本文是一篇电气工程论文，笔者认为传统定速抽水蓄能机组与电网刚性联结，可以为电力系统提供转动惯量支撑，而变速抽水蓄能机组机组转速与电网频率相互独立，不能对电网提供的转动惯量，寻求合适的控制策略提升变速机组调相工况参与电网一次调频的能力是进一步研究课题。
1 绪论
1.1 研究背景及意义
中国在2020年9月22日向国际社会宣布了“碳达峰”和“碳中和”的宏伟目标，这标志着中国在应对气候变化和推动低碳发展方面迈出了重要一步，电力系统正快速向绿色低碳转型，风能和太阳能在新增装机中正逐渐占据主导地位。截至2023年底，全国发电装机容量29.2亿千瓦，水电4.2亿千瓦，其中抽水蓄能5094万千瓦、核电5691万千瓦、并网风电4.4亿千瓦、并网太阳能发电6.1亿千瓦、火电13.9亿千瓦，其中，煤电11.6亿千瓦，占总发电装机容量的比重为39.9%[1]。全国并网风电和太阳能发电合计装机规模从2022年底的7.6亿千瓦，连续突破8亿千瓦、9亿千瓦、10亿千瓦大关，2023年底达到10.5亿千瓦，占总装机容量比重为36.0%[2]。
新能源大规模接入电网后，由于其不可预测性和波动性，会对电网的电压稳定性造成挑战。为了保持电网电压的稳定，通常需要在电网中安装无功补偿装置（如调相机）来调节电网的无功功率，但调相机的成本较高，且需要占据相对较大的空间，其价格昂贵主要是由于其复杂的设计和高性能所致，而其占据大量空间的特点则是由于其内部机械结构的需要，以及为确保稳定性和精准性而采取的大尺寸设计，因此，在考虑引入调相机时，需要充分考虑其造成的成本和空间占用[3]。抽水蓄能机组的单机容量大，且可以在多个工况调节无功，拥有良好的无功调节能力。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 抽水蓄能电站发展现状
抽水蓄能电站在电力系统中承担调峰、填谷、储能、调频、调相、紧急事故备用等多种功能[7]，具有容量大、工况多、速度快、可靠性高、经济性好等优势。充分发挥抽水蓄能机组的功能，可以有效保障大电网安全、促进新能源消纳、提升电网全系统性能[8]。抽水蓄能电站作为新型电力系统的关键支柱，在电力系统中具有举足轻重的地位。对于确保电力系统的安全稳定运行、优化电源结构布局、改善电能质量等方面，抽水蓄能电站均发挥着不可或缺的作用，为电力事业的可持续发展提供了强有力的支持[9]。
抽水蓄能电站1882年首先诞生在瑞士，至今已有百余年历史[10]。自20世纪60年代始，全球水电行业便纷纷投身于可变速抽水蓄能机组的研究与试验工作中，以期推动技术创新与应用发展。在变速抽水蓄能机组的应用方面，日本与欧洲均做出了卓越的贡献，特别是日本，其在可变速机组的研发、制造及应用方面始终处于领先地位，成果颇丰。日本在可变速抽水蓄能电站的建设上尤为突出，如矢木泽、冲绳、大河内等多个电站均已投入运行。此外，德国与斯洛文尼亚也紧随其后，成功投产了各自的可变速抽水蓄能电站，进一步推动了全球水电行业的技术革新与发展[11]。在可变速交流励磁抽水蓄能机组的应用领域，日本展现了显著的领先地位，其装机容量占据了全球总量的76.26%，成为全球范围内最早且最广泛应用此技术的国家，紧随其后的是德国，其装机容量占据了全球总量的18.33%，显示出该国在此领域的强劲实力[12]。
2 双馈可变速抽水蓄能机组稳态无功能力分析
2.1 定速抽水蓄能机组功率运行范围
定速抽水蓄能机组的运行范围通常由以下四个运行条件确定[46][55]：
（1） 定子绕组温升约束。
定子绕组温升取决于定子绕组电流，即取决于发电机的视在功率。机组额定容量以视在功率表示，该额定容量的上限主要由定子绕组和铁芯的热容量决定，它们的发热量标志着机组安全运行的界限。如果机组的运行状态超出了其额定视在功率所定义的范围，定子绕组将承受过度的热负荷，导致过热现象。这种过热不仅可能损害设备，降低机组寿命，还会增加安全风险。
（2） 原动机功率约束
原动机的额定功率通常等于它所配套的发电机的额定有功功率。定速抽水蓄能机组正常运行时，原动机功率约束表现为定速机组水轮机工况的最大出力约束为90%，最小出力约束为50%；水泵工况的最大入力约束为85%，最小入力约束为75%，在定速抽水蓄能机组限制P-Q图上表现为平行于横轴的四条直线。
（3） 励磁绕组温升约束
励磁绕组温升约束指在电机运行时，励磁绕组所承受的温度上升需要在一定范围内受到限制。励磁绕组温升取决于励磁绕组电流，一般电机运行时转子电流不会超过额定励磁电流，所以将额定励磁电流作为最大转子电流。
2.2 双馈可变速抽水蓄能机组无功调节能力理论研究
2.2.1 双馈可变速抽水蓄能机组无功功率
双馈可变速抽水蓄能机组的无功功率流向如图2-4所示，双馈可变速抽水蓄能机组的实际输出的无功功率分为两部分：双馈电机定子与网侧变流器输出的无功功率。
2.2.2 研究双馈电机无功能力理论方法
为了发挥双馈电机变速能力和功率解耦的优势，本文提出一种新的计算方法。这种方法在综合考虑水头、出力以及变速抽水蓄能机组的运行工况等多种限制因素的基础上，准确估算出机组的无功调节能力。
当前，在国内外相关研究领域内，关于双馈可变速抽水蓄能机组的探究主要聚焦于其功率解耦特性和运行性能的仿真分析，相对而言，对于如何精确计算双馈可变速抽水蓄能机组无功调节范围的研究显得较为稀缺。现有的研究文献主要是围绕双馈电机在风力发电领域的应用进行，专注于双馈交流电机自身的无功能力，而没有将其应用于抽水蓄能机组。基于双馈电机的运行特性可提高抽水蓄能机组的无功调节能力，这项研究对于提升双馈可变速抽水蓄能机组的运行效率具有重要意义。
3 双馈可变速抽水蓄能机组数学模型及无功分配策略 ...................... 31
3.1 水泵水轮机调节系统数学模型 .......................... 31
3.1.1 引水系统模型 ........................... 31
3.1.2 调速器模型 ............................... 32
4 双馈可变速抽水蓄能机组动态无功仿真研究 .................... 39
4.1 双馈可变速抽水蓄能机组水轮机工况动态仿真 ........................ 39
4.1.1 变速机组水轮机工况控制策略 ......................... 39
4.1.2 水轮机工况提供无功功率时的动态响应 .............................. 41
5 总结与展望....................... 57
5.1 总结 ............................... 57
5.2 展望 ................................ 57
4 双馈可变速抽水蓄能机组动态无功仿真研究
4.1 双馈可变速抽水蓄能机组水轮机工况动态仿真
4.1.1 变速机组水轮机工况控制策略
在水轮机工况下，机组的出力主要取决于导叶的开度大小。为了实现对机组出力的精确控制，我们可以借鉴传统定速机组的控制逻辑，并在此基础上进行拓展和优化。具体而言是将转速控制融入到水泵水轮机控制系统中，当系统检测到转速与目标值存在偏差时会通过调节导叶的开度来响应这种偏差从而实现对双馈可变速抽水蓄能机组出力的精确调控，还能确保机组在复杂工况下稳定运行，从而提高整个系统的运行效率和安全性。
在水轮机工况，水泵水轮机控制系统控制机组的转速n(ωr)，双馈电机控制系统控制机组的总有功功率P、定子无功功率Qs、母线电压UDC及网侧无功功率Qc，其控制框图如图4-1所示。
5 总结与展望
5.1 总结
结合新型电力系统发展的大趋势，本文针对双馈可变速抽水蓄能机组无功调节能力展开了研究，具体内容和结论总结如下：
（1）首先分析影响定速抽水蓄能机组运行限制的五个约束条件：定子绕组温升约束、原动机功率约束、励磁绕组温升约束、静态稳定约束、失励约束等，得到定速抽水蓄能机组正常运行P-Q功率限制图。再结合国内某定速机组实际数据得到定速机组正常运行时发出、吸收的无功功率极限值。其次基于双馈电机稳态T型等效电路模型和矢量控制理论分析影响双馈可变速抽水蓄能机组运行限制的三种因素：原动机功率限制、定子电流限制、转子电流限制，从而推导出变速抽水蓄能机组正常运行P-Q功率限制图。最后因本文采用国内某可变速抽水蓄能机组的网侧变流器实际容量数据42MVA，出于安全等运行因素的考虑，此变流器的容量设计较大。在不影响有功功率输出的前提下考虑网侧变流器的无功调节能力具有可行性，所以分析网侧变流器的无功调节能力。
（2）基于水泵水轮机特性曲线进行双馈可变速抽水蓄能机组的效率寻优得到水轮机工况、水泵工况下的最优转速发生器，从而得到不同水头及不同参考功率下变速机组的定、转子功率。将实际数据与定子、网侧变流器无功调节理论相结合得到变速机组定子无功功率运行范围和网侧变流器的无功功率运行范围从而推导出双馈可变速抽水蓄能机组总无功调节功率范围。再对比国内同容量的实际定速、变速机组的无功调节能力，从原动机功率下限差异、定子功率最大值差异、转子电流极值差异三个方面明显看出变速抽水蓄能机组在无功调节方面具有优越性，无功调节范围更加宽泛，尤其水泵工况下，定速机组的无功调节极限是一条曲线，变速机组的无功调节极限是一个曲面。
参考文献（略）
