抽水蓄能机组启动过程中快速穿越振动区：权衡策略与实验验证

《Journal of Energy Storage》：Rapid crossing of vibration zones for pumped-storage units during the start-up process: Trade-off strategy and experimental validation

　　

摘要 随着全球向低碳能源转型，抽水蓄能日益需要提供频繁的启动和调节服务，以补偿波动性风能和太阳能发电。然而，快速启动可能引发显著的结构振动、压力脉动和机械载荷。因此，本研究提出了一种面向稳定性的变速抽水蓄能机组启动优化策略，该策略在保留快速启动性能的同时，减少了在高振动区的停留时间。采用模型实验来考察控制参数对暂态行为的影响，并构建和独立验证了数据驱动的高振动区边界。随后，将该边界纳入数值多目标优化框架，以最大水轮机力矩和振动区穿越时间为竞争目标，以压力脉动为约束。优化后的一阶和二阶策略均改进了传统策略的某些方面，而优化后的一阶策略提供了更为平衡的实验结果。与传统策略相比，优化后的一阶实验将启动时间缩短 9.31 秒，振动区穿越时间缩短 0.17 秒，最大水轮机力矩降低 11.67%，压力脉动幅度降低 58.78%，最高转速从 960.02 降至 924.48 rpm。这些结果为平衡变速抽水蓄能机组的启动速度和暂态稳定性提供了实验支持的框架。

引言 对化石燃料枯竭、能源安全和气候变化的日益关注加速了可再生能源的部署 [1], [2], [3], [4]。国际能源署在其《2050 年实现净零》路线图中强调，到 2050 年实现全球二氧化碳净零排放需要对能源系统进行深刻转型 [5]。太阳能光伏和风能目前占全球发电容量年度净增量的近三分之二 [6]。然而，它们的间歇性和不确定性对快速平衡和大规模能源存储提出了日益增长的需求 [7], [8]。

就装机容量而言，水电仍然是最大的可再生能源资源之一。截至 2023 年底，全球可再生能源容量达到约 3870 GW，其中水电贡献了约 1268 GW，约占 33% [2]。随着波动性可再生能源渗透率的提高，传统水电在时空调节和系统灵活性方面面临着日益增长的限制 [9], [10]。抽水蓄能电站 (PSHPs) 通过双向、大规模能源存储扩展了水电的平衡作用，并结合了成熟技术、大容量机组、快速响应和长持续时间存储 [11], [12], [13]。

电力系统波动性的日益增长要求 PSHPs 进行更频繁的启停循环，在某些情况下每年超过一千次操作。在水轮机模式启动期间，选定的控制轨迹主导着流量、压力、转速和机械载荷的快速变化 [3], [14], [15]。不当的控制可能会加剧压力脉动和结构振动，据报道关键水电组件已出现振动诱导开裂 [16], [17]。PSHPs 可分为定速和变速系统 [18]。与定速机组相比，变速抽水蓄能机组 (VSPSUs) 使用电力电子变换将机械转速与电网频率解耦，提供了更宽的运行范围和更大的调节灵活性 [19], [20], [21], [22]。

以往研究确立了 VSPSUs 的运行灵活性和耦合动力学。Valavi 等人 [23] 比较了替代的变速配置，并评估了其对电力系统和水电机组的好处。Geiger [24] 表明，水力短路运行可以扩展协调变速机组的功率范围。随后的研究改进了泵模式建模并量化了静态和动态调节特性 [25]，开发了用于效率导向速度选择的耦合水力 - 机械 - 电气模型 [26]，并建立了用于暂态调节研究的实验性 VSPSU 平台 [27]。这些贡献证明了 VSPSUs 的可控性，但它们并未直接将测量的结构振动转化为可沿启动轨迹查询的约束。

针对启动的研究考察了与低流量运行相关的水力和机械响应。Wang 等人 [28] 结合 PID 调速器、三维模拟和动态网格分析了从启动到空载运行的过渡。Sarasua 等人 [29] 在考虑弹性水柱效应的情况下调查了 VSPSU 的发电模式响应。Jin 等人 [30] 和 Yu 等人 [31] 将一维特性与三维流和结构分析耦合，以检查在扬程和转速增加下的转轮动力学。Alerci 等人 [32] 利用测量和数值模拟评估了水力机械暂态过程中的疲劳损伤。这些研究阐明了重要的暂态机制，但它们通常分析单个响应或运行条件，而不是构建基于振动的运行空间约束。

因此，引入了优化以提高启动控制的快速性和安全性 [33]。Jukic 等人 [34] 展示了基于优化的控制对于抽水蓄能电站暂态和面向市场运行的价值。其他研究优化了转速上升时间和超速 [35]，将主动学习与黑盒优化相结合以减少与应变相关的损伤 [36]，或比较多目标算法并通过综合加权选择实际参数 [37]。然而，这些框架主要强调快速启动、速度调节或选定的载荷指标；它们并未在实验验证的决策过程中同时整合测量的结构振动、压力脉动、峰值机械载荷和启动快速性。因此，未解决的任务是将实验观测到的振动过渡转化为数值轨迹优化的运行空间约束。

因此，本研究开发了一个模型尺度框架，以平衡启动快速性与暂态水力和机械稳定性 (图 1)。该框架结合了实验表征、高振动区的数据驱动识别、多目标数值优化和对所选策略的实验评估。识别流程具有可移植性，因为它从同步振动和水力测量中学习边界；然而，拟合系数仍然是机组特定的，必须在原型应用前重新校准。主要贡献如下：

1. 通过模型实验调查启动参数对动态特性的影响：进行实验研究以分析启动参数对瞬态动态性能的影响，包括振动、压力脉动和启动行为。
2. 通过数据驱动建模识别高振动区：提出了一种数据驱动的识别方法来准确定位高振动区，其中引入了一种称为振动区穿越时间的新指标，以定量评估 VSPSU 在暂态运行期间的稳定性。
3. 优化启动策略以平衡快速性和稳定性：制定了多目标优化框架，以在压力脉动约束下实现水轮机冲击力矩和振动区穿越时间之间的最佳权衡，其中最优启动策略从帕累托前沿确定，以最小化总体启动持续时间。

章节片段
实验平台概述
基于武汉大学的双馈变速抽水蓄能实验平台 [38]，进行了一系列启动模型实验，以识别和校准数学模型，确定机组的最优空载转速，建立压力脉动幅度的插值模型，并识别机组的大幅度结构振动区域。这些任务是确保研究可靠性的基本前提。
最优空载转速
对于双馈变速抽水蓄能机组，空载转速可以在±8% (920–1080 rpm) 的变速范围内灵活设定。一系列稳态空载转速实验获得的无量纲峰峰值压力脉动幅度如图 9(a) 所示。随着空载转速从 920 rpm 增加到 1080 rpm，峰峰值压力脉动幅度逐渐增加，最大增加幅度为 8%。空载并网实验
参考向量引导进化算法
本研究采用的多目标优化算法是参考向量引导进化算法 (RVEA) [46]。该算法通过参考向量隐式地将原始多目标优化问题分解为一组标量子问题。在环境选择阶段，使用角度惩罚距离来平衡收敛性和解的多样性，从而能够在区域内均匀近似帕累托前沿。

结论
本研究开发了一种 VSPSU 启动优化框架，以平衡启动快速性和暂态稳定性。从模型实验中构建了数据驱动的高振动区边界，将其纳入多目标数值优化中，并通过模型尺度实验验证进行了评估。主要结论如下。
1. 模型实验：导叶开度 (GVO) 的速率和最大值主要影响启动时间、水轮机力矩、压力

CRediT 作者贡献声明
丁果：写作 – 审阅与编辑，写作 – 初稿，可视化，方法论，数据管理，概念化。赵志高：写作 – 审阅与编辑，监督，资金获取，形式分析。马伟超：写作 – 审阅与编辑，监督，方法论，数据管理。陈飞：写作 – 审阅与编辑，可视化，调查。赵俊科：监督，资源，调查。程世明：写作 – 审阅与编辑，监督。谭树新：写作 –

资金来源的角色
本工作得到了国家自然科学基金面上项目 (52579090 和 U24B20108) 和湖北省自然科学基金面上项目 (2024AFB748) 的支持。资金来源在研究设计、数据收集、分析或解释、手稿准备或提交文章发表的决定中没有任何作用。作者未被禁止访问研究数据，并接受对...的责任

竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争财务利益或个人关系，这些关系可能影响本文报道的工作。

致谢
本工作得到了国家自然科学基金面上项目 (52579090 和 U24B20108)、中央高校基本科研业务费 (1404-413000362) 和湖北省自然科学基金面上项目 (2024AFB748) 的支持。

丁果 | 赵志高 | 马伟超 | 陈飞 | 赵俊科 | 程世明 | 谭树新 | 杨建功
武汉大学水资源与水工程国家重点实验室，中国湖北省武汉市，430072