综述：面向逆变器主导电力系统的低水头抽水蓄能：2022 年后对转涡轮机械、海上部署及电网支撑控制的进展

《Journal of Energy Storage》：Low-head pumped hydro energy storage for inverter-dominated power systems: Post-2022 advances in contra-rotating turbomachinery, offshore deployment and grid-supportive control

　　

摘要

基于逆变器的可再生能源发电的快速扩展加剧了对能够提供能量时移和可验证辅助服务的长时储能的需求。低水头抽水蓄能 (LH-PHS) 将抽水蓄能的部署扩展到平原、沿海、离岸及受限场地，但其可行性取决于大流量水力设计、暂态安全运行和电力电子控制。证据基础包括 103 个来源，其中包含超出原始 44 个来源种子集的 59 个参考文献；其中 56 个新增内容日期为 2021–2026 年。出现了四个发现。首先，在扩展的编码 2022 年后透平机械、性能预测和暂态子集中，对旋可逆式水泵水轮机 (CR-RPTs) 占 29 项研究中的 10 项 (34%)，而常规和变速泵作涡轮 (PAT) 及其他单转轮路径占 16 项研究 (55%)；因此，CR-RPTs 最好被视为一种专用的高控制权选项，而不是通用的主导路径。其次，商用 PAT 提供较低的成本和更广泛的可用性，最近的变速型号报告称在宽速比范围内的预测误差通常在 10% 以内，尽管在非设计工况下可靠的水头 - 流量 - 效率映射仍然困难。第三，CR-RPT 实验报告称峰值水力效率约为 86–92%，离岸/沿海概念报告称往返效率高于 70–72%，面向电网服务的控制已实现涡轮模式下满备用激活上升时间低于 3.92 秒，泵模式下为 0.23 秒。第四，神经网络、支持向量回归、降阶模型和数字孪生正在成为用于性能预测、监控和控制的计算高效替代模型，但其可迁移性、不确定性和物理可解释性仍然是局限性。因此，LH-PHS 最好被理解为一种连接水力稳定性、机器选择、变换器/控制架构、多时间尺度调度、生命周期影响和利益相关者接受度的自适应协同设计问题。明确的构网型 LH-PHS 示范仍然大部分缺失。

引言

全球脱碳和电气化正在增加基于逆变器的可再生能源发电在电力系统中的份额。这一转变改变了可靠性支持的性质：系统不仅需要大规模储能，还需要快速有功调制、频率遏制、电压支持以及秒级到天级时间尺度上的运行灵活性 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13]。抽水蓄能 (PHS) 仍然是最成熟的大规模、长时储能技术，但最近的规划研究表明，其价值很大程度上取决于如何与可变可再生能源、微电网、市场规则和竞争性储能选项进行协调 [3], [4], [5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31]。

常规 PHS 在地理上受限，因为高水头方案需要合适的海拔落差和大型土木结构。低水头抽水蓄能 (LH-PHS) 通过瞄准平原、沿海、离岸、河流和邻近基础设施的场地放宽了这一限制。工程挑战在于，对于给定的额定功率，低水头需要大流量，这增加了对水力损失、暂态压力、空化、鱼类通道限制和控制 - 执行器协调的敏感性 [1], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46], [47], [48], [49], [50], [51], [52]。

自 Hoffstaedt 等人综述以来，文献已从可行性框架转向集成设计问题：哪些低水头透平机械架构能够提供宽高效率运行包络线；变速机械和变换器应如何提供频率遏制同时顾及水力风险；如何基于往返效率、生命周期影响和利益相关者限制评估离岸/沿海水库；以及如何对优化算法、软件工具和目标函数进行分类以用于系统级调度和微电网设计 [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [34], [35], [36], [37], [53], [54], [55], [56], [57], [58], [59], [60], [61], [62], [63], [64], [65], [66], [67], [68], [69], [70], [71], [72], [73]。

本综述的贡献有四方面。首先，它综合了 103 个来源，包括最近的常规和变速泵作涡轮研究、水力机械性能的数据驱动模型和数字孪生应用。其次，它在编码的 2022 年后透平机械、性能预测和暂态子集中定量区分了 CR-RPT 研究与常规 PAT 和其他单转轮路径。第三，它将变速和跟网型 FCR 控制与尚待开发的 LH-PHS 构网运行主题区分开，同时识别了实时控制的替代模型需求。第四，它整合了水力设计、机器选择、数据驱动性能映射、电网服务控制、优化和调度、离岸部署、生命周期评估和社会接受度，形成了用于研究和实践的约束空间框架。

章节片段

研究范围和扩展源选择

本综述使用 Hoffstaedt 等人作为种子来源，并通过 (i) 其基础参考文献集，(ii) 2022 年至 2026 年的 Scopus 前向引用摘要，以及 (iii) 2021 年至 2026 年关于抽水蓄能、低水头和超低水头水电、常规和变速泵作涡轮、数据驱动的水力机械性能预测、数字孪生、变速和电网支持控制、微电网和混合可再生能源的针对性文献扩展了证据基础

透平机械路径：对旋机械和常规变速泵作涡轮的互补角色

对于大流量低水头条件，轴流式可逆变速水泵水轮机在专用设计机械中仍然具有吸引力，而对旋、阿基米德螺和正排量概念提供了额外的创新路径 [1], [33]。并行且 commercially 重要的路径是泵作涡轮 (PAT)，其中广泛可用的离心或轴流泵反向运行用于微型水电、压力能回收、分布式储能和小

一个更新的核心结论是 LH-PHS 是一个协同设计问题，而不是组件问题

2022 年后的文献表明，机器层面的高效率是可行的（例如对旋水泵水轮机在各运行范围内的高水力效率）以及概念/系统层面的高效率（沿海/离岸系统仿真和设计研究报告称 >70% 的往返效率 [34], [55], [57]）。然而，这些令人鼓舞的数字与关于空化极限、暂态排序危害和不稳定机制的大量迅速扩展的工作并存，这些

研究启示

通过自适应约束空间视角解释 LH-PHS 重新框定了几项研究优先事项。首先，经验证的放大路径必须不仅证明效率保持，而且是在动态运行包络线下水力稳定性裕度的保持 [34], [35], [66], [73]。模型尺度实验和硬件在环控制验证提供了有希望的结果 [36], [37]，然而这些方法应扩展至明确报告

局限性

本项研究是一项结构化叙事综述，由种子综述、前向引用映射以及针对性纳入近期相关研究和报告构建，日期大多为 2021–2026 年。它不是完整的 PRISMA 式系统综述，因此此处报告的定量计数应被解释为语料库特定证据映射，而不是确定的全领域文献计量学。

其次，一些 2022 年后的证据仅可从摘要、会议论文、报告或

结论

LH-PHS 正从概念可行性向用于逆变器主导的电力系统的系统集成储能路径移动。103 个来源的证据基础呈现了比仅以 CR-RPT 为中心的解释更平衡的透平机械格局。在编码的 2022 年后透平机械、性能预测和暂态子集中，CR-RPTs 占 29 项研究中的 10 项 (34%)，而常规和变速 PAT 和其他单转轮路径占 16 项研究 (55%)。商用 PAT

CRediT 作者贡献声明

Rini Nur Hasanah: 写作 - 原稿，方法论，概念化。 Tri Nurwatia: 软件，数据整理。 Lunde Ardhentaa: 可视化，软件。 Rizki Mendung Ariefiantoa: 验证，形式分析。 Ting Chenb: 验证，软件。 Hadi Suyonoa: 监督。 Eduard Muljadic: 写作 - 审查与编辑。

写作过程中生成式人工智能和人工智能辅助技术声明

在准备和修改本工作期间，作者使用了 ChatGPT (OpenAI) 协助语言润色、结构组织、回复审稿人草稿和表达清晰度；Scopus 和补充文献搜索用于文献识别和前向引用映射；以及 Zotero 用于参考文献管理和引用组织。在使用这些工具和服务后，作者根据需要批判性地审查和编辑所有内容并承担全部

资助

本出版物是一项由印度尼西亚伯拉维加亚大学工程学院资助的研究活动的一部分，通过 2022 年具有副教授职位的博士研究资助，合同号为 32/UN10.F07/H.PN/2022。

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，这些可能看起来影响本论文中报告的工作。

Rini Nur Hasanah|Tri Nurwati|Lunde Ardhenta|Rizki Mendung Ariefianto|Chen Ting|Hadi Suyono|Eduard Muljadi

印度尼西亚 马朗，邮编 65145，伯拉维加亚大学电气工程系