抽水蓄能機組利用電力負荷低谷電能抽水至上水庫，儲蓄位能，在電力負荷高峰輸水發(fā)電至下水庫。迄今為止，抽水蓄能機組是電力系統(tǒng)中最可靠、最經(jīng)濟、壽命周期長、容量大、技術最成熟的儲能裝置，是能源生產(chǎn)的重要組成部分。通過配套建設抽水蓄能電站，可提高系統(tǒng)中火電站和核電站運行效率、延長機組壽命、降低維護費用；能有效減少風電場并網(wǎng)運行對電網(wǎng)的沖擊，提高風電場和電網(wǎng)運行的協(xié)調性；能發(fā)揮調頻調相、旋轉備用、黑啟動多重功能，可提高電網(wǎng)供電質量和電網(wǎng)靈活性及可靠性，在特高壓、智能電網(wǎng)的發(fā)展中起著無可替代的作用。
抽水蓄能電站的出現(xiàn)已有100多年的歷史。西方國家抽水蓄能起步早，規(guī)模大，裝機占比在5%～10%，其中日本早在2006年就超過10%。截至2016年，全球抽水蓄能電站總裝機容量約1.4億kW，日本、美國和歐洲諸國的抽水蓄能電站裝機容量占全球的80%以上。我國抽水蓄能電站裝機容量2303萬kW，占全國電力總裝機容量的1.5%，其比重明顯偏低。為此，我國制定“十三五”期間抽水蓄能發(fā)展目標是：全國新開工抽水蓄能電站6000萬kW，2020年抽水蓄能總裝機容量達到4000萬kW，2025年達到9000萬kW，以適應新能源大規(guī)模開發(fā)及保障電力系統(tǒng)安全運行的重大需求。由此可見，今后我國建設抽水蓄能電站的任務相當繁重，發(fā)展?jié)摿薮蟆?
盡管我國抽水蓄能電站建設起步晚，但后發(fā)效應明顯，起點較高，其中若干座大型抽水蓄能電站已處于世界先進水平。例如，廣州、惠州抽水蓄能電站總裝機容量2400MW，為世界上最大的抽水蓄能電站；天荒坪等一批抽水蓄能電站單機容量300MW，額定水頭在500m左右，已達到單級可逆式水泵水輪機世界先進水平；西龍池抽水蓄能電站單級可逆式水泵水輪機組最大揚程704m，僅次于日本葛野川和神流川抽水蓄能電站機組。目前正在設計的績溪、敦煌、陽江抽水蓄能電站，額定水頭均超過700m，單機容量分別為350MW和400MW，標志著我國抽水蓄能建設更新發(fā)展和抽水蓄能技術全面提升。
抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)發(fā)揮的作用越巨大，必然使得機組啟停、工況轉換越頻繁，過渡過程引發(fā)的安全隱患越多。據(jù)國外的統(tǒng)計，抽水蓄能機組過渡工況平均每小時0.22～0.25次；如此繁復的過渡過程，使得抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)、機組、電氣處在急劇變化之中，如果設計缺陷或者控制不當，均有可能引起嚴重的事故。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國發(fā)生的抽水蓄能電站的事故均與過渡過程有關。這不僅危及電站和機組自身安全，甚至影響電力系統(tǒng)安全。因此，抽水蓄能機組過渡過程成為設計與運行中關鍵技術問題。該問題主要體現(xiàn)在如下五個方面。
（1）抽水蓄能機組調節(jié)保證不同于常規(guī)的水輪發(fā)電機組，受水泵水輪機全特性的影響，尤其是反S區(qū)特性的影響較大，而常規(guī)的水輪發(fā)電機組調節(jié)保證，主要取決于輸水管道系統(tǒng)的水流慣量和機組轉動慣量。因此，設計階段套用水頭、單機容量、比轉速接近水泵水輪機全特性曲線，與機組招標后真機全特性曲線可能存在一定的差異，若兩者反S區(qū)域差異明顯，其調節(jié)保證極值將有較大差別，就有可能給機組運行帶來安全隱患，也有可能造成工程投資的浪費。
（2）抽水蓄能機組運行穩(wěn)定性與調節(jié)也不同于常規(guī)的水輪發(fā)電機組。受水泵水輪機全特性的影響，尤其是反S區(qū)特性的影響，低水頭下抽水蓄能機組空載穩(wěn)定性一直困擾設計與運行，并且為了滿足水輪機工況區(qū)運行穩(wěn)定性及良好的調節(jié)品質，也需要劃分若干個區(qū)間整定調速器參數(shù)，但劃分的標準缺乏理論依據(jù)。
�。�3）由于水泵水輪機轉輪徑向流道較長，反S區(qū)域不僅對水擊壓強的作用格外顯著，而且導致過渡過程中脈動壓強較大，與常規(guī)的水輪發(fā)電機組有明顯的差別。而設計中缺少合適的方法計人脈動壓強，僅按經(jīng)驗取值，并且導葉關閉規(guī)律選取也缺乏理論依據(jù)。因此，設計中難以實現(xiàn)同時減輕水擊壓強和脈動壓強的優(yōu)化目標。
�。�4）由于水泵水輪機在甩負荷中的過機流量呈多峰性，流量由初始值減為零的時間遠小于導葉關閉時間，因此常規(guī)水電站調壓室設置條件不適用于抽水蓄能電站。另外，抽水蓄能電站輸水系統(tǒng)布置比常規(guī)水電站更為復雜，通常有樹狀布置和環(huán)狀布置兩種方式。尤其在相繼甩負荷、水力干擾等過渡過程中，兩者對調節(jié)保證極值、機組超出力存在較大的差異。由于缺少對抽水蓄能機組與輸水管道系統(tǒng)匹配性的認知，導致工程設計缺乏方向性的引導。
�。�5）從抽水蓄能機組過渡過程數(shù)值模擬的角度來看，水泵水輪機全特性曲線平面表達方式存在的多值性和對應性問題，即開度線交叉、聚集、扭卷等現(xiàn)象常常導致迭代計算無法收斂，繼而造成數(shù)值計算結果的異常波動；并且復雜的機組邊界條件因求解方法不當，也可能導致無解或錯解。
為了解決抽水蓄能電站設計和運行中存在的困惑，促進其過渡過程理論與關鍵技術的發(fā)展，本書從以下五個方面對水泵水輪機全特性與抽水蓄能機組過渡過程進行較系統(tǒng)全面的論述。
�。�1）水泵水輪機全特性空間曲面的構建與變化規(guī)律，包括第1～第3章。其目的是尋找水泵水輪機全特性更適宜的表征方法，深入了解水泵水輪機流量特性、力矩特性以及流量力矩特性隨比轉速的變化規(guī)律，為探索抽水蓄能機組過渡過程內(nèi)在機理，指導工程設計和運行奠定基礎。
（2）基于水泵水輪機全特性空間曲面的過渡過程數(shù)值模擬與分析，包括第4～第6章。其目的是在建立完整的抽水蓄能機組過渡過程數(shù)學模型的基礎上，證明機組方程組唯一解，提高大波動、小波動及水力干擾等過渡過程的模擬精度；且建立反S特性與機組甩負荷水擊壓強的內(nèi)在聯(lián)系，以及與飛逸穩(wěn)定性、空載穩(wěn)定性、運行穩(wěn)定性及調節(jié)品質的內(nèi)在聯(lián)系，為優(yōu)化導葉關閉規(guī)律及整定調速器參數(shù)奠定基礎。
�。�3）基于水泵水輪機反S特性及脈動特性的導葉關閉規(guī)律優(yōu)化，包括第7～第8章。其目的是尋找抽水蓄能機組甩負荷過渡過程脈動壓強的模擬方法，探索水泵水輪機反S特性和脈動特性隨導葉開度及工況點的變化規(guī)律，探討反S特性和脈動特性與調節(jié)保證極值的關聯(lián)性，為導葉關閉規(guī)律選取、優(yōu)化提供科學的依據(jù)。
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