单管双机组水力短路抽水蓄能系统的充电、发电及PID控制激活特性：一项仿真案例研究

《Water》：Charging, Generation, and PID Control-Activation Characteristics of a One-Pipe–Two-Unit Hydraulic Short-Circuit Pumped-Storage System: A Simulation Case Study

　　

为解决固定转速抽水蓄能机组在抽水模式下灵活性受限的问题，研究人员提出了一项基于OpenModelica开发并与Python 3.7耦合的单管双机组并联三元系统的仿真案例研究。该研究考察了纯充电和纯发电、水力短路（HSC）充电以及额定转速下的PID控制激活瞬态。一个50 MW基准测试复现了已发表的泵和涡轮轴功率，误差在约0.5%以内，系统效率差异为0.14个百分点，验证了实现的一致性；但未声称经过电站实测验证。双泵运行相对于单泵运行将充电时间缩短约44%，但降低了效率；而双涡轮运行由于改善了单机流量匹配，效率略高。在整个全周期HSC扫描中，随着内部再循环减少，平均效率从40 MW时的38.6%增加到90 MW时的74.1%。在PID灵敏度筛选中，比例增益k对响应的影响最大，较小的积分时间T_i会放大对k的敏感性，并可能增加超调量或水力载荷，而微分系数w_d在测试范围内影响较小。这些数值边界特定于所选特性曲线、水库和输水系统；研究结果旨在作为改造筛选指导，而非通用设计极限。

（以下为论文解读文章，约1500字，采用文字形式，避免表格，专业术语首次出现时用括号备注英文缩写及简单解释，上标用，下标用）

**研究背景与问题**
随着全球能源结构向低碳路径加速转型，风电和光伏等间歇性可再生能源在电力系统中的渗透率持续提高，对灵活调节资源的需求日益迫切。抽水蓄能（Pumped Hydro Energy Storage, PHS）作为装机规模最大的电网级储能技术，在调峰、调频、调相、旋转备用及支持可再生能源消纳等方面发挥着不可替代的作用。然而，传统固定转速抽水蓄能机组在充电工况下存在显著的灵活性约束：由于泵的输入功率由系统水头和机组转速决定，固定转速机组无法在抽水模式下主动调节功率，导致充电功率几乎不可控。这一固有局限使得系统难以灵活响应电网调节需求，尤其是在可再生能源出力剧烈波动的场景下。为克服这一瓶颈，工程实践中提出了两条主要技术路径：一是采用变速机组方案，通过电力电子变换器调节电机转速，实现抽水模式下的连续功率调节；二是采用水力短路（Hydraulic Short-Circuit, HSC）运行方式，即泵和涡轮同时运行，部分流量经涡轮旁通，通过调节涡轮输出来改变净充电功率。HSC模式因其改造成本相对较低且适用于现有机组的灵活性升级而受到广泛关注。已有文献对单台三元机组的HSC运行行为进行了组件级和系统级研究，包括效率、运行范围、能量容量和热效应等，但尚缺乏关于共享同一输水系统的两台固定转速三元机组协调行为的研究，具体包括：单机与双机运行如何重新分配单机流量和效率；恒定功率HSC回路如何响应水库水头变化；以及哪些PID参数主导额定转速控制激活瞬态。为此，本研究将已发表的单机组OpenModelica模型扩展为单管双机组拓扑，旨在填补上述空白。

**研究内容与结论**
研究人员开展了四项具体工作：比较了单机与双机在共用输水系统上的纯充电/发电特性；量化了全周期HSC功率-效率行为；对扩展实现与已发表基准进行了交叉验证；并进行了透明的PID参数灵敏度筛选。研究得出以下主要结论：双泵运行可缩短约44%的充电时间，但降低了泵的效率；双涡轮运行由于单机流量更匹配，效率略高；HSC模式通过涡轮反向调节维持净充电功率，但更深的局部负荷导致更大的内部再循环和更低的效率；在PID灵敏度筛选中，比例增益k对响应影响最大，较小的积分时间T_i会放大对k的敏感性，微分系数w_d影响较小。该研究作为仿真案例，揭示了可迁移的机制（并联运行中的流量再分配、HSC中的再循环-效率权衡、比例与积分作用的交互），但数值边界和响应时间限于所选特性图、水库、固定转速电气系统和共用输水系统。该论文发表在《Water》期刊上。

**关键技术方法**（不超过250字）
本研究采用基于OpenModelica的物理建模方法，构建了包含上游水库、压力主管、分岔管、两条并联机组支管、尾水管和下游水库的“单管双机组”拓扑。每个三元机组包含泵-涡轮、双极凸极同步电机和三相变压器。泵模式基于欧拉方程和经验损失模型，涡轮模式采用基于无量纲参数（q₁₁、n₁₁）的混流式公式。同步电机采用电压源等效电路模型，变压器采用T型等效电路。水库采用变水头质量平衡动态模型，下游水库简化为恒定水头边界条件，管道和局部损失用扩展伯努利方程描述，摩擦系数由Colebrook-White公式计算。模型中所有水力组件采用非因果建模，支持充放电和HSC工况下的双向流动。控制层通过顶层模式参数和功率分配方程实现集中控制，HSC模式下采用PID控制器调节涡轮输出以维持恒定充电功率。研究未使用实测数据，模型验证通过交叉检查已发表的50 MW HSC基准实现，泵轴功率误差0.3%，涡轮轴功率误差0.5%，系统效率差异0.14个百分点。

**研究结果**
**3.1 纯充电和纯发电过程**
通过对比单泵和双泵纯充电过程，发现双泵运行将充电时间从36,004 s缩短至20,323 s（减少约44%），但泵效率降低，单泵在SOC≈0.2时达到峰值效率约0.913，双泵效率从0.907持续下降至0.87。在纯发电过程中，双涡轮运行时间（34,013 s）约为单机（68,835 s）的一半，且双涡轮效率略高于单机（双机约0.877-0.857，单机约0.873-0.853），原因是双机时每台涡轮流量更接近最优值。

**3.2 水力短路充电过程**
以70 MW充电功率为控制目标，在20小时内线性增加水库SOC，系统能稳定维持恒定净机械功率。泵轴功率从约142 MW单调降至132 MW，效率先升后降至约90.7%；涡轮输出功率从约74 MW降至62 MW，效率从约89.5%缓慢降至88.5%。净流量保持相对稳定，整体系统效率在66.2%-67.2%之间缓慢下降。进一步在不同充电功率水平（40-90 MW）下扫描发现，平均效率从38.6%（40 MW）单调增至74.1%（90 MW），充电时间从62.9 h降至14.7 h，表明再循环损失随充电功率增加而减弱。

**3.3 额定转速下的水力短路控制激活瞬态**
从额定转速热启动条件激活控制器，模拟不同初始水头和输入功率水平下的响应。在5秒内涡轮达到新准稳态：初始水头越大，稳态涡轮功率越低（74 MW至69 MW），功率损失略高。不同HSC功率设定值下，响应时间约5秒。PID参数灵敏度筛选显示，比例增益k对100秒涡轮能量和95%稳定时间影响最大，较小的积分时间T_i会放大k的敏感性，微分系数w_d影响较弱。该筛选未指定最优组合，需平衡响应速度与水力约束。

**总结讨论与结论**
讨论部分指出，本研究识别的机制（并联运行流量再分配、HSC再循环-效率权衡、比例与积分作用交互）具有通用价值，但数值边界和响应时间限于所选模型。实际应用前，操作人员应在制造商山形图上投影预期运行点，并遵守最小流量、空化、导叶速率、压力、振动和温度限制；在电网条件允许时优先选择较高HSC充电功率设定值；并利用实测数据逐步调试PID回路。固定转速方案无需变频器，但需要协调的涡轮控制和充分的仪表。论文结论部分（翻译如下）：(1) 可迁移机制：并联运行重新分配单机流量，可能使机组靠近或远离最佳效率区。在本研究中，双泵充电缩短约44%但降低泵效率，双发电效率略高因单机流量匹配更好。(2) 可迁移机制与案例特定值：HSC通过反向调节涡轮输出维持指令净充电功率，更深的局部负荷导致更大的内部再循环和更低的效率。本案例中，平均效率从40 MW时的38.6%增至90 MW时的74.1%，充电时间从62.9 h降至14.7 h。(3) 控制筛选结果：在测试的额定转速降阶模型中，k是主导PID参数，小T_i放大k敏感性，w_d影响较小。这些观察不构成水锤稳定性或通用控制器最优性的证据。研究局限性包括缺乏实测数据、真实不稳定泵-涡轮区域、旋转质量惯性、弹性水柱动力学、调压室行为、执行器饱和以及与自适应或预测控制器的系统比较，未来工作将纳入这些因素。