FSC可變速抽水蓄能在含大規(guī)模風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

暢 欣，韓民曉，鄭 超

（華北電力大學(xué)，北京市 102206）

FSC可變速抽水蓄能在含大規(guī)模風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

暢 欣，韓民曉，鄭 超

（華北電力大學(xué)，北京市 102206）

全功率變流器（Full Size Converter，F(xiàn)SC）可變速抽水蓄能（Variable Speed Pumped Storage，VSPS）是電網(wǎng)自動(dòng)頻率控制，平衡可再生能源發(fā)電波動(dòng)的有效手段。本文在介紹三電平全功率變流器可變速抽水蓄能整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹了機(jī)側(cè)變流器和網(wǎng)側(cè)變流器的模型和控制策略。在給出由于電網(wǎng)需求而產(chǎn)生的參考功率的基礎(chǔ)上，說(shuō)明了全功率變流器可變速機(jī)組在發(fā)電模式和電動(dòng)模式時(shí)有功功率和無(wú)功功率的控制策略。最后，用PSIM和MATLAB/SIMULINK軟件對(duì)基于雙饋機(jī)組和全功率變流器機(jī)組的風(fēng)光儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，闡述了全功率機(jī)組對(duì)可再生能源等引起的電網(wǎng)波動(dòng)的控制作用。

全功率變流器；電力電子變流器；可變速抽水蓄能電站；功率控制策略；可再生能源

1 緒論

抽水蓄能電站是當(dāng)前公認(rèn)的最成熟、最經(jīng)濟(jì)、壽命周期最長(zhǎng)、容量最大的大規(guī)模儲(chǔ)能方式。根據(jù)《國(guó)家發(fā)展改革委關(guān)于促進(jìn)抽水蓄能電站健康有序發(fā)展有關(guān)問(wèn)題的意見(jiàn)》，到2025年，全國(guó)抽蓄電站總裝機(jī)容量達(dá)到1億kW，占全國(guó)電力總裝機(jī)容量的比重達(dá)到4%左右。但目前，全國(guó)抽蓄電站總裝機(jī)容量?jī)H為2151萬(wàn)kW，占全國(guó)電力總裝機(jī)容量比重不到2%，離發(fā)展目標(biāo)仍有較大差距[1]。

隨著電力電子技術(shù)和自動(dòng)控制理論的飛速發(fā)展，三相交流勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子組成的可變速抽水蓄能機(jī)組得到了技術(shù)支持，并很快開(kāi)始了應(yīng)用。普通機(jī)組的勵(lì)磁是AC-DC的整流裝置，而可變速的機(jī)組則由原先的AC-AC變頻裝置發(fā)展到如今的AC-DC-AC結(jié)構(gòu)。采用可變速技術(shù)的抽水蓄能電站，不僅可以快速調(diào)節(jié)有功功率和無(wú)功功率來(lái)使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，而且可以改善電能質(zhì)量，提高發(fā)電效率。可變速抽水蓄能系統(tǒng)還可以有效地控制電網(wǎng)負(fù)荷頻率，并且平衡由于可再生能源引起的頻率波動(dòng)[2]，使電能質(zhì)量更加穩(wěn)定和可靠。由于基于雙饋系統(tǒng)的可變速抽水蓄能機(jī)組的裝機(jī)容量?jī)H占總裝機(jī)容量的1/5，加上它的優(yōu)越性能，已經(jīng)進(jìn)入了較成熟的應(yīng)用階段。日本、德國(guó)、瑞士等國(guó)在可變速抽水蓄能電站技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面取得了令人矚目的成就[3，4]。

由于變流器容量較小，世界上大多數(shù)可變速抽水蓄能系統(tǒng)都用的是三相交流勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子組成的雙饋可變速抽水蓄能機(jī)組，然而這種普通的可變速機(jī)組存在嚴(yán)重的缺點(diǎn)：復(fù)雜的轉(zhuǎn)子受到設(shè)計(jì)限制——限制速度增加以符合該泵用水輪機(jī)的最佳速度極限。此外，該啟動(dòng)程序復(fù)雜得多，有時(shí)甚至需要泵用水輪機(jī)來(lái)排水，而且很難滿(mǎn)足電網(wǎng)的要求。因此發(fā)展全功率變流器的同步電機(jī)已成為主要趨勢(shì)。全功率變流器是在發(fā)電機(jī)定子與電網(wǎng)間連接了一個(gè)與發(fā)電機(jī)功率相同的變頻器，將發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓、頻率不同的電力，經(jīng)過(guò)整流、逆變后變成與電網(wǎng)電壓、頻率相同的電力，輸入電網(wǎng)。它的優(yōu)點(diǎn)在于將發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)完全隔離，電機(jī)調(diào)速范圍更寬，同時(shí)在電網(wǎng)異常和故障狀態(tài)下，變流器的兼容運(yùn)行能力更強(qiáng)。將現(xiàn)有的抽水蓄能電站相對(duì)較為方便地改裝為采用全功率變流器可變速抽水蓄能電站也說(shuō)明了全功率方式的優(yōu)越性。全功率技術(shù)已成功應(yīng)用于格里姆瑟爾2號(hào)抽水蓄能電站[5]。

由于新型電力電子器件的價(jià)格一再降低，變流器占整體工程投資的比例逐漸減小，雙饋可變速機(jī)組投資較小的優(yōu)勢(shì)也越來(lái)越不明顯[6，7]。將普通的雙饋可變速機(jī)組升級(jí)為全功率機(jī)組時(shí)，抽水蓄能電站的主要投資僅增加了2%～4%。同時(shí)由于機(jī)組可變速，可以平滑調(diào)節(jié)，降低了水輪機(jī)的摩擦損耗，減少了水流對(duì)水輪機(jī)的損壞，從而增長(zhǎng)機(jī)組的維修周期，降低維修時(shí)消耗的人力、物力和財(cái)力?？傊还苁窃O(shè)計(jì)安裝新的電站，還是改裝現(xiàn)有的抽蓄機(jī)組，全功率變流器機(jī)組都具有一定的優(yōu)勢(shì)。

本文分析了三電平全功率變流器可變速抽水蓄能機(jī)組功率調(diào)節(jié)特性，并描述了電網(wǎng)運(yùn)行對(duì)功率調(diào)節(jié)的需求（即參考有功功率和無(wú)功功率的產(chǎn)生）；基于此詳細(xì)分析了發(fā)電模式下和電動(dòng)模式下功率的調(diào)節(jié)特性和方法。最后運(yùn)用PSIM和MATLAB/SIMULINK軟件對(duì)基于全功率變流器的可變速抽水蓄能機(jī)組功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的特性進(jìn)行了數(shù)字仿真分析和頻譜分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)對(duì)電壓波動(dòng)的響應(yīng)和在發(fā)電、電動(dòng)方式下對(duì)功率波動(dòng)的響應(yīng)，證明了系統(tǒng)對(duì)波動(dòng)的抑制作用。

圖1 中點(diǎn)箝位型（NPC）三電平雙PWM結(jié)構(gòu)

2 全功率變流器可變速抽水蓄能機(jī)組模型與控制策略

全功率變流器是水輪機(jī)發(fā)出的電能連接到電網(wǎng)的唯一通路，具有較高的可靠性和較快的響應(yīng)速度，并且容量與抽水蓄能機(jī)組的容量相同。如圖1所示，由于容量和電壓的增大，抽水蓄能電站變流器逐漸向多電平化發(fā)展，采用了三電平中點(diǎn)箝位型（NPC）電壓源變流器。兩個(gè)串聯(lián)器件的中點(diǎn)通過(guò)箝位二極管和直流側(cè)電容的中點(diǎn)相連接。箝位二極管的作用是：在開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，提供電流通道從而防止電容短路。三電平中點(diǎn)箝位型電壓型變流器的主要調(diào)制算法是空間矢量脈沖寬度調(diào)制算法，它數(shù)字化程度高，直流電壓利用率高，在三電平變流器中得到了廣泛的應(yīng)用[8]。

圖2 系統(tǒng)的控制框圖

如圖2所示，為保證電網(wǎng)正常運(yùn)行，網(wǎng)側(cè)變流器要在交流側(cè)維持有功功率和無(wú)功功率的平衡?；赿-q解耦的控制算法，網(wǎng)側(cè)變流器控制可以準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)有功與無(wú)功的解耦控制，保證電網(wǎng)的正常運(yùn)行。結(jié)構(gòu)上，網(wǎng)側(cè)變流器是電流控制的并網(wǎng)型電壓源變流器，可以靈活控制輸出的三相電流。其工作原理是：當(dāng)電網(wǎng)電壓保持恒定，通過(guò)控制與變流器連接的濾波電感上的電流大小，使其跟蹤指令電流的變化，從而使變流器經(jīng)濾波后的輸出功率能夠隨指令電流的變化而成比例變化。全功率變流器的網(wǎng)側(cè)變流器可以向電網(wǎng)輸送能量。晶閘管變流器、電壓源型PWM變流器（VSC）等都可以作為連接電網(wǎng)的變流器使用。PWM調(diào)制帶來(lái)的開(kāi)關(guān)頻率及更高次諧波會(huì)影響到器件的正常工作，為了濾除這些諧波，可以在VSC三相輸出側(cè)采用濾波電感（L），改善連接到電網(wǎng)的電流波形質(zhì)量。變流器不管工作在空載狀態(tài)，還是逐步加載到滿(mǎn)載運(yùn)行，它的直流側(cè)電壓的動(dòng)態(tài)性能都可以滿(mǎn)足電網(wǎng)運(yùn)行的需求。

機(jī)側(cè)變流器的目的是維持直流母線電壓恒定，從而保證機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)有功功率的恒定。當(dāng)網(wǎng)側(cè)換流器的有功功率波動(dòng)的時(shí)候，直流母線電壓就隨之變化。當(dāng)直流母線電壓變化時(shí)，機(jī)側(cè)變流器可以調(diào)整輸出頻率，從而調(diào)整發(fā)電電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過(guò)轉(zhuǎn)子動(dòng)能的調(diào)整和調(diào)速器對(duì)水流量的調(diào)整來(lái)最終實(shí)現(xiàn)功率的控制[9]。機(jī)側(cè)變流器控制的目的是連接網(wǎng)側(cè)變流器和電動(dòng)發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)兩者之間的電能輸送，在不同工作模式下都準(zhǔn)確控制轉(zhuǎn)矩跟蹤，使變流器的動(dòng)態(tài)性能滿(mǎn)足電網(wǎng)要求。使用全控器件和空間矢量SVPWM調(diào)制算法，可以有效減小電流諧波、抑制電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、降低系統(tǒng)損耗、在不同工作模式下實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，并且還可以提高變流器直流電壓利用率，保證良好的動(dòng)態(tài)性能。

不論在發(fā)電模式還是電動(dòng)模式，同步電機(jī)的工作特性主要取決于電機(jī)和變流器對(duì)其的控制。同步電機(jī)通過(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，精確實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩電流（有功）和勵(lì)磁電流（無(wú)功）的解耦，最終控制電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。

圖3 可變速機(jī)組有功參考功率的形成

3 全功率變流器可變速抽水蓄能機(jī)組功率調(diào)節(jié)特性分析

3.1 電網(wǎng)運(yùn)行對(duì)功率調(diào)節(jié)的需求

（1）有功功率的控制過(guò)程。

為充分發(fā)揮可變速機(jī)組在電網(wǎng)運(yùn)行中的控制作用，通常將多種控制功能相互結(jié)合，如圖3所示[10]。調(diào)度系統(tǒng)在整個(gè)電網(wǎng)層面考慮能量平衡和最優(yōu)控制的基礎(chǔ)上得到最優(yōu)功率Poptimal，控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷波動(dòng)（包括可再生能源發(fā)電出力波動(dòng)）跟蹤控制及系統(tǒng)頻率控制形成附加控制量ΔPw，ΔPf。這些量相疊加形成有功功率的參考量Pref。

其中，ΔPw通常采用波動(dòng)性負(fù)荷或可再生能源發(fā)電出力的測(cè)量值與預(yù)測(cè)值之差形成：

而ΔPf則可以是簡(jiǎn)單的下垂控制，也可以通過(guò)增添附加項(xiàng)用于電網(wǎng)振蕩阻尼。

其中，Kdrop為下降調(diào)節(jié)系數(shù)；Td、Tfilt分別為調(diào)節(jié)系統(tǒng)與濾波系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)；fref、fgrid分別為參考頻率和電網(wǎng)的實(shí)際頻率。

（2）無(wú)功功率的控制過(guò)程。

機(jī)組的無(wú)功功率則依據(jù)電壓穩(wěn)定控制需要計(jì)算形成。類(lèi)似如圖4所示，系統(tǒng)運(yùn)行提供設(shè)計(jì)基本功率Qb，通過(guò)系統(tǒng)電壓控制得到附加功率ΔQu。這些量相疊加形成無(wú)功功率的參考量Qref。

而ΔQu則可以是簡(jiǎn)單的PI調(diào)節(jié)控制，也可通過(guò)增添附加項(xiàng)用于電網(wǎng)振蕩阻尼。

圖4 可變速機(jī)組無(wú)功參考功率的形成

其中，Kp、Ki分別為比例與積分環(huán)節(jié)的系數(shù)，s為微分算子；uref、ugrid分別為參考電壓和電網(wǎng)的實(shí)際電壓。無(wú)功功率的控制不會(huì)影響直流母線電壓，所以，可以通過(guò)控制網(wǎng)側(cè)變流器來(lái)控制無(wú)功功率[11，12]。

3.2 不同模式下的功率調(diào)節(jié)特性

作為可逆的發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，葉片式水力機(jī)械可以雙向運(yùn)行，水泵或水輪機(jī)都可以反方向旋轉(zhuǎn)，以相反的方式工作。在發(fā)電模式下，即在高峰負(fù)荷時(shí)，機(jī)組作為發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，利用上池的蓄水發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，送到電網(wǎng)。水輪機(jī)進(jìn)口能量高于出口能量，即水流對(duì)轉(zhuǎn)輪做功。由于調(diào)節(jié)網(wǎng)側(cè)逆變器相對(duì)于電網(wǎng)的相角，可以使有功功率發(fā)生變化。當(dāng)相角增大，電網(wǎng)功率增大，使得三電平NPC變流器的直流母線電壓Udc（見(jiàn)圖1）降低時(shí)，電網(wǎng)所需的發(fā)電量增大，機(jī)側(cè)變流器可以調(diào)整輸出頻率，從而使得發(fā)電電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降低，通過(guò)轉(zhuǎn)子動(dòng)能的調(diào)整和調(diào)速器對(duì)水流量的調(diào)整來(lái)最終實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率的控制。相反，當(dāng)電網(wǎng)功率減小，使得直流電壓Udc升高時(shí)，電網(wǎng)所需的發(fā)電量降低，調(diào)整機(jī)側(cè)變流器的頻率，使得發(fā)電電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速提高。所以，抽水蓄能電站可以根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷變動(dòng)情況而調(diào)節(jié)發(fā)出功率，可靠性高，靈活快速，暫態(tài)特性好。

在電動(dòng)模式下，即在電力系統(tǒng)負(fù)荷處于低谷時(shí)，抽水蓄能機(jī)組作為水泵運(yùn)行，往上庫(kù)蓄水，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，水泵的出口能量高于進(jìn)口能量，即轉(zhuǎn)輪對(duì)水流做功。PI、PG、PM等功率的流動(dòng)方向與電動(dòng)模式相反。此時(shí)，功率由電機(jī)轉(zhuǎn)速直接控制，電網(wǎng)吸收的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，就可以大幅度的調(diào)節(jié)電網(wǎng)和水輪機(jī)之間的功率。

4 全功率變流器可變速抽水蓄能電站在可再生能源波動(dòng)補(bǔ)償中的作用

隨著電網(wǎng)中可再生能源的不斷增加，其隨機(jī)性和間歇性使得電網(wǎng)控制和操作要求更加嚴(yán)格。儲(chǔ)能技術(shù)可以用于改善風(fēng)電場(chǎng)和太陽(yáng)能電站的功率波動(dòng)，這其中極具商業(yè)潛力的當(dāng)屬可變速抽水蓄能電站。當(dāng)電網(wǎng)頻率變化時(shí)，系統(tǒng)的有功需求會(huì)大大改變；同時(shí)當(dāng)電網(wǎng)電壓顯著跌落時(shí)，系統(tǒng)的無(wú)功需求會(huì)大大提高。因此，電網(wǎng)期望抽水蓄能機(jī)組可以方便快速地向電網(wǎng)提供滿(mǎn)足要求的有功和無(wú)功，調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率和電壓。在全功率變流器的網(wǎng)側(cè)采用解耦控制，能夠獨(dú)立地調(diào)節(jié)有功與無(wú)功功率的波動(dòng)。此外，在電網(wǎng)故障狀態(tài)下，也希望抽水蓄能機(jī)組提供有功和無(wú)功的支持，有助于電網(wǎng)的快速恢復(fù)，并減輕頻率和電壓波動(dòng)而帶來(lái)的不良影響。

可變速抽水蓄能對(duì)風(fēng)電波動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ч艽蟪潭壬先Q于這兩個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)時(shí)間響應(yīng)特性。分析風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)和可變速抽水蓄能的頻譜特性，表明可變速抽水蓄能技術(shù)可以有效地補(bǔ)償風(fēng)電波動(dòng)。

4.1 風(fēng)電波動(dòng)和抽水蓄能系統(tǒng)的頻譜特性

風(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)變化導(dǎo)致了風(fēng)速的隨機(jī)性和間歇性。風(fēng)電場(chǎng)功率輸出也會(huì)受到塔影、風(fēng)切變和偏航誤差等因素的隨機(jī)影響。風(fēng)由四部分組成：基本風(fēng)、漸變風(fēng)、陣風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)。在不同的地區(qū)和不同的季節(jié)，風(fēng)的組成具有一定的隨機(jī)性。如果記錄風(fēng)力發(fā)電隨著時(shí)間的變化，就可以在不同的周期做傅里葉分析，從而得到風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)的頻譜特性。

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，典型的風(fēng)力發(fā)電波動(dòng)頻率從幾分鐘、一天、到4～5天不等。由于風(fēng)力每天的波動(dòng)都很緩慢，所以電網(wǎng)可以通過(guò)很多調(diào)節(jié)方式來(lái)調(diào)節(jié)每天的風(fēng)力波動(dòng)。但是僅僅通過(guò)熱能和其他傳統(tǒng)手段很難調(diào)節(jié)每分鐘風(fēng)力的快遞波動(dòng)。對(duì)于這種風(fēng)力波動(dòng)，基于全功率變流器的可變速抽水蓄能電站或許是解決方案。

可變速抽水蓄能系統(tǒng)包括信息處理系統(tǒng)、電力電子變流器、發(fā)電電動(dòng)機(jī)和水泵。信息處理系統(tǒng)和電力電子變流器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)十分快速，時(shí)間常數(shù)很小，與后兩者相比可以忽略。然而，后兩者的動(dòng)態(tài)特性與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和控制方法有密切的聯(lián)系，所以難以分析得到特定值。可以通過(guò)傅里葉分析其典型的響應(yīng)曲線來(lái)獲得其頻譜特性。當(dāng)采用有功功率波動(dòng)作為一次系統(tǒng)響應(yīng)，可以通過(guò)傅里葉分析來(lái)得到系統(tǒng)的頻域傳遞函數(shù)?？勺兯俪樗钅茈娬镜膸挵孙L(fēng)力波動(dòng)的帶寬，這滿(mǎn)足風(fēng)力波動(dòng)抑制對(duì)時(shí)間響應(yīng)特性的要求。

4.2 可變速抽水蓄能系統(tǒng)的構(gòu)成

設(shè)計(jì)了一套100MW級(jí)基于全功率變流器的可變速抽水蓄能系統(tǒng)，系統(tǒng)的機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)由三電平PWM變流器組成，機(jī)側(cè)的額定電壓為13.8kV。系統(tǒng)可以靈活有效地調(diào)節(jié)電網(wǎng)自身和可再生能源（風(fēng)能、太陽(yáng)能等）引起的系統(tǒng)功率波動(dòng)，如圖5所示[13]。

圖5 風(fēng)—光—儲(chǔ)互補(bǔ)系統(tǒng)模型

4.3 電網(wǎng)仿真

使用PSIM和MATLAB軟件來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，這包括本文第二章中說(shuō)明的基于三電平NPC定電壓控制的可變速抽水蓄能電站的控制策略。風(fēng)電場(chǎng)功率和功率補(bǔ)償后與電網(wǎng)交換的功率的波動(dòng)如圖6所示，這表明可變速抽水蓄能技術(shù)可以用來(lái)調(diào)節(jié)可再生能源發(fā)電功率[14]。

圖6 風(fēng)電場(chǎng)功率和功率波動(dòng)

仿真結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的全功率變流器系統(tǒng)拓?fù)洳粌H可以用于控制電網(wǎng)有功功率，還可以補(bǔ)償可再生能源引起的無(wú)功功率波動(dòng)，從而更好地分配無(wú)功功率流動(dòng)、控制電壓穩(wěn)定、降低功率損耗。相對(duì)于普通的滯后的雙饋可變速系統(tǒng)的控制，全功率變流器系統(tǒng)可以快速精確地補(bǔ)償有功功率的波動(dòng)。網(wǎng)側(cè)變流器的電壓控制還可以降低電壓閃變導(dǎo)致的電能質(zhì)量問(wèn)題，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語(yǔ)

在大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)和電網(wǎng)功率調(diào)節(jié)過(guò)程中，基于全功率變流器的抽水蓄能機(jī)組具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以快速精確地調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率。本文對(duì)全功率變流器系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。

三電平中點(diǎn)箝位型（NPC）全功率電壓源變流器系統(tǒng)采用同步電機(jī)，本文設(shè)計(jì)的這種拓?fù)淇梢杂糜诳勺兯俪樗钅茈娬镜脑O(shè)計(jì)和布局。本文討論了該拓?fù)涞闹饕匦院涂刂撇呗?，描述了發(fā)生波動(dòng)時(shí)電壓和功率的控制過(guò)程。全功率變流器運(yùn)行效率高、維護(hù)成本低、可靠性高，但因它作為水輪機(jī)所發(fā)電能回饋至電網(wǎng)的唯一通路，且可以高效獨(dú)立地控制有功功率和無(wú)功功率，對(duì)其容量、響應(yīng)速度和并網(wǎng)特性等要求很高。隨著越來(lái)越多的可再生能源等的接入，它們引起的電網(wǎng)波動(dòng)不容小覷，不管在發(fā)電模式還是電動(dòng)模式，全功率變流器可變速抽水蓄能系統(tǒng)都可以利用它的快速響應(yīng)特性來(lái)有效控制有功功率和無(wú)功功率、調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著技術(shù)的快速發(fā)展和先進(jìn)的電力電子器件價(jià)格的降低，全功率變流器系統(tǒng)將會(huì)得到更多的關(guān)注和更深入的研究。

[1] 國(guó)家能源局：抽水蓄能電站效用未充分發(fā)揮．中國(guó)抽水蓄能網(wǎng) ． http：//www．psp．org．cn：8080/news_view．a(chǎn)sp?id=2173．

[2] 郭海峰． 交流勵(lì)磁可變速抽水蓄能機(jī)組技術(shù)及其應(yīng)用分析[A]． 抽水蓄能電站工程建設(shè)文集，2011．

[3] Furuya， S．; Taguchi， T．; Kusunoki， K．; Yanagisawa， T．;Kageyama， T．; Kanai， T．， “Successful achievement in a variable speed pumped storage power system at Yagisawa power plant，” Power Conversion Conference． Conference Record， Yokohama， 1993， pp．603，608， 19-21．

[4] 張琪，董化宏，唐修波． 抽水蓄能電站是實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的有力保證[A]．抽水蓄能電站工程建設(shè)文集，2011．

[5] ABB review 2/2014． pumping efficiency． pp． 42-48．Available：http：//www09．a(chǎn)bb．com/global/scot/scot271．nsf/veritydisplay/8db01db124333c1bc1257ddc0046cdb7/$file/ABB%20Review%202-2014_72dpi．pdf．

[6] J． A． U． Suul， K．Undeland， T． “Wind power integration in isolated grids enabled by variable speed pumped storage hydropower plant，” Proceedings of IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies, ICSET 2008, 24-27 November 2008， Singapore， pp． 399-404．

[7] 陶高周． 全功率變流器機(jī)械結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．安徽：合肥工業(yè)大學(xué)，2010．

[8] 景巍，譚國(guó)俊，葉宗彬． 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中兩電平與三電平變流器比較 [J]． 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，6：92-97．

[9] 肖飛． 直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電變流器若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D]．浙江大學(xué)，2013．

[10] J． A． U． Suul， K．Undeland， T． “Variable speed pumped storage hydropower for integration of wind energy in isolated grids-case description and control strategies，” Proc．NORPIE， p． 1， 2008．

[11] 韓民曉，Othman Hassan ABDALLA． 可變速抽水蓄能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用與進(jìn)展 [J]． 科技導(dǎo)報(bào)，2013，16：69-75．

[12] Abdalla， O．H．; Minxiao Han; Chongru Liu， “Multilevel converter based variable speed pump storage for wind power compensation，” Information Science, Electronics and Electrical Engineering (ISEEE)， 2014 International Conference， vol．3， pp．1497，1501，26-28， April 2014．

[13] Chang Xin; Minxiao Han; Zheng Chao， “Power Control Analysis for Variable Speed Pumped Storage with Full-Size Converter， ”41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON2015), yokohama, Japan．

[14] Othman Hassan Abdalla Elkhalifa． 基于級(jí)聯(lián)式H-橋多電平變流器的可變速抽水蓄能系統(tǒng)[D]．北京：華北電力大學(xué)，2014．

暢 欣（1992—），女， 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，電能質(zhì)量．郵箱：changxin1005@126．com

韓民曉（1963—），男， 華北電力大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，柔性電力研究所所長(zhǎng)。主要研究方向：電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，電力系統(tǒng)建模與控制技術(shù)，電能質(zhì)量等 ．郵箱 ：hanminxiao@ncepu．edu．cn

Application of Variable Speed Pumped Storage with Full-Size Converter in the Large-Scale Wind Power Generation System Complementary with Solar Power Generation System

CHANG Xin， HAN Minxiao， ZHENG Chao
（North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Variable speed pumped storage （VSPS） with fullsize converter can be an effective measure for automatic frequency control and balancing renewable generation power fluctuation. This paper mainly studies the modeling and control strategies of both the machine-side and grid-side converter， basing on the structure of VSPS with three-level full-size converter. The characteristics of power regulation are analyzed for both generator mode and motor mode. On a basis of the given reference power generated by the need of grid operation， the control strategy of active power and reactive power is described. Finally， the authors illustrate the effect of the VSPS with full-size system for the network power control with renewable generation with MATLAB/SIMULINK.

The work of this paper was funded by the “Large scale windfarm generation grid integration research” project of State Grid Corporation of China.

full-size converter; VSPS; pumped storage; power electronic converters; power control; synchronous machine

本項(xiàng)目為國(guó)家電網(wǎng)公司“大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)研究”項(xiàng)目資助。