基于新型電力系統(tǒng)條件下抽水蓄能電站靜止變頻器配置臺(tái)數(shù)的優(yōu)化研究

基于新型電力系統(tǒng)條件下抽水蓄能電站靜止變頻器配置臺(tái)數(shù)的優(yōu)化研究董海洋，衣傳寶，王龍

（山東濰坊抽水蓄能有限公司，山東省濰坊市262600）

0引言

抽水蓄能是當(dāng)今世界容量最大、最具經(jīng)濟(jì)性的大規(guī)模儲(chǔ)能方式，抽水蓄能電站被廣泛建設(shè)，在電網(wǎng)中發(fā)揮調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲(chǔ)能、系統(tǒng)備用、黑啟動(dòng)等六大功能。隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，抽水及抽水調(diào)相功能逐漸成為抽水蓄能電站發(fā)揮重要作用的關(guān)鍵，靜止變頻器啟動(dòng)相比其他抽水及抽水調(diào)相啟動(dòng)方式有諸多優(yōu)點(diǎn)，合理配置靜止變頻器的臺(tái)數(shù)作為提升抽水啟動(dòng)響應(yīng)速度、提升電站運(yùn)行可靠性的有效手段，可使抽水蓄能電站不斷適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展變化。

1基于新型電力系統(tǒng)運(yùn)行方式下電網(wǎng)對(duì)抽水蓄能的需求分析

1.1新型電力系統(tǒng)運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變

新型電力系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中，新能源占比逐漸加大逐步實(shí)現(xiàn)綠色低碳轉(zhuǎn)型，特高壓交直流輸電實(shí)現(xiàn)了電能從發(fā)電中心向受電中心的遠(yuǎn)距離大功率電能轉(zhuǎn)移[1]。

在全球應(yīng)對(duì)氣候變化，我國(guó)努力實(shí)現(xiàn)“2030年前碳達(dá)峰、2060年前碳中和”目標(biāo)，加快能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的新形勢(shì)下，新能源裝機(jī)容量持續(xù)快速增加，在電網(wǎng)中所占比例逐漸增大。由于太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源受季節(jié)、氣候、晝夜等因素影響，發(fā)電出力波動(dòng)較大，使電網(wǎng)的潮流波動(dòng)更加頻繁。同時(shí)，特高壓交直流輸電的跨地區(qū)大功率電能轉(zhuǎn)移，將潮流波動(dòng)引向受端電網(wǎng)，對(duì)受電端電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)能力提出了挑戰(zhàn)。

1.2新型電力系統(tǒng)條件下抽水蓄能電站作用轉(zhuǎn)變

隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展，抽水蓄能作用逐漸增大的同時(shí)，也在發(fā)生著變化。調(diào)峰作用更加重要，并且逐步從彌補(bǔ)用電高峰的功率缺額向消納用電低谷的富余電量轉(zhuǎn)變，儲(chǔ)能作用更加突出，另外，調(diào)頻、調(diào)相及系統(tǒng)備用的作用也進(jìn)一步增強(qiáng)，并對(duì)抽水蓄能電站消納電量的響應(yīng)速度和可靠性也提出了更高的要求。[2]

抽水蓄能發(fā)揮作用的主要形式從發(fā)電轉(zhuǎn)為抽水及抽水調(diào)相，抽水運(yùn)行方式也從長(zhǎng)時(shí)間抽水轉(zhuǎn)為短時(shí)間多臺(tái)次快速啟動(dòng)抽水。

2抽水蓄能電站抽水啟動(dòng)工作方式及原理

由于抽水蓄能機(jī)組的發(fā)電電動(dòng)機(jī)為同步電動(dòng)機(jī)，水泵工況機(jī)組啟動(dòng)的過(guò)程實(shí)質(zhì)上是大型同步電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程，如果機(jī)組在靜止?fàn)顟B(tài)下直接并入電網(wǎng)，會(huì)因電網(wǎng)電壓直接加在機(jī)組定子繞組上產(chǎn)生很大的定子電流，對(duì)電網(wǎng)和機(jī)組均造成較大的沖擊，威脅電網(wǎng)和機(jī)組安全，因此，需要采用輔助的設(shè)備將抽水蓄能機(jī)組從靜止拖動(dòng)到同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)同期并網(wǎng)[3]。

抽水蓄能電站機(jī)組的啟動(dòng)方式有同軸電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、異步啟動(dòng)、背靠背啟動(dòng)、半同步啟動(dòng)、同軸水輪機(jī)啟動(dòng)以及靜止變頻器啟動(dòng)，由于機(jī)組容量的不斷增加，許多啟動(dòng)方式已不能滿(mǎn)足要求，靜止變頻器啟動(dòng)和背靠背啟動(dòng)成為機(jī)組抽水工況的主要啟動(dòng)方式。[4]

2.1靜止變頻器啟動(dòng)工作原理

靜止變頻器利用晶閘管換流裝置將工頻交流電整流成直流電，再將直流電逆變成為頻率可調(diào)的變頻交流電，將該變頻交流電輸出至同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組，形成變頻的旋轉(zhuǎn)定子磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子中勵(lì)磁電流形成的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，隨著靜止變頻器輸出交流電的頻率不斷增大，定子磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速不斷提升，帶動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?gòu)牧阒鸩教嵘令~定轉(zhuǎn)速后機(jī)組并網(wǎng)，完成啟動(dòng)過(guò)程[5]。

2.2背靠背啟動(dòng)工作原理

背靠背啟動(dòng)需要一臺(tái)機(jī)組做發(fā)電機(jī)運(yùn)行來(lái)啟動(dòng)其他抽水蓄能機(jī)組，啟動(dòng)前將被拖動(dòng)機(jī)組與拖動(dòng)機(jī)組在電氣上連接，兩臺(tái)機(jī)組定子三相繞組連接并在轉(zhuǎn)子施加勵(lì)磁。當(dāng)拖動(dòng)機(jī)組以發(fā)電方向啟動(dòng)時(shí)，輸出變頻電壓，該電壓在被拖動(dòng)機(jī)組定子形成變頻電流和變頻磁場(chǎng)，拖動(dòng)被拖動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后以準(zhǔn)同期方式并網(wǎng)，再解除拖動(dòng)機(jī)，完成啟動(dòng)過(guò)程。

2.3兩種啟動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)

靜止變頻器啟動(dòng)適用于各種容量的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，尤其適用于大容量電動(dòng)機(jī)。靜止變頻器啟動(dòng)方式是抽水蓄能機(jī)組抽水及抽水調(diào)相工況啟動(dòng)的首選啟動(dòng)方式。因變頻器功率元件都是靜止元件，維護(hù)工作量小，工作可靠性高，設(shè)備布置比較靈活，可多臺(tái)機(jī)組共用一套。它的主要優(yōu)點(diǎn)是其他啟動(dòng)方式所無(wú)法比擬的。

背靠背啟動(dòng)需要兩臺(tái)機(jī)組配合啟動(dòng)，需要兩臺(tái)機(jī)組通過(guò)隔離開(kāi)關(guān)及母線(xiàn)實(shí)現(xiàn)電氣連接，啟動(dòng)過(guò)程中需要隨時(shí)監(jiān)視檢測(cè)兩臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)速并保證勵(lì)磁、調(diào)速器等多套設(shè)備協(xié)同工作，否則將會(huì)導(dǎo)致拖動(dòng)失敗。背靠背啟動(dòng)的復(fù)雜性導(dǎo)致其可靠性大大降低。同時(shí)，機(jī)組背靠背啟動(dòng)受水道閉鎖影響，不能實(shí)現(xiàn)所有機(jī)組全部啟動(dòng)抽水。[6]

從可靠性、啟動(dòng)靈活性等方面相比較，靜止變頻器啟動(dòng)有著較大的優(yōu)越性。抽水蓄能發(fā)展初期受限于國(guó)外技術(shù)壁壘和較高的設(shè)備進(jìn)口費(fèi)用，在國(guó)家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略的大力推動(dòng)下，“十二五”期間我國(guó)研制成功了首套具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型抽水蓄能電站靜止變頻器，該設(shè)備于2022年4月在響水澗抽水蓄能電站正式投入運(yùn)行，截至目前，安徽績(jī)溪、白蓮河等多家抽水蓄能電站國(guó)產(chǎn)靜止變頻器已投入運(yùn)行，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，越來(lái)越多的新建電站安裝國(guó)產(chǎn)靜止變頻器，國(guó)產(chǎn)靜止變頻器已在國(guó)內(nèi)抽水蓄能產(chǎn)業(yè)中占據(jù)了較大份額，同時(shí)帶來(lái)了靜止變頻器的購(gòu)置成本大幅下降，實(shí)現(xiàn)了自主可控，為大范圍推廣使用創(chuàng)造了條件。

3抽水蓄能電站適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展的優(yōu)化思路

從新型電力系統(tǒng)的發(fā)展方向可以看出，抽水蓄能電站的抽水及抽水調(diào)相工況將取代發(fā)電工況成為在電網(wǎng)中發(fā)揮作用的主要形式，也指明了抽水蓄能電站為適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展的優(yōu)化突破口，即解決抽水及抽水調(diào)相啟動(dòng)響應(yīng)過(guò)慢、備用啟動(dòng)方式不可靠的問(wèn)題。

3.1靜止變頻器的一般配置

依據(jù)NB/T10072—2022《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，“當(dāng)機(jī)組臺(tái)數(shù)為6臺(tái)及以上時(shí)，宜選用兩套變頻啟動(dòng)裝置（SFC），互為備用。機(jī)組臺(tái)數(shù)少于6臺(tái)時(shí)，宜選用一套變頻啟動(dòng)裝置，并以背靠背同步啟動(dòng)作為備用啟動(dòng)方式；當(dāng)廠(chǎng)內(nèi)或鄰近有常規(guī)水電機(jī)組可利用時(shí)，也可采用常規(guī)機(jī)組同步啟動(dòng)方式；機(jī)組容量不大，且在電網(wǎng)允許的情況下，可選擇異步啟動(dòng)”[7]。目前，抽水蓄能電站一般選址上水庫(kù)均無(wú)自然來(lái)水，多為兩管四機(jī)或三管六機(jī)的機(jī)組安裝方式，單機(jī)容量150～400MW不等，單機(jī)容量較大，靜止變頻器啟動(dòng)就成為抽水蓄能電站的常規(guī)啟動(dòng)方式。靜止變頻的配置臺(tái)數(shù)及啟動(dòng)方式也相應(yīng)依據(jù)此規(guī)范進(jìn)行設(shè)置。

兩管四機(jī)型式的電站，靜止變頻器布置在主變壓器副廠(chǎng)房一側(cè)，通過(guò)啟動(dòng)母線(xiàn)與各機(jī)組連接，每臺(tái)機(jī)組額外設(shè)置拖動(dòng)閘刀，用于機(jī)組間互相拖動(dòng)，以背靠背啟動(dòng)作為備用啟動(dòng)方式。

三管六機(jī)型式的電站，靜止變頻器布置在主變壓器副廠(chǎng)房?jī)蓚?cè)，每臺(tái)靜止變頻器通過(guò)啟動(dòng)母線(xiàn)連接3臺(tái)機(jī)組，啟動(dòng)母線(xiàn)中間設(shè)置隔離開(kāi)關(guān)，機(jī)組不再設(shè)置拖動(dòng)閘刀，兩臺(tái)變頻器之間互相備用。

3.2新型電力系統(tǒng)下抽水蓄能電站優(yōu)化思路

抽水及抽水調(diào)相工況響應(yīng)過(guò)慢。目前抽水蓄能機(jī)組發(fā)電工況從停機(jī)到發(fā)電穩(wěn)態(tài)的時(shí)間一般為3～5min，可以滿(mǎn)足電網(wǎng)大功率電源缺失的迅速響應(yīng)。而抽水工況的啟動(dòng)時(shí)間一般要達(dá)到13～15min，且因?yàn)殡娬境Ｒ?guī)布置1～2臺(tái)靜止變頻器，安裝4臺(tái)機(jī)組的電站完成全部機(jī)組拖動(dòng)啟動(dòng)需要60min，安裝6臺(tái)機(jī)組的電站完成全部機(jī)組拖動(dòng)啟動(dòng)需要45min（每臺(tái)靜止變頻器連續(xù)拖動(dòng)3臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)消耗的時(shí)間），尚不能完全滿(mǎn)足電網(wǎng)在大功率負(fù)荷缺失情況下對(duì)抽水蓄能電站迅速響應(yīng)的要求。這就出現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)度為保抽水負(fù)荷投入的及時(shí)性，需要電站將多臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)到抽水調(diào)相工況進(jìn)行空載備用的情況。

機(jī)組抽水啟動(dòng)可靠性較低。安裝4臺(tái)機(jī)組的電站只配置1臺(tái)靜止變頻器對(duì)該靜止變頻器的穩(wěn)定性要求極高，靜止變頻器任何輕微故障將直接導(dǎo)致電站失去可靠的抽水啟動(dòng)手段[8]；背靠背啟動(dòng)方式作為備用抽水啟動(dòng)方式可靠性較差，且只能啟動(dòng)3臺(tái)機(jī)組進(jìn)行抽水；隨著電站運(yùn)行時(shí)間的增加，電子元件的壽命降低，靜止變頻器的故障率不斷提升，導(dǎo)致電站的運(yùn)行可靠性大幅降低，成為電站運(yùn)行的安全隱患；因靜止變頻器的關(guān)鍵性和唯一性，其檢修改造的困難及代價(jià)也是巨大的，甚至需要全廠(chǎng)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間退出備用。

靜止變頻器啟動(dòng)頻繁加速老化檢修進(jìn)程。每臺(tái)靜止變頻器拖動(dòng)啟動(dòng)的機(jī)組臺(tái)數(shù)過(guò)多，啟動(dòng)頻率的增加會(huì)加速電子元器件的老化，且由于靜止變頻器的主要依靠晶閘管等功率元件進(jìn)行整流逆變，不適宜長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。隨著電網(wǎng)運(yùn)行方式的變化，每臺(tái)機(jī)組一天啟動(dòng)抽水的次數(shù)可能從1次增加至2～3次或更多，因此更增加了靜止變頻器的工作負(fù)擔(dān)，加速了其大修改造的進(jìn)程，造成運(yùn)行成本的大幅提高。

綜上所述，為更好地適應(yīng)新型電力系統(tǒng)發(fā)展，充分發(fā)揮抽水蓄能電站功能作用，可以通過(guò)增加靜止變頻器的配置臺(tái)數(shù)實(shí)現(xiàn)靜止變頻器的互相備用，提高抽水蓄能機(jī)組抽水及抽水調(diào)相啟動(dòng)的響應(yīng)速度。而解決這個(gè)問(wèn)題，就需要從抽水蓄能電站的設(shè)計(jì)和廠(chǎng)房開(kāi)挖之初考慮，需要在地下廠(chǎng)房?jī)?nèi)提前開(kāi)挖出足夠空間布置冗余的靜止變頻器。

4抽水蓄能靜止變頻器合理配置臺(tái)數(shù)分析

一管四機(jī)型式的抽水蓄能電站由于水道閉鎖原因，依靠背靠背啟動(dòng)方式只能啟動(dòng)一臺(tái)機(jī)組抽水，常規(guī)情況都會(huì)配置2臺(tái)靜止變頻器作為抽水啟動(dòng)手段，所以本文不再討論。本文主要討論在新型電力系統(tǒng)的運(yùn)行模式下，為提高電站抽水啟動(dòng)服務(wù)電網(wǎng)的響應(yīng)速度，保障抽水蓄能電站運(yùn)行及備用的可靠性，兩管四機(jī)和三管六機(jī)型式的抽水蓄能電站中靜止變頻器的合理配置臺(tái)數(shù)。

為提高機(jī)組的抽水響應(yīng)速度，降低靜止變頻器的老化消耗，每臺(tái)機(jī)組配置1臺(tái)靜止變頻器理應(yīng)是最優(yōu)的，但因在同一水道中同時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)機(jī)組抽水的情況下，輸水壓力鋼管中會(huì)出現(xiàn)較大的水力擾動(dòng)，同時(shí)考慮投資的最優(yōu)化，所以共用一條水道的兩臺(tái)機(jī)組僅適宜配置一臺(tái)靜止變頻器。

4.1兩管四機(jī)電站靜止變頻器配置分析

由于兩管四機(jī)型式的電站配置1臺(tái)靜止變頻器，在新型電力系統(tǒng)中存在可靠性和抽水啟動(dòng)響應(yīng)速度極低的問(wèn)題，為適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展需求，提高服務(wù)電網(wǎng)的能力，配置2臺(tái)靜止變頻器較為合理。2臺(tái)靜止變頻器分別布置于主變壓器副廠(chǎng)房?jī)蓚?cè)，每臺(tái)靜止變頻器輸入斷路器通過(guò)啟動(dòng)母線(xiàn)連接兩臺(tái)機(jī)的被拖動(dòng)閘刀，中間設(shè)置聯(lián)絡(luò)閘刀，每臺(tái)靜止變頻器負(fù)責(zé)拖動(dòng)同一水道的兩臺(tái)機(jī)組，任一臺(tái)故障時(shí)另外一臺(tái)作為備用。

在電網(wǎng)需要緊急啟動(dòng)多臺(tái)機(jī)組抽水時(shí)，1號(hào)靜止變頻器分別拖動(dòng)1、2號(hào)機(jī)組啟動(dòng)，2號(hào)靜止變頻器分別拖動(dòng)3、4號(hào)機(jī)組啟動(dòng)，可保證30min內(nèi)4臺(tái)機(jī)組全部完成抽水啟動(dòng)，較原來(lái)啟動(dòng)時(shí)間減少一半；該模式下，兩臺(tái)靜止變頻器相互備用，任一臺(tái)故障或檢修情況下，另一臺(tái)可保持備用并完成全部4臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)，并可取消背靠背啟動(dòng)備用方式，可靠性大幅提升；每臺(tái)靜止變頻器只需拖動(dòng)兩臺(tái)機(jī)組，每日啟動(dòng)次數(shù)減半，且由于維護(hù)更加方便，可進(jìn)行更深入、可靠的定期檢查維護(hù)，不必?fù)?dān)心機(jī)組失去備用，因此靜止變頻器的使用壽命進(jìn)一步增加，大大降低了大修改造成本。

4.2三管六機(jī)電站靜止變頻器配置分析

三管六機(jī)型式的電站本身已經(jīng)配置了2臺(tái)靜止變頻器，能夠滿(mǎn)足互相備用，可靠性相對(duì)較高，為適應(yīng)新型電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，進(jìn)一步提高其抽水啟動(dòng)的響應(yīng)速度，可選擇配置3臺(tái)靜止變頻器，每臺(tái)靜止變頻器負(fù)責(zé)拖動(dòng)同一水道的兩臺(tái)機(jī)組。兩臺(tái)靜止變頻器仍然布置在主變壓器副廠(chǎng)房?jī)蓚?cè)，第三臺(tái)靜止變頻器垂直于主變壓器副廠(chǎng)房布置，每臺(tái)靜止變頻器輸入斷路器通過(guò)啟動(dòng)母線(xiàn)連接兩臺(tái)機(jī)的被拖動(dòng)閘刀，相互之間設(shè)置聯(lián)絡(luò)閘刀，3臺(tái)靜止變頻器互相備用。

在電網(wǎng)需要緊急啟動(dòng)多臺(tái)機(jī)組抽水時(shí)，3臺(tái)靜止變頻器分別拖動(dòng)各自連接的機(jī)組依次啟動(dòng)，可保證30min內(nèi)6臺(tái)機(jī)組全部完成抽水啟動(dòng)，較原來(lái)啟動(dòng)時(shí)間減少15min，在1臺(tái)靜止變頻器故障的情況下，仍可在60min內(nèi)完成6臺(tái)機(jī)組全部抽水啟動(dòng)；每臺(tái)靜止變頻器只需拖動(dòng)兩臺(tái)機(jī)組，每日啟動(dòng)次數(shù)為原來(lái)的2/3，可一定程度上提升靜止變頻器的使用壽命，降低大修改造成