适应新型电网的4台机抽水蓄能电站静止变频器配置研究.pdf

适应新型电网的台机抽水蓄能电站静止变频器配置研究范云磊(华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司,浙江 湖州 )摘要:简述了“双碳”目标下新型电力系统的电源构成、特点及运行模式的转变,分析了电网需求变化引起抽水蓄能电站发挥作用的转变,抽水工况成为抽水蓄能发挥作用的主要工况,短时间、多频次的抽水启动成为电站运行的趋势.在高比例新能源电力系统需求变化的背景下,现阶段台机抽水蓄能电站仅配置套静止变频器,抽水响应速度慢、可靠性低.对比分析台机抽水蓄能电站配置套与套静止变频器对电网响应灵活性、经济性、可靠性等方面的影响,结果表明配置套静止变频器对电站性能改善明显.关键词:静止变频器;抽水蓄能;电动工况中图分类号:TM D O I:/j c n k i d g j s R e s e a r c ho nC o n f i g u r a t i o no fS t a t i cF r e q u e n c yC o n v e r t e r f o rF o u rU n i tP u m p e dS t o r a g eA d a p t i n g t oN e wP o w e rS y s t e mF ANY u n l e i(E a s tC h i n aT i a n h u a n g p i n gP u m p e dS t o r a g eC o,L t d,H u z h o u ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep o w e r s u p p l yc o m p o s i t i o n,c h a r a c t e r i s t i c s a n do p e r a t i o nm o d eo f t h en e wp o w e r s y s t e mu n d e r t h ed u a l c a r b o ng o a l a r eb r i e f l y i n t r o d u c e d T h ec h a n g eo f p u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o nc a u s e db y t h e c h a n g eo f g r i dd e m a n d i s a n a l y z e d P u m p i n gh a sb e c o m e t h em a i nc o n d i t i o n f o r p u m p e ds t o r a g e t op l a ya r o l e S h o r t t i m e a n dm u l t i f r e q u e n c yp u m p i n gs t a r t u ph a sb e c o m e t h e t r e n do fp o w e rs t a t i o no p e r a t i o n U n d e r t h eb a c k g r o u n do f t h ec h a n g i n gd e m a n do fh i g hp r o p o r t i o nn e we n e r g yp o w e r s y s t e m,o n l yo n e s e t o f s t a t i c f r e q u e n c yc o n v e r t e r i s c o n f i g u r e d f o r f o u r p u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o n s,w h i c hh a ss l o wp u m p i n gr e s p o n s ea n d l o wr e l i a b i l i t y T h ee f f e c t so f t w os e t sa n do n es e to f s t a t i c i n v e r t e r so nt h ef l e x i b i l i t y,e c o n o m ya n d r e l i a b i l i t yo f t h ep o w e r g r i d r e s p o n s eo f f o u r p u m p e ds t o r a g ep o w e r s t a t i o n s a r e c o m p a r e da n da n a l y z e d T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e c o n f i g u r a t i o no f t w o s e t s o f s t a t i c f r e q u e n c y c o n v e r t e r s c a ns i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo f t h ep o w e rs t a t i o n K e yw o r d s:s t a t i c f r e q u e n c yc o n v e r t e r;p u m p e ds t o r a g e;e l e c t r i cw o r k i n gc o n d i t i o n收稿日期:引言抽水蓄能是当今技术比较成熟、经济指标好、具备大规模开发条件的电力系统绿色、低碳、清洁、灵活调节储能型式,可与风电、光伏发电、核电、火电等配合产生良好的经济效益.为实现“碳达峰、碳中和”战略目标,国家能源局印发了 抽水蓄能中长期发展规划(年).该规划提出:年前能源消费总量达峰,可再生能源全面规模化替代化石能源,以新能源为主体的新型电力系统加速构建;年可再生能源成为我国能源消费总量主体,可再生能源占一次能源消费比重超过;年实现“碳中和”目标.截至 年底,我国抽水蓄能在建规模已达 万k W,由于这些抽水蓄能电站规划期双碳目标尚未提出,其建设目的主要是满足核电、火电与电力负荷的匹配.随着以风电、光伏等新能源为主体的新型电力系统建设,电源出力波动性、随机性增强,为电网调度运行带来挑战,电网对抽水蓄能电站的运行需求,特别是动态响应性能也将有更高的要求.以福建某抽水蓄能电站为例,投产之初机组年平均启动 余次,在省内大规模风电、光伏代替火电机组背景下,年机组年启动次数已达 次,甚至出现机组刚开始发电运行,就接调度令停机转为电动工况运行的情况.抽水蓄能电站标准化程度比较高,一座电站通常具有台或台机组,其中台机电站占大多数.根据“双碳”目标提出前颁布的规范N B/T 抽水蓄能电站设计规范要求,“当机组台数为台及以上时,宜选用套变频启动装置,互为备用.当机组台数少于台时,宜选用套变频启动装置,并以背靠背同步启动作为电力设备电工技术 备用启动方式.”故目前台机电站均设置套变频启动装置,并以背靠背启动作为后备.这种配置动态响应速度慢,难以满足新型电网的需求.我国学者也对此展开了研究,文献 提出在两管四机和三管六机型式的抽水蓄能电站,适宜安装与输水系统水道相等数量的静止变频器,以达到最优的抽水及抽水调相启动响应效率,但未从经济性角度展开分析.文献 提出响应速度较慢、受地理条件约束两个难题将限制抽水蓄能在新型电网功率能量平衡中发挥作用,但未展开定量分析.本文基于抽水蓄能机组电动工况启动原理,从经济性、可靠性方面对比台机电站不同启动方案,提出合理的变频启动装置配置原则,为抽水蓄能工程建设提供参考.电动工况启动基本方法抽水蓄能机组电动启动的方式有:辅助电动机启动、异步启动、背靠背启动、变频启动.辅助电动机启动需要同轴设备,会降低机组稳定性,增加厂房结构复杂度,而异步启动的启动电流大,对电网和机组冲击大,因此这两种启动方式已逐渐被淘汰,目前主要采用背靠背启动和静止变频器启动方式.背靠背启动背靠背启动是以电站台机组作为启动电源.如图所示,每台机组都有拖动刀和被拖动刀.启动前将发电机组通过断路器、拖动刀接到启动母线上,电动机通过被拖动刀接到启动母线上.启动开始时,开启拖动机组的导叶,此时拖动机组机端产生的低频电压经过启动母线传递到被拖动机组的定子侧,通过气隙磁场剩磁在转子侧感应出启动转矩,使被拖动机组转子随拖动机组同步旋转.随着拖动机组导叶逐渐增大开度,转速随之上升,被拖动机组机端电压随之升高.当转速上升到 同步转速附近时,投入发电机、电动机组的励磁调节器,之后转速继续升高,到达同步转速后,通过倒闸流程将机组并网.图背靠背启动电气接线图背靠背启动方式具有以下特点.()电站总有台机无法电动启动,对于机电站,将有 容量无法背靠背启动.()发电机拖动台电动机启动完成后,需要停机,才能启动下一台,流程时间长.()需设置启动母线和拖动、被拖动开关设备,电气接线和布置较复杂.()由于启动过程涉及从至额定转速的工况,因此机组保护装置需要在 H z范围内有效运行.静止变频器启动静止变频器工作原理如图所示.电源从主变低压侧引接至输入变压器,经过降压,通过整流桥输出,再经平波电抗器后,形成稳定的直流电供给逆变桥;逆变桥按照设定的定子电压/频率将直流电转换为频率逐渐升高的交流电流,并施加在电动机定子绕组上,产生超前于转子磁场的定子旋转磁场,定子旋转磁场将与转子磁场相互作用形成旋转加速力矩,从而将电动机转子加速到同步转速.图静止变频器原理图静止变频器启动方式的特点如下.()变频器处于静止状态,空间布置维修方便,但占地面积大,启动设备价格较高.()变频器投入运行期间,整流部分将在其输入端产生谐波,使厂用电电压发生畸变,需要装设滤波器.()电动机组同步并网后,静止变频器可立刻通过倒闸操作启动下一台机组,工作切换时间短.()变频器产生的附加损耗很小,效率高.两种启动方式对比对于不同线路可计算出其电阻值,见表.表启动方式对比启动方式背靠背启动变频器启动设备容量 对电网冲击无小启动损耗大很小启动时间 s(含停机)s受阻容量台机无投资 万/机 万/套新型电网特点电力系统是由电源、电网、负荷等多主体构成的,功率、能量在多时间尺度上保持平衡的系统.其短时间尺度(毫秒到分级)的平衡决定了电网动态稳定性;中长时间尺度(分级到月级)的平衡决定了电网的效率和经济性.电工技术电力设备随着新能源发电技术以及各类电力电子装置的高速发展,特别是“碳达峰、碳中和”战略目标的提出,电网将逐步过渡到高比例间歇性新能源和高比例电力电子装置(“双高”)属性的新型电网.电网的电源特性、负荷特性正发生深刻变化,在多时间尺度上的功率和能量平衡亦面临新重构.“双高”特性的新型电网具有以下特点.()电源侧以间歇性、低转动惯量、波动性强且不可控的风电、光伏发电作为基本能源,通过变流装置实现能量转化和并网.()电网由交流输电为主向交、直流网络架构过渡,采用大量基于电力电子技术的柔性补偿和环流装置实现对电能的变压、变频和传输控制.()用电侧由传统重工业为主的恒功率负荷逐步转变为采用电力电子并网装置的柔性负荷,在提升负荷设备运行效率的同时,负荷功率调节快、波动性增强.具有强随机性、波动性的风电和光伏等新能源占比日益增长,使得电网的可调性和灵活性下降,导致电源负荷间功率和能量平衡的难度上升,经济性劣化.在传统电网中,电源主要由火电、水电和核电构成,这些机组均可以实现较大容量和较长时间范围内的出力调节,抽水蓄能机组也主要用于减少丰水期弃水量以及负荷低谷时的能量过剩,负荷波动也具有较强规律性,主要是工业为主的恒功率电动机生产负荷,电网调度难度小.而在新型电力系统中,高比例新能源的随机性和不可控性可造成出力在短时间内急剧变化,对抽水蓄能机组在中短时间尺度(分钟级至小时级)范围内的动态响应速度需求将显著提高.机电站经济性分析根据现行规范,目前台机抽水蓄能电站均装设台静止变频器.根据机组转速、容量和静止变频器容量不同,电动工况启动时转子加速时间略有差异,通常在 s左右.但电动工况启动还包含其他环节,机组抽水启动基本步骤如下.()打开压水主阀,向转轮室通入高压气体,将转轮室水压至转轮以下水位.()启动静止变频器,将转子拖动加速到同步转速.()退出静止变频器,通过发电机断路器同期合闸并网.()尾水管充气压水系统进行排气,开启导叶和主配压阀,待转轮造压成功后关闭排气阀,抽水启动完成.静止变频器启动方式下,单台机组从接收到抽水启动指令至启动完成,通常需要 m i n,那么台机启动完成通常需要 m i n.这种响应速度在匹配核电、火电出力时,基本能满足调度需求,然而随着电力系统向高比例新能源方向转型,间歇性和波动性显著增强,m i n的响应速度将造成能源浪费和电能不平衡,同时频繁的启停也将增加静止变频器故障概率.对电能平衡的影响以某高比例新能源地区电网为例,某h内新能源电源出力与负荷曲线如图所示,可以看出,电源出力波动较大,从约第 m i n开始电源出力开始大于负荷(m i n前的负荷缺口将由煤电或抽蓄机组等备用电源承担),至约第 m i n,新能源出力下降至低于负荷为止,共有 m i n的功率过剩时段.图某地区电能平衡曲线该地区配置了座 MW的抽水蓄能电站.从第 m i n开始进入电动工况启动状态,当配置台静止变频器时,台机启动共需约 m i n,当配置台静止变频器时,台机启动共需约 m i n.图的电源功率曲线对应图的阴影部分,图的阴影部分即为本次调节过程中,台静止变频器配置比台静止变频器配置多存储的电能,共计约 MWh,按抽水蓄能电站抽水发电循环效率 考虑,综合售电收入 元/(k Wh),则此 m i n内,台静止变频器配置将比台节约 万元,效益可观.图不同静止变频器配置电能平衡对比 对电站可靠性影响抽水蓄能电站的特点是先有抽水再有发电.如果机组无法抽水,那么电站将停运.目前,抽水蓄能机组本体的设计寿命是按每天启停 次设计的,即每天充放或充放.按照电网现状,目前抽水蓄能机组启停次数普遍还未达到设计次数,但正在显著增加,部分电站的启停次数近年来增加了倍,随着间歇性能源占比的进一步提高,超过每天 次启停只是时间问题.台机电站每台机每天电动工况启动次,则一年为 次,即静止变频器每年要运行 次.当仅有台静止变频器时,一旦静止变频器故障,就需要背靠背启动,且出现受阻容量.静止变频器故障率约为,则一年失败次数为 次,平均修复时间取 h(与电站所处地区和厂家响应时间相关),则年静止变频器平均停运 h,按今后年利用小时数 h计算,用(下转第 页)电力设备电工技术 感器、数据自动采集存储系统及大容量电池,实现局部放电检测的即插即用,启动后自持力不低于天.在线局放监测系统低功耗局部放电信号采集器通过路B N C接口实时接收三相局放信号,通过路B N C接口采集工频信号.通过R F滤波、放大、高速采样等处理步骤提取有效的局放信号,再通过小波降噪过滤干扰信号.光纤对时网络为分布式测量传感器提供纳秒级授时,实现分布式同步数据采集,同时有助于滤除环境噪声干扰,得到准确的电缆局放综合信息.模块化系统内置国际通用的M o d B u s、T C P协议和I E C 协议,可以方便地与电力、D C S等综合监控系统对接.结语西虹桥智慧电缆示范区的建成,实现了区域内多回排管敷设高压电缆的护层环流、局部放电、电缆通道反外损的在线实时监测.各项监测数据的联动融合确保示警准确度,提升了系统的可靠性.以智能换位(接地)箱为节点 的 综 合 数 据 系 统、专 家 系 统 和 台 账 数 据 的 融合,高压电缆专业精益化管控平台多维度展示电缆线路状态和全寿命周期预测.故障发生时,系统快速响应,并准确定性和定位故障点,大大缩短检修人员消缺排障时间,保证了供电可靠性.外部发生威胁电缆通道安全的事件时,现 场 设 备 及 时 发 出 警 示 信 号 并 通 知 运 维 人员,提高了反外损效率.参考文献 朱晓辉,孟峥峥,王浩鸣,等运行高压交联聚乙烯电力电缆的介电性能J高电压技术,():王宗耀基于改进雷达图理论的交联聚乙烯电力电缆运行状态综合评估J高压电器,():洪祎祺电力电缆运行维护及故障探测D上海:上海交通大学,巩彦江基于金属护套接地电流高压电缆故障诊断D哈尔滨:东北农业大学,周路遥,曹俊平,王少华,等基于多状态量特征及变化规律的高压电缆状态综合评估J高电压技术,():柴玉华,巩彦江,杨刚,等基于接地电流高压电缆交叉互联故障分析J电测与仪表,():,郭卫,周松霖,王立,等电力电缆状态在线监测系统的设计及应用J高电压技术,():张博高压电缆运行参数在线监测报警系统的研发J电工技术,():原佳亮护层感应电流检测技术在高压电缆运行中的应用C第二十五届华东六省一市电机工程(电力)学会输配电技术研讨会,欧阳建军高压电缆接地环流监测技术的应用J中国新技术新产品,():李忠磊,杜伯学高压直流交联聚乙烯电缆运行与研究现状J绝缘材料,():夏君山,夏向阳,赵威,等基于差值电流分析的高压电缆在线监测研究J高压电器,():(上接第 页)背靠背启动代替,受阻容量为,平均每年的经济损失将达到 万元.若采用台静止变频器,则年失败次数为 次,且受阻容量为 零,基 本 不 存 在 经 济损失.结语在高比例新能源的新型电网建设背景下,对比台 MW机组抽水蓄能电站配置套和套静止变频器的电站经济性、可靠性,得出以下结论.()配置套静止变频器可实现电站从停运至抽水满载的响应时间缩短半,单次启动可提升经济效益 万元,同时改善电网中短时间尺度内功率平衡问题.()配置套静止变频器时,机组按日设计启停次数运行下,基本消除静止变频器故障导致的电站受阻容量,平均每年可节省经济损失 万元.()配置套静止变频器时,电站不再需要繁琐的背靠背启动流程,大幅度简化了机组调试、运行复杂度.综上,随着新型电网的发展,台机抽水蓄能电站配置套静止变频器具有显著优势.参考文献 彭才德助力“碳达峰、碳中和”目标实现加快发展抽水蓄能电站J水电与抽水蓄能,():董海洋,衣传宝,王龙基于新型电力系统条件下抽水蓄能电站静止变频器配置台数的优化研究J水电与抽水蓄能,():谢小荣,马宁嘉,刘威新型电力系统中储能应用功能的综述与展望J中国电机工程学报,():谢小荣,贺静波,毛航银,等“双高”电力系统稳定性的新问题及分类探讨J中国电机工程学报,():姜海洋,杜尔顺面向高比例可再生能源电力系统的季节性储能综述与展望J电力系统自动化,():单华,彭宇菲,徐钢抽水蓄能电站S F C的应用与参数优化J电力工程技术,():电工技术电力设备