水蓄能电站在可再生能源波动补偿中的作用

随着电网中可再生能源的不断增加，其随机性和间歇性使得电网控制和操作要求更加严格。储能技术可以用于改善风电场和太阳能电站的功率波动，这其中极具商业潜力的当属可变速抽水蓄能电站。当电网频率变化时，系统的有功需求会大大改变；同时当电网电压显著跌落时，系统的无功需求会大大提高。因此，电网期望抽水蓄能机组可以方便快速地向电网提供满足要求的有功和无功，调节系统频率和电压。在全功率变流器的网侧采用解耦控制，能够独立地调节有功与无功功率的波动。此外，在电网故障状态下，也希望抽水蓄能机组提供有功和无功的支持，有助于电网的快速恢复，并减轻频率和电压波动而带来的不良影响。

可变速抽水蓄能对风电波动补偿的效果很大程度上取决于这两个系统的动态时间响应特性。分析风力发电波动和可变速抽水蓄能的频谱特性，表明可变速抽水蓄能技术可以有效地补偿风电波动。

4.1 风电波动和抽水蓄能系统的频谱特性

风速和风向的随机变化导致了风速的随机性和间歇性。风电场功率输出也会受到塔影、风切变和偏航误差等因素的随机影响。风由四部分组成：基本风、渐变风、阵风和随机风。在不同的地区和不同的季节，风的组成具有一定的随机性。如果记录风力发电随着时间的变化，就可以在不同的周期做傅里叶分析，从而得到风力发电波动的频谱特性。

统计数据显示，典型的风力发电波动频率从几分钟、一天、到4～5天不等。由于风力每天的波动都很缓慢，所以电网可以通过很多调节方式来调节每天的风力波动。但是仅仅通过热能和其他传统手段很难调节每分钟风力的快递波动。对于这种风力波动，基于全功率变流器的可变速抽水蓄能电站或许是解决方案。

可变速抽水蓄能系统包括信息处理系统、电力电子变流器、发电电动机和水泵。信息处理系统和电力电子变流器的动态响应十分快速，时间常数很小，与后两者相比可以忽略。然而，后两者的动态特性与系统的结构和控制方法有密切的联系，所以难以分析得到特定值。可以通过傅里叶分析其典型的响应曲线来获得其频谱特性。当采用有功功率波动作为一次系统响应，可以通过傅里叶分析来得到系统的频域传递函数。可变速抽水蓄能电站的带宽包含了风力波动的带宽，这满足风力波动抑制对时间响应特性的要求。

4.2 可变速抽水蓄能系统的构成

设计了一套100MW级基于全功率变流器的可变速抽水蓄能系统，系统的机侧和网侧由三电平PWM变流器组成，机侧的额定电压为13.8kV。系统可以灵活有效地调节电网自身和可再生能源（风能、太阳能等）引起的系统功率波动，如图5所示[13]。

图5 风—光—储互补系统模型

4.3 电网仿真

使用PSIM和MATLAB软件来对整个系统进行建模和仿真，这包括本文第二章中说明的基于三电平NPC定电压控制的可变速抽水蓄能电站的控制策略。风电场功率和功率补偿后与电网交换的功率的波动如图6所示，这表明可变速抽水蓄能技术可以用来调节可再生能源发电功率[14]。

图6 风电场功率和功率波动

仿真结果表明，本文所设计的全功率变流器系统拓扑不仅可以用于控制电网有功功率，还可以补偿可再生能源引起的无功功率波动，从而更好地分配无功功率流动、控制电压稳定、降低功率损耗。相对于普通的滞后的双馈可变速系统的控制，全功率变流器系统可以快速精确地补偿有功功率的波动。网侧变流器的电压控制还可以降低电压闪变导致的电能质量问题，提高系统的电压稳定性。

5 结束语

在大容量储能技术和电网功率调节过程中，基于全功率变流器的抽水蓄能机组具有明显的优势，可以快速精确地调节系统功率。本文对全功率变流器系统的关键技术进行了深入研究。

三电平中点箝位型（NPC）全功率电压源变流器系统采用同步电机，本文设计的这种拓扑可以用于可变速抽水蓄能电站的设计和布局。本文讨论了该拓扑的主要特性和控制策略，描述了发生波动时电压和功率的控制过程。全功率变流器运行效率高、维护成本低、可靠性高，但因它作为水轮机所发电能回馈至电网的唯一通路，且可以高效独立地控制有功功率和无功功率，对其容量、响应速度和并网特性等要求很高。随着越来越多的可再生能源等的接入，它们引起的电网波动不容小觑，不管在发电模式还是电动模式，全功率变流器可变速抽水蓄能系统都可以利用它的快速响应特性来有效控制有功功率和无功功率、调节系统电压，从而提高电力系统的稳定性。随着技术的快速发展和先进的电力电子器件价格的降低，全功率变流器系统将会得到更多的关注和更深入的研究。

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[14] Othman Hassan Abdalla Elkhalifa． 基于级联式H-桥多电平变流器的可变速抽水蓄能系统[D]．北京：华北电力大学，2014．

畅 欣（1992—），女， 华北电力大学电气与电子工程学院硕士研究生。主要研究方向：电力电子技术在电力系统中的应用，电能质量．邮箱：changxin1005@126．com

韩民晓（1963—），男， 华北电力大学教授，博士生导师，柔性电力研究所所长。主要研究方向：电力电子技术在电力系统中的应用，电力系统建模与控制技术，电能质量等 ．邮箱 ：hanminxiao@ncepu．edu．cn

Application of Variable Speed Pumped Storage with Full-Size Converter in the Large-Scale Wind Power Generation System Complementary with Solar Power Generation System

CHANG Xin， HAN Minxiao， ZHENG Chao
（North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Variable speed pumped storage （VSPS） with fullsize converter can be an effective measure for automatic frequency control and balancing renewable generation power fluctuation. This paper mainly studies the modeling and control strategies of both the machine-side and grid-side converter， basing on the structure of VSPS with three-level full-size converter. The characteristics of power regulation are analyzed for both generator mode and motor mode. On a basis of the given reference power generated by the need of grid operation， the control strategy of active power and reactive power is described. Finally， the authors illustrate the effect of the VSPS with full-size system for the network power control with renewable generation with MATLAB/SIMULINK.

The work of this paper was funded by the “Large scale windfarm generation grid integration research” project of State Grid Corporation of China.

full-size converter; VSPS; pumped storage; power electronic converters; power control; synchronous machine

本项目为国家电网公司“大规模风力发电并网研究”项目资助。