背景与概况
- 研究背景：抽水蓄能作为新型电力系统中规模最大的储能方式，在促进新能源消纳和电网稳定、实现“双碳”目标中发挥关键作用。其灵活调控已成为全球水电领域的研究前沿。
- 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，新增转速调节自由度后，需解决系统动态响应机理和调控性能提升问题。
- 科学问题：研究水-机-电耦合系统动力学，对象为多物理量、多时间尺度、非线性动力系统，重点关注过渡过程中的动态特性。
- 条件支撑：研究团队长期致力于水电站运行与蓄能调控研究，拥有国内外独特的抽水蓄能实验基地，相关成果已应用于62座抽水蓄能电站。
定速机组调控
- 需求与问题：随着“水风光储一体化”大型清洁能源基地建设，传统水电/抽水蓄能机组面临并大网运行和打捆运行的挑战。出力波动、系统转动惯量下降等因素对水电调节提出需求，但现有研究多从电网角度出发，缺乏电站层面的深入探讨。机组频繁调节导致转轮裂纹、主轴破损等损伤，平抑新能源波动引发的机组调节损耗机理不明。
- 调节强度：华北机组运行数据分析显示，启停次数和运行时长普遍增大，机组整体利用率有待提升，部分机组存在振动区内运行问题。提出考虑机组振动区的调节强度概念及评价指标体系，研究表明新能源消纳率增加5%，调节强度随之增加2%~5%。
- 可靠性：建立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，提出15分钟尺度-短期调度与秒级尺度-实时控制协同运行方法，构建考虑调节性能和调节损耗的机组可靠性评估模型。精细化策略可将机组可靠性指标提升9.91%。
- “水+储”联合系统有功功率调节：法国、瑞典、德国已开展试点建设，美国能源部于2019年发布前瞻研究报告。我国火-储联调项目调频收益可达300万元，投资回收期为4-5年。联合系统具有速动和减少机组损耗的优势。
- 应用贡献：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提供支持。
变速机组调控
- 技术原理：变速机组可连续变速，双馈感应电机变速范围一般为±4%~10%，同步电机理论上可全范围变速。变速机组相比定速机组具有灵活性、速动性、可靠性和高效性。
- 科技前沿：双馈变速机组技术由日本欧洲垄断，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”。
- 模型方法·响应机理·应用技术：
- 精细化数值仿真模型：改进前人简化，涵盖水轮机全特性及“一管多机”流道等复杂特性，并通过现场实测、半实物实验和商用软件验证模型可靠性。
- 全物理模型实证平台：研发了波浪扰动环境下具有完备水-机-电-控制系统的“微型变速抽水蓄能电站”，验证了变速运行的灵活性、速动性、高效性和可靠性。
- 多工况动态响应机理：揭示了双馈机组和全功率机组在不同工况下的动态响应特性，包括大波动、小波动和水力干扰，为运行调控的安全稳定提供支撑。
- 多物理量耦合特性：阐释了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。
- 服务电网性能评估：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。
- 机组自身性能优化：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%。
- 应用贡献：双馈机组方面，数值仿真国家电网丰宁二期抽水蓄能电站，模型实验南方电网国家重点研发计划示范，与东方电气、哈尔滨电气合作；全功率机组方面，与国网四川电科院、哈尔滨电气、南瑞集团、清华大学等合作，服务四川省全功率变速抽水蓄能示范电站。
小结与展望
- 总体思路：国家自然科学基金委持续支持，多个企业产学研合作。
- 国际综述：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，展望其在实现零碳能源系统中的发展路径。
- 研究小结：初步研究了“调得好”与“调得累”的权衡问题，探索了基于变速运行调控特性与策略，系列问题仍需深入开展。
- 未来：紧扣国家规划及2035年远景目标，研究现代能源体系中的水力发电系统。
