武汉大学栾一航、张远志 等：基于水-机-电联合模型的全功率变速抽蓄机组功率特性研究

阅读提示：本文约 2200 字

在构建新型电力系统的进程中，全功率变速抽水蓄能机组（FP-VSPS）以其灵活的调节能力成为促进新能源消纳的重要支撑。然而，该机组的功率特性及潜在运行风险尚未完全厘清，这使得相关工程应用存在一定的困难。对此，本文建立了机组水-机-电联合仿真模型，分析了不同控制策略下机组的功率调节特性及运行风险，并提出了相应的防控策略。本文研究成果可为全功率变速抽蓄机组功率特性的分析与优化提供模型与分析方法的参考。

研究背景

抽水蓄能是当前技术最成熟，应用最广泛的储能技术，是保障新型电力系统安全稳定灵活运行的重要手段。然而，我国已建成的抽水蓄能机组大多为定速机组，其出力无法实现连续可调，难以适应新能源高比例接入带来的频繁功率波动。相比之下，全功率变速抽水蓄能机组能够在更宽范围内调节转速，实现对功率的精确控制，因此被认为是未来抽水蓄能发展的重要方向。

论文所解决的问题及意义

在全功率变速抽水蓄能机组的研究与应用过程中，仍然存在以下关键问题：

功率调节特性不清：在不同控制策略下，机组动态特性存在明显差异。机组转速、功率特性等关键物理量的变化规律缺乏系统性的对比分析。

机组振荡机理不明：机组在出力调节过程中水-机-电多物理过程耦合作用复杂，水锤效应对机组动态特性影响显著。不同控制策略下机组出力调节过程中转速及功率的振荡机理尚未充分揭示。

图1 全功率变速抽蓄机组基本结构

对此，本文相关研究核心贡献如下：

1）本文建立了机组精细化水-机-电联合仿真模型，提出了基于特性曲线的机组运行特性分析方法，为机组功率特性研究提供模型及方法上的支撑。

2） 本文系统性对比了不同控制策略下机组动态特性的差异及其成因，揭示了水锤效应传播路径对机组振荡模态的影响。并从控制优化及参数整定角度给出了机组动态特性优化方法。

论文方法及创新点

本文针对上述问题开展研究，研究内容如下：

机组整体模型搭建：本文采用子模块建模方法，综合考虑引水系统、水泵水轮机、调速器、发电电动机及变流器的动态特性，建立了全功率变速抽蓄机组精细化仿真模型。

(a)转速优先控制

(b)功率优先控制

图2 全功率变速抽蓄机组整体模型

机组动态特性分析：本文结合水泵水轮机全特性曲线，通过绘制不同控制策略下机组出力调节过程中的转速-转矩变化轨迹，直观揭示了机组抽水及发电工况下的动态特性。

(a)转速优先控制下动态特性分析

(b)功率优先控制下动态特性分析(发电工况)

(c)功率优先控制下动态特性分析(抽水工况)

图3 基于特性曲线的机组运行特性分析方法

机组动态特性优化：本文分析了水锤效应传递路径对机组振荡模态的影响机理。此外，针对转速优先控制下的功率反调现象及功率优先控制下的转速振荡现象，本文分别从控制优化及参数整定角度给出了相应的抑制策略。

图4 转速优先控制下机组轨迹优化方法及效果

结论

经过本文研究，可以得到以下结论：

1）采用转速优先控制时，机组在发电工况下将出现电磁功率的反调，在抽水工况下将出现电磁功率短时快速的正向变化甚至超调。前者可通过将水泵水轮机机械功率代替电网调度指令输入转速寻优环节加以抑制，后者可通过调节调速器参数适当加以利用。

2）采用功率优先控制时，机组在发电工况下存在转速反调及导叶超调两个固有现象，使其存在一定的失稳风险。而在抽水工况下，机组运动轨迹拐点对应转速主要取决于电网调度指令及水泵水轮机自身参数，与各控制参数基本无关。

3）不同控制模式下水锤效应传递路径的不同导致机组振荡模态的差异。转速优先控制下，水锤效应经由变流器传递至电网，进而引发电磁功率的振荡；而在功率优先控制下，水锤效应反作用于轴系，进而引发转速的振荡。

图5 不同控制策略下水锤效应传播机理

团队介绍

栾一航

博士研究生，研究方向为变速抽水蓄能机组建模、运行特性分析及控制策略优化。

张远志

博士后，研究方向为磁场调制电机设计、分析与优化等。

本工作成果发表在2025年第3期《电工技术学报》，论文标题为“基于水-机-电联合模型的全功率变速抽蓄机组功率特性研究“。本课题得到国家电网公司总部科技项目的支持。

引用本文

栾一航, 张远志, 庄凯勋, 丁理杰, 孙建军. 基于水-机-电联合模型的全功率变速抽蓄机组功率特性研究[J]. 电工技术学报, 2025, 40(3): 730-743. Luan Yihang, Zhang Yuanzhi, Chuang Kaihsun, Ding Lijie, Sun Jianjun. Research on Power Characteristics of Full-Power Variable Speed Pumped Storage Units Based on Hydraulic-Mechanical-Electrical Modeling. Transactions of China Electrotechnical Society, 2025, 40(3): 730-743.

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