综述：关于超大水头变化下抽水蓄能泵涡轮机压力波动的研究综述：机制、研究方法及控制措施

《Journal of Energy Storage》：A review of pressure fluctuation in pump-turbines for pumped hydro energy storage with ultra-large head variation: Mechanisms, research methods, and control measures

抽水蓄能电站面临大水头变化时的液压稳定性挑战，通过分析113座电站数据建立λ_H分类标准（高水头1.1580/1.1870，低水头1.2557/1.3213），揭示转子-静子相互作用引发的压力脉动机制及其对效率和结构的影响，提出智能算法与多目标优化结合的未来研究方向。

　　

作者：张涛、李德友、张新浩、魏贤柱、王宏杰、高国硕、卢明

哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，中国哈尔滨 150001

摘要

作为最成熟且应用最广泛的长期储能解决方案，抽水蓄能（PSH）在较大的水头变化下面临水力稳定性挑战，这限制了其调节能力和效率。通过对113个现有PSH电站的统计分析，本文建立了使用双工况比λ_H（最大抽水水头与最小涡轮机净水头之比）来定义“超大水头变化”的定量标准。结合水头等级分类，我们划定了正常、较大和超大范围的阈值：对于低水头电站，λ_H ≤ 1.2557（正常），1.2557–1.3213（较大），以及 > 1.3213（超大）；对于高水头电站，相应的阈值为1.1580和1.1870。水头变化的增加加剧了泵-涡轮机之间的相互作用，导致不稳定的流动状态（例如旋转失速和流动分离），从而产生高幅度、低频率的压力脉动——这对循环效率和结构完整性构成严重威胁。本综述系统地研究了超大水头变化下的压力脉动机制，综合了实验、数值和智能算法方法的进展，并阐明了压力脉动、运行策略和结构振动之间的相关性。对水力优化方法的深入分析表明，将机器学习和数据驱动技术整合到多目标智能设计平台中是应对压力脉动挑战的未来方向。通过建立水力现象与储能性能之间的联系，本文强调了先进控制策略在提高PSH系统效率和稳定性方面的关键作用。

引言

根据国际能源署（IEA）的《电力市场报告》（2024年）[1]，全球年电力需求以2.2%的速度增长，如图1所示。同时，化石燃料消耗的增长正在放缓，预计其占比将从2023年的61%下降到2026年的54%，这是首次低于60%。这种发电结构的转变凸显了可再生能源（包括水电、太阳能、风能和生物质能）的快速增长[2]、[3]。

随着新能源在电力系统中占比的不断增加，它们固有的可变性和反峰调节能力给系统的安全稳定运行带来了挑战[4]、[5]。水电作为一种清洁可靠的可再生能源，有助于缓解不断增长的能源需求与环境问题之间的矛盾。目前，水电约占全球电力生产的16%，成为可再生能源生产的重要组成部分。除了提供电力外，水电还通过频率调节、电压支持和负荷跟踪等功能增强了电网的稳定性和可靠性[6]。与其他可再生能源相比，水电的成本效益和运行可靠性确保了其在向清洁能源转型中的关键作用[7]。

在这种情况下，抽水蓄能电站（PSP）已成为解决电力系统调节和储能需求的关键技术[8]。PSP将能量转化为重力势能：在非高峰时段，多余的电力将水从下层水库泵送到上层水库；在高峰需求时段，这些储存的水被释放出来发电[9]。这种循环机制使PSP能够以吉瓦时级别储存和释放能量，提供了灵活的电力系统运行所需的长期、大规模储能能力。作为最重要且全球主导的长期储能技术，抽水蓄能技术在确保现代电力系统的稳定性和效率方面发挥着核心作用。根据国际水电协会（IHA）的《水电状况报告》（2024年）[10]，全球抽水蓄能装机容量已达到189吉瓦。抽水蓄能被认为是技术最先进、经济上可行且可扩展的储能解决方案，被世界各国视为促进低碳能源转型的核心策略。2024年，中国 alone 增加了7.75吉瓦的新抽水蓄能装机容量，显著推动了全球的发展。该报告预计中国将在2030年前实现120吉瓦的装机容量目标。

抽水蓄能技术可以追溯到19世纪90年代，首批电站建于瑞士、奥地利和意大利的阿尔卑斯地区。早期的系统采用分离设计，将涡轮发电机和泵叶轮分为不同的机械单元[11]。20世纪60年代水力技术的进步促进了可逆泵-涡轮机（RPT）的发展，这种泵利用单个转子同时进行抽水和涡轮操作。由于优越的机械性能和更高的整体效率，RPT迅速成为抽水蓄能设施的首选[12]。

然而，随着运行范围的扩大，水力不稳定性成为一个重大挑战，尤其是在超大水头变化的RPT中，内部压力波动变得更加明显。这些波动可能导致严重的机械振动，常常导致设备过早失效[13]。对于抽水蓄能系统而言，这种压力脉动不仅是水力问题，还直接影响往返效率、运行可靠性和关键设备的使用寿命。因此，在超大水头变化下确保稳定性对于维持大规模储能项目的长期可行性至关重要。一个300米水头的抽水蓄能项目的案例研究表明，在某些运行条件下，顶部盖板和转轮冠部之间的腔体内产生了显著的压力脉动。这些脉动导致叶片前缘与冠部焊接接头处出现裂纹，并沿叶片侧面向冠部扩展，如图2所示。

无叶片空间（VS）——即叶轮和导叶之间的狭窄环形区域——在负荷转换期间的压力脉动通常表现出明显的模式：它们最初会减小，然后随着机组从低负荷状态切换到高负荷状态而加剧[14]、[15]、[16]。这种脉动可能导致严重的结构后果。例如，在一项关于大型抽水蓄能涡轮机（400米水头）的案例研究中，Egusquiza等人（2012年）[17]将转轮下环的断裂直接归因于压力脉动。由此产生的碎片通过流道传播，造成二次损坏。图3(b)进一步展示了由转子-定子相互作用（RSI）引起的典型转子裂纹。

疲劳失效分析证实，主要由VS内的压力变化驱动的循环载荷是结构失效的根本原因。现场研究进一步确定，该区域的压力脉动是最具破坏性的水力不稳定性形式。在涡轮和泵模式下，最大脉动发生在导叶和转轮之间的间隙中，主要由叶片通过频率（BPF）及其由于RSI产生的高次谐波主导。因此，新的转轮和泵-涡轮机设计必须优先考虑这一区域，以最小化VS压力脉动[18]。从储能的角度来看，减少这种脉动对于提高转换效率和确保集成到现代电网中的抽水蓄能系统的可靠性至关重要。

已经开展了关于高水头变化条件下液压机械（如离心泵和泵-涡轮机）性能和稳定性的研究。学者们通过结合水力通道几何参数优化、数值模拟和实验验证[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]来探讨这些问题。这些研究一致表明，水头变化的增加会导致泵的嗡嗡声特性和空化性能恶化，“S”区域的电网连接裕度不足，压力脉动加剧，以及效率降低。

对于超大水头变化的泵-涡轮机来说，这些挑战更为明显，因为它们的运行范围远离最佳区域。其关键特性（包括泵空化、泵嗡嗡声、S特性和压力脉动）急剧恶化，严重影响了机组的安全性和稳定性。在电网频率调节或负荷调整期间，机组难以保持稳定的功率输出[25]。这在低水头、低负荷的涡轮机条件下尤为关键，此时转轮流场会发生剧烈重组。在这些偏离设计条件的情况下，VS和转轮中的涡流强度和压力脉动幅度会突然增加，伴随吸水管脉动的显著增加。这突显了整合先前知识的重点研究的紧迫性。这些现象强调了将水力研究与储能系统创新相结合的迫切需求，以确保机械设计的改进能够转化为抽水蓄能性能、稳定性和效率的提高。

以往的研究主要集中在以下方面：

• 1)
  压力脉动的产生机制和影响因素；
• 2)
  通过实验和数值方法识别脉动特性；
• 3)
  水力几何形状和运行参数对脉动的影响。
在此基础上，本研究旨在系统化现有文献的发现，深入理解潜在机制，识别关键的研究空白，并为未来关于超高水头变速泵-涡轮机的研究提供明确指导。通过将水力不稳定性研究与储能系统的运行需求明确联系起来，本综述有助于推动抽水蓄能技术作为可靠、高效和创新的解决方案，为全球清洁能源转型做出贡献。

水头变化范围的定量定义

为了研究超大水头变化下泵-涡轮机的压力脉动，首先必须建立定义这种变化的定量边界。然而，现有的行业和国家标准以及国内和国际文献都没有提供水头变化的定量标准，更不用说水头等级分类标准了。这种缺失使得无法准确预测相应泵-涡轮机在水力开发方面的难度

转子-定子相互作用（RSI）

转子-定子相互作用（RSI）是可逆泵-涡轮机中不稳定流动的根本原因，源于旋转的转轮和静止的导叶之间的周期性相互作用。它是压力脉动和随之而来的结构振动的主要激发机制。RSI的特征频率通常出现在叶片通过频率（BPF = Z_r × f_r，其中Z_r是转轮叶片的数量，f_r是旋转频率）及其

实验研究

实验研究对于揭示压力脉动机制至关重要，因为它验证了数值模型并捕捉了模拟无法完全解决的复杂不稳定现象（转子-定子相互作用、旋转失速、涡流演变）。模型测试、现场测量和CFD的结合已成为研究压力脉动并将水力不稳定性研究与储能效率提升联系起来的标准范式

压力脉动优化措施的研究

高幅度压力脉动主要由RSI和S形特征区域内的不稳定流动引起，对抽水蓄能单元构成重大威胁，导致过度振动、疲劳损伤和结构失效[117]、[118]。为了确保抽水蓄能电站的安全、稳定和高效运行，系统地探索和总结有效的抑制策略至关重要。基于当前的研究，本节对现有的

结论

鉴于间歇性可再生能源的快速增长，抽水蓄能（PHS）的大规模部署变得至关重要。向超大水头变化场景的过渡是通过提高现有电站的调节潜力以及在以前不适合的地理区域部署PHS来释放更大容量的关键途径。然而，这一过渡目前受到传统水力不稳定性的限制

未来研究方向

随着抽水蓄能水电向更宽运行范围的推进，超大水头变速单元的研究仍处于初级阶段，面临重大的理论和技术挑战。未来的工作必须优先考虑以下关键方向以实现突破性进展：

1)
开发先进的非稳态流动模型：迫切需要开发适用于超高水头变速运行的高保真非稳态流动机制模型。

CRediT作者贡献声明

张涛：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、验证、资源、方法论、数据整理。李德友：项目管理。张新浩：撰写——初稿。魏贤柱：资源。王宏杰：资源。高国硕：撰写——初稿。卢明：撰写——初稿。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

无。