1、第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol.47 No.2 2023 年 2 月 Power System Technology Feb.2023 文章编号：1000-3673（2023）02-0463-10 中图分类号：TM 721 文献标志码：A 学科代码：47040 变速抽蓄机组频率响应机理模型与性能研究朱珠1,2，潘文霞1，刘铜锤1,3，刘明洋4（1河海大学能源与电气学院，江苏省 南京市 210098；2铜陵学院电气工程学院，安徽省 铜陵市 244061；3国网浙江省电力公司宁波供电公司，浙江省 宁波市 315200；4国网河南省电力公司电力科学研究院，河南省 郑州市 45005
2、2）Frequency Response Mechanism Modeling and Performance Analysis of Adjustable-speed Pumped Storage Unit ZHU Zhu1,2,PAN Wenxia1,LIU Tongchui1,3,LIU Mingyang4(1.College of Energy and Electrical Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,Jiangsu Province,China;2.College of Electrical Engineering,Tong
3、ling University,Tongling 244061,Anhui Province,China;3.State Grid Ningbo Power Supply Company,Ningbo 315200,Zhejiang Province,China;4.State Grid Henan Electric Power Research Institute,Zhengzhou 450052,Henan Province,China)1ABSTRACT:Adjustable-speed pumped storage unit(ASPSU)is an environmentally-fr
4、iendly solution for primary frequency control in terms of its massive scale and reliability.Frequency response mechanism modeling and performance analysis of the ASPSU facilitate a better understanding and utilizing its merits for primary frequency control,which have been studied inadequately though
5、.This study aims to derive a frequency response mechanism model of the ASPSU and to quantitatively analyze its superiority in frequency regulation performances to those of the thermal power unit and the fixed-speed pumped storage unit.Firstly,it is presented that the frequency response mechanism mod
6、el of the ASPSU under the turbine and pumping modes.Then,it is figured out that the influence of droop coefficient on the frequency regulation stability of the three units respectively by the root locus method.Furthermore,the key dynamic indices are calculated when the three units contribute to the
7、primary frequency control respectively.Finally,the model and performance analyses are validated by the PSCAD/EMTDC software.This study helps to make full use of the ASPSU to ensure the frequency stability of the new power system.KEY WORDS:adjustable-speed pumped storage unit;primary frequency contro
8、l;mechanism model;performance analysis 基金项目：111 引智计划“新能源发电与智能电网学科创新引智基地”资助项目(B14022)；安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2021 A1057)；江苏省研究生科研创新项目(KYCX21_0475)。Project Supported by 111 Project of“Renewable Energy and Smart Grid”(B14022);Natural Science Foundation of Universities of Anhui Province(KJ2021A1057);Postgrad
9、uate Research&Practice Innovation Program of Jiangsu Province(KYCX21_0475).摘要：变速抽蓄机组是潜在的大容量、灵活可靠、清洁一次调频资源。缺乏频率响应机理模型和性能研究导致定量表达、挖掘、充分发挥该机组一次调频优势遇到瓶颈。提出了一种变速抽蓄机组频率响应机理模型，并基于该模型量化分析了变速抽蓄机组较常规机组、定速抽蓄机组在调频稳定性与动态性能两方面的优势。首先基于调频物理本质，建立了变速机组发电和抽水 2 种工况下的频率响应模型；其次利用根轨迹法分析了频率下垂系数对 3 种机组调频稳定性的影响；然后推导了 3 种机组对应
10、的调频性能指标，并比较了一次调频动态性能；最后通过 PSCAD/EMTDC 时域仿真验证了机理模型和性能分析的正确性。该研究结果为充分利用变速机组来保障新型电力系统频率稳定提供了有益的理论参考。关键词：变速抽蓄机组；一次调频；机理模型；调频性能分析 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2022.0635 0 引言“双碳”目标指出：到 2060 年，我国风光发电占比将超过 55%，成为电量供应主体1。随着高比例、强不确定性风光发电替代常规火电，系统调频压力与日俱增2。近年来，国内外众多频率安全事故表明：一次调频能力减弱是增加系统频率风险的主要原因3-4。目前，我国一次调频主
11、要由常规机组承担，其中占比最大的是火电机组。然而，新形势下火电机组在容量和灵活性上存在较大的局限性5。可见，挖掘大容量、灵活可靠、清洁的一次调频资源是保障新型电力系统频率稳定的关键。储能是备受关注的一次调频资源6-7，其中抽水蓄能是现阶段大容量、安全可靠的唯一储能方式8-9。464 朱珠等：变速抽蓄机组频率响应机理模型与性能研究 Vol.47 No.2 发电和抽水是传统定速抽蓄机组最主要的 2 种工况。发电工况下其调频机理与常规水电机组相同，即通过调节导叶开度来控制进水量，从而在一定范围内调节有功，但该过程因水锤效应而易失稳。抽水工况下无有功调节能力，仅提供紧急支援(如低频切泵)10。近年来，
12、在全球范围内推广和应用的变速抽蓄机组(adjustable-speed pumped storage unit，ASPSU)能够在发电和抽水 2 种工况下快速地实现有功调节。特别地，发电时有功调节不易受水锤影响，抽水时具有可观的调节范围(30%40%额定功率)11。为了缓解京津冀地区调频等压力，河北省丰宁抽蓄电站2台300 MW ASPSU已进入安装、调试阶段12。可见，人们已开始逐渐认识到 ASPSU 是新型的大容量、灵活可靠、清洁一次调频资源。目前，国内外已报道的 ASPSU 相关研究成果主要集中在其本体建模13-15与有功调节特性研究16-18 上。ASPSU 有功调节特性与常规机组存在
13、明显不同，小扰动下其电磁功率迅速变化(百毫秒级)，然后机械功率再变化。针对转速频率解耦导致 ASPSU有功调节特性无法贡献一次调频，学者们提出了不同的频率辅助控制方法并验证了有效性19-20。虽然ASPSU 能够具备一次调频能力，但是其调频机理尚未揭示，因此须研究 ASPSU 频率响应机理模型。在频率响应模型研究中，常见的有时域仿真全特性模型、先进模型和低阶响应模型。全特性模型考虑了仿真系统中各元件特性，较难解析表达调频机理；同时，先进模型依赖大数据、智能算法，通常将调频物理本质模糊化，较难揭示调频机理21-22；相比而言，低阶模型能够在不同程度上揭示并解析表达调频机理23-24。可见，ASP
14、SU 频率响应低阶建模是揭示并表达其调频物理本质的有效方法。定量表达 ASPSU 一次调频能力后，须进一步分析其调频性能来深入挖掘该能力。研究者们定性分析了ASPSU 在一次调频中所能发挥的作用25-26。但为充分发挥该作用仅定性分析不够，亟需相关定量分析，特别是量化 ASPSU 较常规机组、定速抽蓄机组的一次调频优势。本文首先基于调频物理本质，建立了 ASPSU频率响应机理模型；其次比较了频率下垂系数对ASPSU、常规机组、定速抽蓄机组调频稳定性的影响；然后基于推导的典型调频性能指标解析式，比较了几种机组的调频动态性能。最后通过 PSCAD/EMTDC 时域仿真验证了上述研究的正确性。1 A
15、SPSU 调频机理与频率响应机理模型 ASPSU 通常采用背靠背变流器，其基本结构如图 1 所示。其中，可逆式水泵水轮机在发电和抽水2 种工况下有功调节特性不同，即发电工况下通过调速控制导叶开度来调节输入的机械功率，抽水工况下通过改变转速来调节输出的机械功率26-27。2种工况下，双馈感应电机通过矢量控制转子电流来调节电磁功率。图 1 采用背靠背变流器的 ASPSU 结构 Fig.1 Typical schematic of ASPSU with back-to-back converters 1.1 ASPSU 调频机理 ASPSU 通过频率辅助控制器来模拟一次调频，该控制器通过设计图2所示
16、的转子侧变流器有功外环控制来实现20。频率辅助控制量 Ps满足：s1ref,=PKfffff 当频率死区(1)式中：fref和 f 分别为频率指令和频率采样；f 为小扰动下的频率偏差；K1为下垂控制系数。图 2 中：Ps.ref.0为有功指令初始值；Ps.ref.为考虑频率辅助控制的有功指令；Qs.ref.为无功指令；Ps和 Qs分别为有 s.refPrqirdis rms LsdisqisPs.ref.0P+_reff1Kf频率辅助控制器sP转子侧变流器矢量控制无功外环控制有功外环控制有功内环控制无功内环控制f频率死区i1p1kks+_i1p1kks+_sQs.refQ+_i2p2kkss rrrs L+_i2p2kkss rrrs Ls rms L+_rqur.refqur.refdurdu 图 2 含频率辅助控制器的 ASPSU 转子侧变流器控制框图 Fig.2 Block diagram of rotor-side converter of ASPSU including frequency responsive governor 第 47 卷 第 2 期 电 网 技 术 46