摘要
在能源系统低碳转型背景下，抽水蓄能机组兼具发电与储能能力，在促进风能、光能等可再生能源消纳过程中承担着重要角色。新型可变速抽水蓄能机组因其快速功率调节、变速恒频运行、工况转换迅速等运行优势，能够有效缓解新能源发电功率波动对于电网的负面影响，但随着机组转速与电网频率解耦，机组运行稳定性问题需要重点关注。可变速抽水蓄能机组为复杂的水-机-电耦合系统，由水泵水轮机、双馈电机、引水与尾水系统及控制系统组成，各子系统间耦合关系复杂，运行稳定性相互影响。本文以变速机组功率调节的快速性与水泵水轮机转速稳定性间的矛盾为基础，针对一次调频过程，重点研究有功功率调节性能，验证转速控制效果，评估综合运行动态特性。本文主要研究内容与结论如下： ①复杂管道系统下可变速抽水蓄能机组并网系统建模。为了准确地反映一次调频过程中可变速抽水蓄能机组与电网稳定性演化规律，突出电网结构对机组稳定性影响，本文以一管双机抽水蓄能机组并网系统为研究对象，采用特征线法构建引水管道、调压井与水泵水轮机计算模型，建立双机带负荷及三机九节点电力系统模型，仿真模拟机组孤网运行及风电-抽蓄机组联合并网发电运行方式。综合考虑机组各子系统运行机理与耦合特性，选取导叶开度、转子转速等关键耦合变量，采用S函数建模方法，实现电网模块与各子系统间数据实时交换，可实现对定速、变速抽水蓄能机组多种常规工况仿真模拟。 ②可变速抽水蓄能机组孤网运行稳定性评估。为克服无穷大电网假设局限性，深入研究孤网模式中抽蓄机组运行性能，揭示水锤强度、控制器参数对系统频率调节质量的影响，本文基于双机带负荷及风电-抽蓄联合并网发电模型，引入功率、频率调节性能关键指标，对变速机组功率调节快速性、准确性及稳定性进行定量化评估。结果表明，变速机组有利于提升孤网系统频率稳定性，能够有效抑制电网频率超低频振荡。 ③可变速抽水蓄能机组一次调频运行风险分析与控制策略优化。针对机组一次调频过程中机组转速稳定性问题，采用一管双机定、变速机组并网模型，重点研究机组布置形式及调速器非线性环节对转速稳定性影响，引入模糊自适应PID控制器及其特征参数设计方法，尝试解决一次调频过程中机组转速不稳定问题。结果表明，在一次调频过程中，变速机组转速稳定性弱于定速机组，调整非线性环节参数设置或引入模糊自适应PID控制器可有效抑制机组转速振荡，增强变速机组调速器的鲁棒性。 ④可变速抽水蓄能机组动态特性综合评价方法。为增强综合性能评价过程客观性、全面性，引入熵权法及模糊综合评价法，采用水力、机械及电气三个子系统共13个关键指标，构建抽蓄机组动态特性综合评价模型，采用一管双机定、变速机组并网模型，验证评价方法准确性。结果表明，该评价方法可有效评估一次调频过程中变速机组各子系统稳定性与调节性能，对转速失稳等极端工况具备良好的辨识效果，可为转速回拉控制参数设计及优化提供关键评价标准。
NETL