隨著風(fēng)電、光伏等可再生能源發(fā)電的大規(guī)模并網(wǎng)運(yùn)行，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)有功平衡的儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)揮著越來越重要的作用。抽水蓄能相對(duì)于化學(xué)電池儲(chǔ)能、空氣壓縮儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能等方式具有容量大、維護(hù)費(fèi)用低、安全高效等諸多優(yōu)點(diǎn)。

傳統(tǒng)的抽水蓄能系統(tǒng)多使用定速抽蓄機(jī)組，抽蓄電站只有在發(fā)電模式下才有電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)能力，難以滿足可再生能源接入后電網(wǎng)頻率準(zhǔn)確快速調(diào)節(jié)的需求。相比之下，配備了大容量電力電子變流器的可調(diào)速抽水蓄能電站能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)/發(fā)電功率的快速、精確控制，在發(fā)電和水泵模式下都可以參與系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)，結(jié)合電機(jī)的矢量控制和機(jī)電設(shè)備的機(jī)械儲(chǔ)能后更可以將頻率調(diào)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)一步從分鐘級(jí)降低至毫秒級(jí)，從而可以有效實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷頻率控制、平抑可再生能源出力波動(dòng)。

同時(shí)，與定速機(jī)組相比，可調(diào)速機(jī)組可以通過改變水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速來提高系統(tǒng)整體效率（類似風(fēng)電的最大功率點(diǎn)跟蹤），如圖1所示，從而提高抽蓄電站運(yùn)行效益，抵消相對(duì)定速抽蓄電站增加的建設(shè)成本，而且效率的提升也可以顯著降低由系統(tǒng)損耗造成的機(jī)組振動(dòng)及磨損，減少檢修次數(shù)，降低抽蓄電站維護(hù)成本。

圖1 定速抽蓄機(jī)組和可調(diào)速抽蓄機(jī)組效率對(duì)比

目前可調(diào)速抽水蓄能技術(shù)主要有雙饋式可調(diào)速抽水蓄能與全功率可調(diào)速抽水蓄能兩種實(shí)現(xiàn)方式，分別使用雙饋?zhàn)兞髌骱腿β首兞髌?，如圖2a和圖2b所示。然而，抽水蓄能機(jī)組單機(jī)容量動(dòng)輒達(dá)數(shù)百兆瓦，即使采用雙饋式系統(tǒng)，所需要的變流器容量也至少要達(dá)到數(shù)十兆瓦（為主電機(jī)容量的10%～20%左右）。因此，在目前可調(diào)速抽水蓄能電站中普遍應(yīng)用基于晶閘管的周波變流器，電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，日本關(guān)西電力公司大河內(nèi)可調(diào)速機(jī)組在1995年即開始采用這種變流器。

周波變流器屬于直接交交變流器，其主要優(yōu)點(diǎn)是使用器件少、沒有中間直流環(huán)節(jié)；其主要缺點(diǎn)是輸入輸出電流諧波大、功率因數(shù)低、輸出頻率調(diào)節(jié)范圍受限等，基于周波變流器的系統(tǒng)需要龐大的濾波設(shè)備，也無法實(shí)現(xiàn)輸出頻率的快速、大范圍連續(xù)調(diào)節(jié)。

圖2 可調(diào)速抽水蓄能系統(tǒng)

圖3 周波變流器

模塊化多電平矩陣變流器（Modular Multilevel Matrix Converter, M3C）是一種新型高電壓、大容量、組合式、多電平交交變流器，電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。M3C具有的模塊化結(jié)構(gòu)，使得該變流器可以通過增加級(jí)聯(lián)數(shù)量達(dá)到數(shù)百兆瓦甚至更高容量的功率變換能力，能夠滿足新型可調(diào)速抽水蓄能電站的超大容量電能變換需求。同時(shí)，M3C具有功率因數(shù)高、電流諧波小、能量可雙向流動(dòng)、輸入輸出頻率任意可調(diào)等突出優(yōu)點(diǎn)，不僅可以省去龐大的濾波裝置，還可以同時(shí)提供無功補(bǔ)償功能，有效解決周波變流器存在的問題。

圖4 模塊化多電平矩陣變流器

為應(yīng)對(duì)可再生能源發(fā)電給電力系統(tǒng)帶來的挑戰(zhàn)，增強(qiáng)可調(diào)速抽水蓄能電站對(duì)電網(wǎng)的頻率調(diào)節(jié)能力，本文旨在提出一種基于M3C的可調(diào)速抽水蓄能系統(tǒng)，探討M3C在可調(diào)速抽蓄系統(tǒng)的應(yīng)用可行性。本文第1節(jié)介紹提出的基于M3C的可調(diào)速抽水蓄能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，第2和第3節(jié)分別介紹M3C的基本理論、拓?fù)涮匦约叭l域控制策略。最后，本文搭建了10kW具有27個(gè)子模塊的M3C實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以全功率型M3C帶感應(yīng)電機(jī)為例，驗(yàn)證了M3C在可調(diào)速抽水蓄能中的全頻域運(yùn)行特性。

圖5 基于M3C的可調(diào)速抽水蓄能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖6 基于M3C的全功率可調(diào)速抽水蓄能機(jī)電系統(tǒng)

圖11 M3C實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12 感應(yīng)電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

結(jié)論

可調(diào)速抽水蓄能電站可以有效平抑新能源出力波動(dòng)，增強(qiáng)電網(wǎng)對(duì)新能源的消納能力。本文提出了一種基于M3C的可調(diào)速抽水蓄能系統(tǒng)方案，與M3C的拓?fù)涮匦院涂刂品椒ㄏ嘟Y(jié)合分析了系統(tǒng)在水泵和發(fā)電模式下的運(yùn)行方法。為驗(yàn)證M3C在可調(diào)速抽水蓄能系統(tǒng)中的可行性，本文搭建了10kW具有27個(gè)子模塊的M3C實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以全功率型M3C帶感應(yīng)電機(jī)為例，驗(yàn)證了M3C在可調(diào)速抽水蓄能系統(tǒng)中的全頻域運(yùn)行特性。

分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，M3C作為一種極具潛力的高電壓、大容量、組合式多電平變流器可以有效解決目前可調(diào)速抽水蓄能中電力電子變換裝置容量小、諧波大、調(diào)節(jié)速度慢等問題。在現(xiàn)今可再生能源發(fā)電占比不斷提升的背景下，基于M3C的可調(diào)速抽蓄系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。