新型可调速抽水蓄能系统，电网频率调节能力强
★中国电工技术学会出品★
面向能源互联网的智能配电系统与装备
阅读会议通知，请戳下面标题
分析智能配电系统发展趋势
研讨配电物联网对装备制造业的挑战和机遇
参会注册，请识别下方二维码
电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机系）的研究人员范博然、王奎、李永东、郑泽东、许烈，在《电工技术学报》2018年增刊2上撰文（论文标题为“基于模块化多电平矩阵变流器的可调速抽水蓄能系统”）指出，可调速抽水蓄能电站可以有效平抑新能源出力波动，增强电网对新能源发电的消纳能力。
模块化多电平矩阵变流器（M3C）作为一种极具潜力的高电压、大容量、组合式多电平变流器，可以有效满足可调速抽水蓄能系统对超大容量交交电能变换装置的需求。为解决目前可调速抽水蓄能系统中电力电子变换装置容量小、谐波大、调节速度慢等问题，提出一种基于M3C的可调速抽水蓄能系统，可显著增强可调速抽蓄电站对电网的频率调节能力。
为验证相关分析，搭建了10kW具有27个子模块的M3C实验平台，以全功率型M3C带感应电机为例，验证了M3C抽水蓄能系统在水泵及发电模式下的全频域运行特性。
随着风电、光伏等可再生能源发电的大规模并网运行，电力系统的稳定性面临着越来越严峻的挑战，用于调节系统有功平衡的储能系统发挥着越来越重要的作用。抽水蓄能相对于化学电池储能、空气压缩储能、超导储能等方式具有容量大、维护费用低、安全高效等诸多优点。
传统的抽水蓄能系统多使用定速抽蓄机组，抽蓄电站只有在发电模式下才有电网频率调节能力，难以满足可再生能源接入后电网频率准确快速调节的需求。相比之下，配备了大容量电力电子变流器的可调速抽水蓄能电站能够实现电动/发电功率的快速、精确控制，在发电和水泵模式下都可以参与系统的频率调节，结合电机的矢量控制和机电设备的机械储能后更可以将频率调节的响应时间进一步从分钟级降低至毫秒级，从而可以有效实现电网负荷频率控制、平抑可再生能源出力波动。
同时，与定速机组相比，可调速机组可以通过改变水轮机的转速来提高系统整体效率（类似风电的最大功率点跟踪），如图1所示，从而提高抽蓄电站运行效益，抵消相对定速抽蓄电站增加的建设成本，而且效率的提升也可以显著降低由系统损耗造成的机组振动及磨损，减少检修次数，降低抽蓄电站维护成本。
图1 定速抽蓄机组和可调速抽蓄机组效率对比
目前可调速抽水蓄能技术主要有双馈式可调速抽水蓄能与全功率可调速抽水蓄能两种实现方式，分别使用双馈变流器和全功率变流器，如图2a和图2b所示。然而，抽水蓄能机组单机容量动辄达数百兆瓦，即使采用双馈式系统，所需要的变流器容量也至少要达到数十兆瓦（为主电机容量的10%～20%左右）。因此，在目前可调速抽水蓄能电站中普遍应用基于晶闸管的周波变流器，电路结构如图3所示，日本关西电力公司大河内可调速机组在1995年即开始采用这种变流器。
周波变流器属于直接交交变流器，其主要优点是使用器件少、没有中间直流环节；其主要缺点是输入输出电流谐波大、功率因数低、输出频率调节范围受限等，基于周波变流器的系统需要庞大的滤波设备，也无法实现输出频率的快速、大范围连续调节。
图2 可调速抽水蓄能系统
图3 周波变流器
模块化多电平矩阵变流器（Modular Multilevel Matrix Converter, M3C）是一种新型高电压、大容量、组合式、多电平交交变流器，电路结构如图4所示。M3C具有的模块化结构，使得该变流器可以通过增加级联数量达到数百兆瓦甚至更高容量的功率变换能力，能够满足新型可调速抽水蓄能电站的超大容量电能变换需求。同时，M3C具有功率因数高、电流谐波小、能量可双向流动、输入输出频率任意可调等突出优点，不仅可以省去庞大的滤波装置，还可以同时提供无功补偿功能，有效解决周波变流器存在的问题。
图4 模块化多电平矩阵变流器
为应对可再生能源发电给电力系统带来的挑战，增强可调速抽水蓄能电站对电网的频率调节能力，本文旨在提出一种基于M3C的可调速抽水蓄能系统，探讨M3C在可调速抽蓄系统的应用可行性。本文第1节介绍提出的基于M3C的可调速抽水蓄能系统结构，第2和第3节分别介绍M3C的基本理论、拓扑特性及全频域控制策略。最后，本文搭建了10kW具有27个子模块的M3C实验平台，以全功率型M3C带感应电机为例，验证了M3C在可调速抽水蓄能中的全频域运行特性。
图5 基于M3C的可调速抽水蓄能系统结构
图6 基于M3C的全功率可调速抽水蓄能机电系统
图11 M3C实验平台
图12 感应电机实验平台
可调速抽水蓄能电站可以有效平抑新能源出力波动，增强电网对新能源的消纳能力。本文提出了一种基于M3C的可调速抽水蓄能系统方案，与M3C的拓扑特性和控制方法相结合分析了系统在水泵和发电模式下的运行方法。为验证M3C在可调速抽水蓄能系统中的可行性，本文搭建了10kW具有27个子模块的M3C实验平台，以全功率型M3C带感应电机为例，验证了M3C在可调速抽水蓄能系统中的全频域运行特性。
分析和实验结果均表明，M3C作为一种极具潜力的高电压、大容量、组合式多电平变流器可以有效解决目前可调速抽水蓄能中电力电子变换装置容量小、谐波大、调节速度慢等问题。在现今可再生能源发电占比不断提升的背景下，基于M3C的可调速抽蓄系统具有广阔的应用前景。