抽水蓄能具有解决电网调峰问题、保障电网运行安全、促进各类电源经济运行的功能。随着光伏、风电等间歇性可再生能源的大规模接入，为电网的稳定运行带来了巨大挑战，抽水蓄能是目前平滑可再生能源功率波动的重要手段之一。我国已经拥有世界第一的抽水蓄能机组总装机容量，在建和拟建的抽水蓄能电站有100多座，抽水蓄能对推动清洁能源产业发展、保障电力系统的安全稳定运行、促进电网可持续发展具有重要意义。2024年7月，我国首台大型交流励磁变速抽水蓄能机组河北丰宁抽水蓄能电站12号机组投入试运行，标志着可变速抽水蓄能电站的建设与运行进入实践阶段。该电站的投运对我国可变速抽水蓄能机组的发展具有重要的示范意义。相比常规定速机组，可变速抽水蓄能机组具备适应更宽水头范围、提高运行效率、实现有功功率和无功功率的快速调节、提高运行稳定性及改善电能质量等重要优势。可变速抽水蓄能机组具有非线性强、运行工况复杂、功率流动复杂等特点，在电力系统中应用时，需对其输出功率进行描述和建模。可变速抽水蓄能机组的功率模型精度需求因应用场景而异，例如，在考虑机组本身运行特性时，需要采用变流器的开关模型；当聚焦于机组输出功率特性时，则可简化变流器模型；而从电网侧近似考虑可变速抽水蓄能机组输出功率时，宜采用分段线性模型进行拟合。目前，现有技术对可变速抽水蓄能机组的功率描述主要在机组本身的功率模型上，功率模型精度虽然高但其复杂性影响其在电力系统中的应用，基于机组本体参数的可变速抽水蓄能机组输出功率模型及简化模型的相关研究较少。因此，通过建立可变速抽水蓄能机组输出功率的模型，进一步研究模型简化方法，对可变速抽水蓄能在电力系统中应用具有重要的理论意义及工程应用价值。本书针对可变速抽水蓄能机组输出功率建模所面临的关键科学与技术问题，按照可变速抽水蓄能机组控制方法及控制特性、功率流动分析、等效模型、分段线性化功率模型、模型在抑制电网功率波动方面应用的结构体系进行全面阐述。全书分为9章，第1章介绍了抽水蓄能技术以及可变速抽水蓄能技术的发展，阐述抽水蓄能在电网中应用时对机组输出功率模型的需求问题；第2章介绍了可变速抽水蓄能机组的模型，给出了水泵水轮机及调节系统模型、电机模型和变流器模型；第3章介绍了可变速抽水蓄能机组控制方法，并分析了双馈式可变速抽水蓄能机组和全功率可变速抽水蓄能机组控制特性，并给出了参数设计方法；第4章介绍了双馈式可变速抽水蓄能机组功率流动情况，揭示了功率流动规律；第5章介绍了可变速抽水蓄能机组仿真模型，包含基于变流器开关模型的机组仿真模型和基于变流器等效为电流源的机组仿真模型；第6章介绍了双馈式可变速抽水蓄能机组输出功率模型的等效方法，并提出了简易等效功率模型；第7章介绍了双馈式可变速抽水蓄能机组全过程分段线性化功率模型，并提出了多状态分段线性化控制方法及参数设计方法；第8章介绍了全功率可变速抽水蓄能机组多状态分段线性化控制方法及参数设计方法；第9章介绍了可变速抽水蓄能机组抑制电网功率波动的应用实例。为方便读者对照阅读和理解，本书仿真图中的符号均保留书中所用软件所生成的图形。本书是作者多年来在相关研究领域工作成果的总结，在研究过程中得到了有关专家同仁的大力支持；在写作过程中，还参考了其研究生赵强、任继云、张永鑫的研究成果，在此对为本书做出贡献的各位老师和学生表示衷心的感谢。由于可变速抽水蓄能机组的建模方法在实际应用中受到诸多因素的影响，尤其是可变速抽水蓄能电站还没有大范围应用，各个参数以及运行特性较为缺乏，因此书中难免存在疏漏和不妥之处，敬请读者批评指正。作者2025年11月

目前，现有技术对可变速抽水蓄能机组的功率描述主要在机组本身的功率模型上，功率模型精度虽然高但其复杂性影响其在电力系统中的应用，基于机组本体参数的可变速抽水蓄能机组输出功率模型及简化模型的相关研究较少。因此，通过建立可变速抽水蓄能机组输出功率的模型，进一步研究模型简化方法，对可变速抽水蓄能在电力系统中应用具有重要的理论意义及工程应用价值。本书针对可变速抽水蓄能机组输出功率建模所面临的关键科学与技术问题，按照可变速抽水蓄能机组控制方法及控制特性、功率流动分析、等效模型、分段线性化功率模型、模型在抑制电网功率波动方面应用的结构体系进行全面阐述。

本书针对可变速抽水蓄能机组的功率模型及应用进行深入研究和讨论。按照可变速抽水蓄能机组控制方法及控制特性、功率流动分析、等效模型、分段线性化功率模型、模型在抑制电网功率波动方面应用的结构体系进行全面阐述，综合展示了可变速抽水蓄能机组建模的理论基础、系统设计和工程应用。本书适合可变速抽水蓄能机组应用方向相关学科的研究生学习使用，也适合从事可变速抽水蓄能机组建模工作的研究人员和工程技术人员参考。

赵国鹏：从2011年开始，在华北电力大学电气与电子工程学院任教，从事电力电子技术领域的教学和研究工作。主持1项国家自然科学基金项目，承担国家重点研发计划项目子课题3项，承担多项企业合作项目，以第1作者发表SCI检索论文20余篇，授权专利30余项，授权软件著作权18项。研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用、电能质量控制、储能及变流器控制技术、新能源发电并网技术等。出版全国电力行业;十四五规划教材2本，学术专著1本。

前言第1章绪论11.1可变速抽水蓄能技术的发展情况11.1.1抽水蓄能技术的发展11.1.2可变速抽水蓄能技术的发展51.2机组输出功率特性及在电力系统中的应用问题81.2.1机组控制方法及控制特性研究现状81.2.2机组输出功率特性及模型111.2.3机组在电网功率调节中的应用13第2章可变速抽水蓄能机组建模162.1水泵水轮机及调节系统模型172.2电机模型222.2.1双馈电机模型222.2.2全功率机组电动发电机的数学模型282.3变流器模型31第3章可变速抽水蓄能机组控制方法及控制特性343.1双馈式可变速抽水蓄能机组控制方法及控制特性343.1.1功率优先控制方法及控制特性343.1.2转速优先控制方法及控制特性483.1.3两种控制方法的比较533.2全功率可变速抽水蓄能机组控制方法及控制特性603.2.1功率优先控制方法及控制特性613.2.2转速优先控制方法及控制特性733.2.3两种控制方法的比较83第4章双馈式可变速抽水蓄能机组功率流动分析914.1发电工况运行时的功率分析914.1.1有功功率分析924.1.2无功功率分析1014.2电动工况运行时的功率分析1034.2.1有功功率分析1044.2.2无功功率分析110第5章可变速抽水蓄能机组仿真1125.1双馈式可变速抽水蓄能机组仿真1125.1.1基于变流器开关模型的机组仿真1125.1.2基于变流器等效为电流源的机组仿真1185.2全功率可变速抽水蓄能机组仿真1325.2.1基于变流器开关模型的机组仿真1325.2.2基于变流器等效为电流源的机组仿真136第6章双馈式机组简易等效模型及应用1376.1发电工况动态过程简易等效功率模型1376.2电动工况动态过程简易等效功率模型1386.3不同运行工况切换过程简易等效功率模型1406.4机组频域特性1416.4.1机组稳定运行状态频域特性1416.4.2机组不同运行工况切换过程频域特性1446.5模型的应用1516.5.1机组稳定运行状态电网功率波动抑制与电网频率控制仿真1516.5.2机组工况切换过程电网功率波动抑制与电网频率控制仿真156第7章双馈式机组分段线性化功率模型与控制方法1597.1全过程中水泵水轮机分段线性化模型1597.1.1水轮机工况建模1607.1.2水泵工况建模1637.2全过程中机组输出功率建模1637.2.1发电运行全过程功率建模1637.2.2电动运行全过程功率建模1687.3机组功率模型在电网调节中的应用1717.4双馈式机组多状态分段线性化控制方法1737.4.1双馈式机组多状态分段线性化控制框图1737.4.2发电工况下双馈式机组功率控制闭环调节器参数设计1777.4.3发电工况下双馈式机组转速控制闭环调节器参数设计1847.5仿真分析1907.5.1双馈式机组发电工况仿真分析1907.5.2双馈式机组电动工况仿真分析193第8章全功率机组基于分段线性化模型的控制方法1958.1全功率机组多状态分段线性化控制方法1958.2发电工况下功率控制闭环调节器参数设计1968.3发电工况下转速控制闭环调节器参数设计2038.4机组发电工况仿真分析2098.5机组电动工况仿真分析211第9章可变速抽水蓄能机组抑制电网功率波动的应用2139.1基于变流器等效为电流源的机组对电网功率波动的抑制2139.1.1算例中的电网结构及其参数2139.1.2仿真电路及仿真结果2139.2基于分段线性化功率模型的机组对电网功率波动的抑制2289.2.1三机电网仿真算例2289.2.2功率波动抑制229参考文献239