《Processes》：Full-Operating-Condition Modeling and Multi-Mode Coordinated Control Strategies for Fixed-Speed and Doubly Fed Variable-Speed Pumped-Storage Units
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高渗透率可再生能源系统对抽水蓄能机组（pumped-storage hydropower units）的快速跨模式调节能力提出了日益严格的要求。然而，在发电、抽水、停机及启动模式之间的转换过程中，水力、机械及电磁子系统呈现出显著不同的动态时间尺度。因此，传
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高渗透率可再生能源系统对抽水蓄能机组（pumped-storage hydropower units）的快速跨模式调节能力提出了日益严格的要求。然而，在发电、抽水、停机及启动模式之间的转换过程中，水力、机械及电磁子系统呈现出显著不同的动态时间尺度。因此，传统的时间调度式模式转换控制策略难以同时兼顾水力安全约束、快速电磁响应以及机组运行状态的连续演化。为应对上述挑战，本文针对定速抽水蓄能（fixed-speed pumped-storage，FSPS）机组与双馈变速抽水蓄能（doubly fed variable-speed pumped-storage，VSPS）机组，构建了全工况水力–机械–电磁耦合动态模型。该模型集成了水泵水轮机（pump-turbine）完整特性曲线、弹性水锤动力学、非线性调速系统及电机电磁动态。采用Suter变换以获得反S形区与驼峰区非线性水力特性的连续数值表示。在此模型基础上，提出了一种状态条件化的多模式协调控制策略，将离散运行模式监督与连续闭环调节统一于同一控制架构中。转子转速、流量、导叶开度及水力运行状态均被纳入模式转换判据，以确保运行模式转换过程中状态的连续演化。此外，建立了一套统一的性能评估框架，用以研究并比较FSPS与VSPS机组在不同运行工况及模式转换场景下的动态特性。在所研究的负荷拒动（load-rejection）案例中，FSPS与VSPS的最大相对转子转速上升分别约为36.3%与14.0%。上述案例特定数值并不构成匹配条件下的性能提升结论，因为初始工况与关闭时序各不相同。这些场景特定结果阐明了所提框架如何将全工况多物理场建模与跨模式连续–离散协调控制相统一，为定速及变速抽水蓄能机组在复杂运行条件下的动态性能评估与协调控制设计提供了理论基础。
论文解读文章
一、研究背景与问题
在脱碳目标与能源安全需求的驱动下，风电与光伏发电占比持续提升，电力系统对具备快速调节能力的灵活性资源需求日益迫切。抽水蓄能（pumped-storage hydropower，PSH）兼具大容量储能、长使用寿命与多样化运行模式等优势，可提供调峰、调频、无功支撑及紧急备用等服务。然而，常规定速抽水蓄能（FSPS）机组转速受电网频率约束，难以在水头变化时持续运行于最优效率区；抽水工况下输入功率随水头与水力特性被动变化，连续功率调节能力有限。在低负荷运行、启停转换及负荷拒动等暂态过程中，水泵水轮机的反S形特性与驼峰特性同输水系统水锤动力学相互作用，可能诱发转速、流量、水压及功率振荡。双馈变速抽水蓄能（VSPS）机组通过转子侧变换器调节电磁转矩与转速，可在一定范围内主动移动运行点，实现宽水头范围高效运行、抽水功率可调及快速电网支撑。但引入电力电子变换器后，水力、机械与电磁子系统间的动态耦合显著复杂化，控制系统亦从常规导叶–励磁协调演变为涉及导叶、转子侧变换器、网侧变换器及保护联锁逻辑的多执行器协调控制。现有研究虽已涉及水力–机械–电气暂态建模、频率响应模型、小信号稳定性分析及运行模式转换等方面，但仍需一种统一框架，将物理耦合接口与状态依赖的转换监督相结合，以关联电气指令、轴系加速、水力稳定与阶段推进，并区分数值特性重构与物理运行极限。
二、研究内容与意义
研究人员构建了涵盖FSPS与双馈VSPS机组的全工况水力–机械–电磁耦合动态模型，提出状态条件化的多模式协调控制策略，并在统一仿真平台上比较了两类机组在功率响应性能、模式转换特性、不稳定运行区适应性及故障支撑能力方面的差异。该框架为复杂运行条件下抽水蓄能机组的动态性能评估与协调控制设计提供了理论基础。
三、关键技术方法
研究人员采用的主要技术方法包括：基于改进Suter变换的完整特性曲线数值重构方法，利用atan2双参数角度映射、小正则化系数及张量积三次B样条插值消除反S形区与零交叉点的多值映射问题；弹性水锤模型描述一维有压管道瞬变流；非线性PID调速器与电液伺服系统模型；同步电机与双馈感应电机（DFIM）的d-q坐标系动态模型；转子侧变换器定子磁链定向矢量控制与网侧变换器直流母线电压控制；统一水力–机械–电磁耦合状态空间框架；离散运行模式监督与连续闭环调节相结合的多模式协调控制架构；以及功率响应性能指标与调节范围指标的定量评估方法。
四、研究结果
4.1 发电模式测试
FSPS机组从空载/轻载过渡至满负荷运行，导叶按设定速率平稳开启，有功功率升至1.019 p.u.（约356.7 MW），无功功率升至0.4937 p.u.，导叶开度约89.33%，转速偏差保持在约0.1%以内。VSPS机组有功功率平滑升至约0.85 p.u.，转速从约0.90升至0.98 p.u.，导叶开度随负荷连续增加，无突变或持续振荡，表明控制器利用附加转速自由度匹配水力机械输入与电磁功率需求。
4.2 抽水模式测试
FSPS机组导叶按S形开度曲线开启，吸收有功功率稳定于?1.0228 p.u.（约?358 MW），转速基本保持同步速。VSPS机组有功功率平滑移至约?0.85 p.u.，转速从约0.90升至0.98 p.u.，导叶开度升至约0.82 p.u.，轨迹连续无持续振荡。P–Q、Iη–Q、Iη–P及H–Q投影图描述了运行轨迹迁移，但图中标注的效率纵坐标实为所采用模型基准下的归一化比值，超过100%或大于1的数值不可解释为物理转换效率。
4.3 100%负荷拒动测试
FSPS机组初始出力约1.0049 p.u.（351.7 MW），断路器跳闸后剩余水力转矩将轴系加速至约511.2 r/min（1.3633 p.u.），相对事件前转速上升约36.3%，导叶关闭持续35.14 s。VSPS机组事件前有功约0.67 p.u.（201 MW），全拒动后轴系加速至约1.153 p.u.，相对事件前转速上升约14.0%，导叶开度约25 s内降至约0.025 p.u.。因初始工况、水力参数及关闭时序不同，该差异不能单独归因于变速控制。
4.4 特性区响应与驼峰裕度评估
FSPS机组启动序列包含初始增压与缓慢升速、进一步加速及接近同步速阶段，并网后逐步加载至约0.99 p.u.有功。VSPS机组140 s低水头低负荷特性区案例采用规定导叶时序，有功与流量保持正值，属发电/启动数值场景而非抽水裕度预防测试；转速约0.76 p.u.超出正常±10%变速范围，被解读为说明性非标称数值案例。
4.5 电网频率扰动响应
FSPS机组频率降至49.8 Hz后，转速快速跟随至0.996 p.u.，调速器随后开大导叶增加水力输入，有功升至约0.784 p.u.，呈现快速机电频率跟踪与较慢水道–调速器一次调频的多时间尺度动态。VSPS机组频率阶降后有功向1.0 p.u.增加，无功基本不变，转速从1.000升至约1.006 p.u.，导叶开度从约0.78增至0.84 p.u.，协调的电功率通道与导叶运动实现平滑有功响应。
4.6 调相模式无功分配
三种预设分配方案中，网侧变换器（GSC）份额从0增至约0.6944时，峰值转子电流与平均电机铜损分别降低24.86%与48.58%，但调节时间从2.041 s增至3.146 s。αg扫描显示GSC电流诊断随份额增大而上升，但未建立受约束最优解。
4.7 发电–停机–抽水转换
FSPS与VSPS机组均通过顺序逻辑控制完成功率卸载、停机、反向启动、并网及抽水负荷建立，功率、转速幅值与流量轨迹连续，无显著高频振荡，但转速幅值轨迹不能独立验证轴系旋转方向。
4.8 抽水–发电转换
FSPS机组经历抽水卸载、导叶全关、停机确认、SFC反向加速、励磁建压、同步并网及发电负荷拾取等阶段。VSPS案例呈现理想化功率流向反转，转速幅值保持约1.0 p.u.且无静止间隔，不能验证物理轴系换向、再同步或机械应力降低。
五、结论与讨论
研究建立了FSPS与双馈VSPS机组共用水力–机械–电磁建模框架，并将其与运行模式监督及连续调节相耦合。共享转矩–转速接口连接了完整水泵水轮机特性、水锤动力学、轴系运动与机组特定电气模型。控制框架将参考整形与连续调节关联至状态依赖的阶段完成条件。负荷拒动案例中FSPS与VSPS峰值转速分别约为1.3633与1.153 p.u.，相对事件前转速上升约36.3%与14.0%，但初始负荷、水力参数及关闭时序差异阻止将该差异仅归因于变速控制。理想化调相分配测试中，GSC份额增至约0.6944使峰值转子电流与平均电机铜损分别降低24.86%与48.58%，调节时间从2.041 s增至3.146 s，该数值描述机器损耗/跟踪权衡且未包含物理GSC损耗与电流动态。研究结论受限于所采用特性数据、模型假设、设置及测试案例，匹配参考比较、校准水力功率基准、压力限制与保护记录、完整转换状态验证及实验测量仍需用于量化预测精度与所提协调的增量效益。
