隨著風電、光伏等可再生能源發電的大規模并網運行，電力系統的穩定性面臨著越來越嚴峻的挑戰，用于調節系統有功平衡的儲能系統發揮著越來越重要的作用。抽水蓄能相對于化學電池儲能、空氣壓縮儲能、超導儲能等方式具有容量大、維護費用低、安全高效等諸多優點。

傳統的抽水蓄能系統多使用定速抽蓄機組，抽蓄電站只有在發電模式下才有電網頻率調節能力，難以滿足可再生能源接入后電網頻率準確快速調節的需求。相比之下，配備了大容量電力電子變流器的可調速抽水蓄能電站能夠實現電動/發電功率的快速、精確控制，在發電和水泵模式下都可以參與系統的頻率調節，結合電機的矢量控制和機電設備的機械儲能后更可以將頻率調節的響應時間進一步從分鐘級降低至毫秒級，從而可以有效實現電網負荷頻率控制、平抑可再生能源出力波動。

同時，與定速機組相比，可調速機組可以通過改變水輪機的轉速來提高系統整體效率（類似風電的最大功率點跟蹤），如圖1所示，從而提高抽蓄電站運行效益，抵消相對定速抽蓄電站增加的建設成本，而且效率的提升也可以顯著降低由系統損耗造成的機組振動及磨損，減少檢修次數，降低抽蓄電站維護成本。

圖1 定速抽蓄機組和可調速抽蓄機組效率對比

目前可調速抽水蓄能技術主要有雙饋式可調速抽水蓄能與全功率可調速抽水蓄能兩種實現方式，分別使用雙饋變流器和全功率變流器，如圖2a和圖2b所示。然而，抽水蓄能機組單機容量動輒達數百兆瓦，即使采用雙饋式系統，所需要的變流器容量也至少要達到數十兆瓦（為主電機容量的10%～20%左右）。因此，在目前可調速抽水蓄能電站中普遍應用基于晶閘管的周波變流器，電路結構如圖3所示，日本關西電力公司大河內可調速機組在1995年即開始采用這種變流器。

周波變流器屬于直接交交變流器，其主要優點是使用器件少、沒有中間直流環節；其主要缺點是輸入輸出電流諧波大、功率因數低、輸出頻率調節范圍受限等，基于周波變流器的系統需要龐大的濾波設備，也無法實現輸出頻率的快速、大范圍連續調節。

圖2 可調速抽水蓄能系統

圖3 周波變流器

模塊化多電平矩陣變流器（Modular Multilevel Matrix Converter, M3C）是一種新型高電壓、大容量、組合式、多電平交交變流器，電路結構如圖4所示。M3C具有的模塊化結構，使得該變流器可以通過增加級聯數量達到數百兆瓦甚至更高容量的功率變換能力，能夠滿足新型可調速抽水蓄能電站的超大容量電能變換需求。同時，M3C具有功率因數高、電流諧波小、能量可雙向流動、輸入輸出頻率任意可調等突出優點，不僅可以省去龐大的濾波裝置，還可以同時提供無功補償功能，有效解決周波變流器存在的問題。

圖4 模塊化多電平矩陣變流器

為應對可再生能源發電給電力系統帶來的挑戰，增強可調速抽水蓄能電站對電網的頻率調節能力，本文旨在提出一種基于M3C的可調速抽水蓄能系統，探討M3C在可調速抽蓄系統的應用可行性。本文第1節介紹提出的基于M3C的可調速抽水蓄能系統結構，第2和第3節分別介紹M3C的基本理論、拓撲特性及全頻域控制策略。最后，本文搭建了10kW具有27個子模塊的M3C實驗平臺，以全功率型M3C帶感應電機為例，驗證了M3C在可調速抽水蓄能中的全頻域運行特性。

圖5 基于M3C的可調速抽水蓄能系統結構

圖6 基于M3C的全功率可調速抽水蓄能機電系統

圖11 M3C實驗平臺

圖12 感應電機實驗平臺

結論

可調速抽水蓄能電站可以有效平抑新能源出力波動，增強電網對新能源的消納能力。本文提出了一種基于M3C的可調速抽水蓄能系統方案，與M3C的拓撲特性和控制方法相結合分析了系統在水泵和發電模式下的運行方法。為驗證M3C在可調速抽水蓄能系統中的可行性，本文搭建了10kW具有27個子模塊的M3C實驗平臺，以全功率型M3C帶感應電機為例，驗證了M3C在可調速抽水蓄能系統中的全頻域運行特性。

分析和實驗結果均表明，M3C作為一種極具潛力的高電壓、大容量、組合式多電平變流器可以有效解決目前可調速抽水蓄能中電力電子變換裝置容量小、諧波大、調節速度慢等問題。在現今可再生能源發電占比不斷提升的背景下，基于M3C的可調速抽蓄系統具有廣闊的應用前景。