面向新能源消纳的抽水蓄能电站灵活调控

武汉大学水利水电学院、水资源工程与调度全国重点实验室2025年12月 背景与概况 提纲 定速机组调控 变速机组调控 背景与概况 口研究背景：抽水蓄能在用电低谷时抽水储能，在用电高峰时放水发电 新型电力系统中储能规模最大的“调节器” 促进新能源消纳和大电网稳定、实现“双碳”目标的关键支撑 背景与概况 口科技前沿：抽水蓄能灵活调控已成为水电领域研究的全球前沿 ●为欧洲、美国等大型科技项目的主要研究内容 背景与概况 口关键难点：抽水蓄能电站双向流动，导致机组与流道复杂特性 新增转速调节的“自由度”后，文引入新问题：系统动态响应机理如何？如何提升调控性能？ 背景与概况 口科学问题：水-机-电耦合系统动力学 ●研究对象：多物理量、多时间尺度、非线性动力系统。过渡过程：一个稳定状态过渡到另一个稳定状态的过程·动态特性：过渡过程中，自变量和因变量的关系 背景与概况 口条件支撑 ·研究团队：常年致力于水电站运行与蓄能调控研究 ●实验条件：国内外独具特色的抽水蓄能实验基地 所在团队“抽水蓄能电站安全高效运行”成果应用于我国62座已投运、在建抽水蓄能电站 武汉大学校外实验基地占地面积9100m：实景&平台特性 背景与概况 提纲 定速机组调控 变速机组调控 定速机组调控 口需求与问题 ·多能互补：我国将大力推动与“水风光储一体化”大型清洁能源基地建设 ●并大网运行&打捆运行：传统水电/抽水蓄能机组将受到怎样的影响、及如何更高效、智能地应对？ 定速机组调控 口需求与问题 出力波动：发电侧风光等波动性电源比例提升容量增加：终端电气化带来用电总量的提升惯性下降：火电等传统同步电机的退出、风/光电力电子设备的接入造成系统转动惯量下降 0=Pgeneration 定速机组调控 口需求与问题 ●前人多从电网角度研究：对水电调节提出需求水电调控的策略方法少有工作从电站（源）角度开展深入研究 nitur:energy Net load variability in Nordic countries with ahighlyorfullyrenewablepowersystem NatureEnergy文章结论：若水电能提供适当的调节，可再生能源电力系统可能实现 "Fromavariabilitypointofview,afossil-and nuclear-freeNordicpowersystemisfeasibleifproperlybalancedbyhydropower. 定速机组调控 口需求与问题 ·机组频繁调节导致至少三类部件损伤：增加检修费用数以亿计，且停机发电量损失巨大 定速机组调控 口需求与问题 （2）转轮裂纹、破损：动应力引发 定速机组调控 口需求与问题 √（3）机组主轴破损：机械疲劳损伤等 平抑新能源波动等电网辅助服务引发的机组调节损耗机理不明 “源网协调”机理、机制驱待深入开展 定速机组调控 1.抽水蓄能机组调节强度 华北机组运行数据分析（2019-2022） 启停次数：普遍增大：基本在1抽1发、2抽2发左右：部分机组存在3抽2发、3抽3发的情况 运行时长：普遍加大，基本在4-6个小时左右，部分机组达到8小时 国网总部科技项目：考虑机组可靠性的抽水蓄能与大规模新能源发电联合运行关键技术研究 定速机组调控 1.抽水蓄能机组调节强度 ●华北机组运行数据分析（2019-2022） 运行时长：占全年的20%~40%，即2100~3500h，其余在静止状态，机组整体利用率有待提升： 出力范围：发电多处于50%以上的中高负荷运行区域，5-10%的时段处于低负荷区： 机组振动区：多数有5%~10%发电时段在振动区内，其中部分电站较多（10%~20%） 定速机组调控 1.抽水蓄能机组调节强度 ●提出考虑机组振动区的调节强度概念及评价指标体系 建立抽水蓄能与新能源联合运行系统日前调度优化模型：小时级时间尺度 智能优化：混沌粒子群优化算法（CPSO） 定速机组调控 1.抽水蓄能机组调节强度 以新能源消纳率为优化目标：消纳率增加5%，调节强度随之增加2%~5% 定速机组调控 2.抽水蓄能机组可靠性：调度-控制协同 ●多特性调度：建立了考虑机组精细化水力特性和运行可靠性的双层优化调度模型 多尺度协同：提出了15分钟尺度-短期调度与秒级尺度-实时控制协同运行方法 多层次评估：构建了考虑调节性能和调节损耗的机组可靠性评估模型 定速机组调控 2.抽水蓄能机组可靠性：调度-控制协同 ●精细化策略可将机组可靠性指标提升9.91%，兼顾机组高效率运行及新能源高消纳率 定速机组调控 3“水+储”联合系统有功功率调节 法国Vogelgrun电站、瑞典Forshuvud水电站、德国Bavaria抽水蓄能项目已开展试点建设运行美国能源部于2019年发布前瞻研究报告，而我国尚无实际示范项目 我国火-储联调项自：60万干瓦机组+3%电池储能，调频收益可达300万元，投资回收期为4-5年 Pumped hydro and batteries combineat Engie's new Bavaria project 法国Vogelgrun电站 定速机组调控 3.“水+储联合系统有功功率调节 速动：储能电池的毫秒级快速响应极大提高了机组的功率响应速率 损耗：混合功率可部分抵消水流惯性引起的机组功率反调，为减少机组损提供了新思路 a:联合系统功率响应b：电池容量及控制参数适配域C:新能源消纳场景的频率响应曲线 定速机组调控 口应用贡献：产业链技术支持 电站业主：在国家电网华北分部电站开展试点应用，与三峡集团、国家能源集团等合作研发 为Andritz与东电哈电等装备厂商等提供支持 被国际水电协会IHA管方颁奖词介绍为“研究可为发电企业和电网运营商带来潜在的利益 背景与概况 提纲 定速机组调控 变速机组调控 变速机组调控 口技术原理：机组可连续变速，而不局限于额定转速运行 ●双馈感应电机交流励磁变频：变速范围一般为土4%~10%√所需变流器容量较小：30%机组容量V可应用于300MW以上大型机组 转速变化范围受变流器容量限制：转差×定子功率变流器功率转子功率SPP 变速机组调控 口技术原理：机组可连续变速，而不局限于额定转速运行 ●同步电机定子侧全功率变频：变速范围理论上为0~100%全范围 √所需变流器容量较大：100%机组容量 V目前暂时多应用于小容量机组 变速机组调控 口技术原理：变速机组的优势 ●与多类储能技术横向对比储能容量与时间皆优越 与定速抽水蓄能纵向对比：灵活性、速动性、可靠性、高效性 变速机组调控 口科技前沿：双馈变速机组技术由日本欧洲挚断而我国暂无国产化机组 “如何研制大型可变速抽水蓄能机组”入选中国科协发布的2022年科技领域"10个产业技术问题 国家重点研发计划“海水抽水蓄能电站前瞻技术研究”（参与） 丰宁：我国首台变速机组(Andritz进口24年8月投运） 变速机组调控模型方法·响应机理应用技术 1.精细化数值仿真模型（双馈机组） 解决仿真难题：含双馈感应电机的变速抽水蓄能电站水-机子系统与电气子系统耦合仿真 改进前人简化：涵盖水轮机全特性及“一管多机“流道，包括“S区“不稳定特性等水-机复杂特性 变速机组调控：模型方法响应机理应用技术 1.精细化数值仿真模型（全功率机组） 解决仿真难题：含全功率变流器的变速抽水蓄能电站水-机子系统与电气子系统耦合仿真 改进前人简化：涵盖水泵水轮机全特性及复杂流道系统等水-机复杂特性 变速机组调控模型方法响应机理应用技术 1.精细化数值仿真模型（双馈机组） ●对比国外电站现场实测：日本大河内电站 变速机组调控模型方法响应机理应用技术 1精细化数值仿真模型（全功率机组）对比流道系统建模方法：特征线法（MOC）对比半实物实验仿真平台：南瑞公司控制器实验调试结果对比国际一流商用软件：瑞士洛桑联邦理工大学开发SIMSEN 验证模型的可靠性 三、变速机组调控：模型方法响应机理应用技术 2.全物理模型实证平台：我国首台（双馈机组） 团队研发了一座波浪扰动环境下具有完备水-机-电-控制系统的“微型变速抽水蕾能电站 ±8%范围连续变速的全工况运行实验：实证灵活性、速动性、高效性、可靠性等优势 三变速机组调控：模型方法响应机理应用技术 3.多工况动态响应机理：支撑运行调控的安全稳定（双馈机组） 机组过渡过程三大类工况中，双馈机组变速运行引发的新问题 ①大波动：闸明了不同起始转速对安全性关键指标一转速最大上升率的影响规律 ③②小波动：揭宗了调节稳定性及转速超限规避机制 水力干扰：明确了优越的抗水力干扰性能及原因 水力干扰：同管道其他机组对变速机组的扰动 大波动：不同转速下的机组甩负荷 变速机组调控：模型方法-响应机理应用技术 3.多工况动态响应机理：支撑运行调控的安全稳定（全功率机组） 机组过渡过程三大类工况中，全功率机组变速运行引发的新问题 ①大波动：阐明了不同功率调节速率指令对系统动态响应影响规律 ②小波动：揭示了调速器参数对系统稳定性的影响 ③水力干扰：明确了优越的抗水力干扰性能 变速机组调控：模型方法一响应机理一应用技术 多物理量耦合特性：支撑控制策略的选取及优化（双馈机组） 闸阐释了机组功率快速控制、转速快速控制等不同协联控制模式下的水-机-电多物理量耦合特性 揭示了变速运行条件下，水泵水轮机不稳定“S区“中的工况点振荡特性 变速机组调控：模型方法响应机理应用技术 多物理量耦合特性：支撑控制策略的选取及优化（全功率机组） 闸释了机组功率快速控制、转速快速控制等不同协联控制模式下的水-机-电多物理量耦合特性 变速机组调控：模型方法响应机理-应用技术 5.服务电网性能评估：平抑风力发电波动的功率调节性能（双馈机组） ●提出了结合系统物理本质特性+电力市场经济性指标的量化评估方法 精确评估变速机组性能：优于常规定速机组一个量级 三、变速机组调控：模型方法·响应机理·应用技术 55电站功率调节性能评估：平抑功率波动的调节性能（全功率机组） 提出了综合考虑系统稳定性、安全性及速动性的量化评估方法 精确评估不同功率调节速率下“一管两机”定-变速组合式抽水蓄能系统功率调节性能 变速机组调控：模型方法-响应机理应用技术 6.机组自身性能优化：变速运行改善压力脉动（双馈机组） 提出了机组变速运行过程中的压力脉动仿真预测与评估方法 可使蜗壳和尾水管的压力脉动幅值分别降低82.1%、63.2%，平均强度降低28.7% 变速机组调控：模型方法-响应机理应用技术 口应用贡献（双馈机组） 数值仿真一首台大型真机：国家电网丰宁二期抽水蓄能电站 模型实验首个实证平台：南方电网国家重点研发计划“海水抽水蓄能电站前瞻技术研究”示范 变速机组调控：模型方法·响应机理-应用技术 口应用贡献（双馈机组） 东方电气、哈尔滨电气合作：原型仿真&模型实验 依托擎庆等电站，服务龙头厂商“大国重器首台（套）自主研发 变速机组调控：模型方法-响应机理-应用技术 口应用贡献（全功率机组） ●国网四川电科院、哈尔滨电气、南瑞集团、清华大学等合作：国家科技重大专项研究 ·服务四川省全功率变速抽水蓄能示范电站（单机300MW级） 运行协调控制 背景与概况 提纲 定速机组调控 变速机组调控 四、小结与展望 口总体思路 国家自然科学基金委持续支持：青年项目（主持）-面上项目（主持）-联合重点项目（子课题主持） 感谢多个企业的产学研合作支持 四小结与展望 口国际综述 抽水蓄能运行技术研究综述：梳理了抽水蓄能推动电力可持续发展的运行作用、挑战和发展趋势涵盖设备技术、运行调控、电力市场及环境影响等，：展望了其在实现零碳