天池抽蓄電站支持電網電壓穩定措施研究

羅 胤，趙俊杰，王 坤，吳若凡

（1.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽 473000；2.華北電力大學 電氣與電子工程學院，北京 102206）

0 引言

近幾年來，隨著我國新型電力系統的建設需求和特高壓交直流電網的技術提升，清潔能源發電占比增加，電網中的直流電能正逐步提升，電網安全運行受到巨大挑戰。傳統低頻低壓減載裝置僅針對交流電網局部穩定問題設防，防御故障單一、控制措施量較小，不能滿足特高壓直流閉鎖等嚴重故障造成的電壓失穩，功率失衡對有效保護方法的需求。且該種設備造價成本高，對電網經濟性帶來了巨大負擔。需要一種分布廣，效果好的設備來實現調相功能維持電網穩定。

隨著“碳達峰，碳中和”政策的下發，新能源發電在未來會成為電力系統的一種主流形式，抽蓄電站作為一種成熟的清潔能源發電設施，在我國的分布已經廣泛分布，且相關運行維穩技術已經日趨成熟。由于抽蓄電站擁有調節速度快，容量大等特點，其可以作為一種調相機組，來支持所在區域電壓的穩定性。針對抽蓄機組作為調相機組穩定區域電壓的研究已成為業界內的熱點。

文獻[1]研究了面對特高壓交直流電網的調相機組作用機制，文獻[2，3]研究了調相機組穩定電網電壓原理。文獻[4]闡述了抽蓄電站接入電網對其產生的影響。以上研究均對抽蓄電站特性，調相穩壓機制，以及特高壓交直流電網特性做了充分研究。

為解決河南特高壓交直流電網電壓穩定水平低的問題，本文考慮天池抽蓄電站抽蓄機組的工況轉換，勵磁調節的特點，利用其在調相能力上轉換的特點，在不同工況的暫態過程中提供無功功率，從而保證電網電壓的穩定。

1 抽蓄電站特性分析

1.1 運行特性分析

抽蓄電站在放水發電和抽蓄蓄能兩種運行工況下有不同的功率特性。因此，從水力發電機組角度對其水力電能約束和電能存儲機組角度對其儲能能力約束進行研究[5]。從總體角度來說，抽蓄電站運行特性包括出力限制約束、水位控制約束、運行狀態約束等，可表示為：

式（1）～（5）中，式（1）為抽水蓄能機組儲能功率的上下限要求；式（2）為機組發電功率約束的上下限，要求兩者功率在一定時間內的平均值在上下限范圍內；式（3）為抽蓄電站水位要求，過低的水位導致抽蓄機組運行效率冪次級降低，過高的水位會對電站的硬件設施產生影響；式（4）為水位變化的自定義約束，通過水位變化的關鍵參數來建立約束公式。一般來說抽蓄電站水位特性約束函數以凸優化近似方法為主;式（5）為抽蓄電站運行工況狀態限制條件，在仿真情況下，要求抽蓄電站選定處于水力發電和抽水蓄能狀態中的一種，選定參數值。由上述公式，即可構建抽蓄電站運行約束模型。

1.2 抽蓄電站庫容約束

對于任意時段τ∈T，有以下約束：

式（6）中：WO為水電站初始水量；Wmax為最大水量，Wmin為最小水量；PtG為發電功率；PS為抽水功率；KtS為抽蓄電站處于抽水工況的機組數；ηG為平均電量 轉換系數；ηS為平均水量轉換系數。其意義為從當前水量轉移到任意水量消耗的各機組功率之和，處于總水量最大最小值轉移上下限功率之間。

1.3 抽蓄電站輸出功率約束

抽蓄電站發電輸出功率要滿足一定的閾值范圍，在實際運行過程中要考慮多機組的協同作用，考慮不同機組工況間的互相影響。

式（7）中：KtG為抽蓄機組中處于發電工況的機組數，PG，min和Ph為抽蓄電站發電機組的最低出力和最高出力，當前功率處于所有發電機組處于最高功率或最低功率的總功率之間；K為抽蓄機組數量；Ph為抽蓄電站發電機組的額定功率。

2 抽蓄電站作為調相機組的穩壓原理研究

下面介紹穩定特高壓交直流電壓的原理及常用手段，以及針對天池抽蓄電站機組的常用策略。

2.1 暫態電壓穩定基本原理

針對真實的電網模型進行簡化處理，包括交流電源，電網側阻抗，負荷側阻抗。具體電路圖如圖1所示。

圖1 電力系統等效電路圖

為交流等效電動勢，電網側等效阻抗為RS，XS，負荷側電壓為UL，負荷側等效阻抗為RL，XL，傳輸功率為PL，QL。由電路間關系推導可得：

由此可知，系統電壓的穩定性不僅與有功功率有關，還與系統的無功功率相關，受端系統無功功率的變化會影響受電端的有功功率，同樣也會影響電壓的穩定性。

2.2 無功補償功率傳輸供電原理

動態電壓恢復器能夠完全承載電壓穩定臨界值的作用效果，并可以通過靜止無功補償裝置，這種裝置是以關斷晶閘管為核心的，通過晶閘管的不同分為晶閘管控制電抗器（TCR），晶閘管投切電容器（TSC），晶閘管解決了電容器投切高頻的問題。調節臨時供電系統中的無功補償響應水平，包含計及電壓輸入端、動態顯示燈、電壓調節桿、電感殼體等多個組成元件。其中，計及電壓輸入端是無功補償蓄電池與動態電壓恢復器的連通接口，能夠直接進行無功補償電流的傳輸供電行為[6，7]。無功補償原理如圖2所示。

圖2 無功補償原理

假設負荷受電壓影響，需要從電源側吸收的無功功率為Q，采用并網措施安裝無功補償硬件設施，其全額無功功率為Qc，因此電源側的無功功率只需達到Ql-Q-Qc，功率因數如圖2由cosφ提高至cosφ1，視在功率也相應從S減少到S1,功率動態無功補償表達式為：

由此可見，無功補償裝置能夠提供一定比例的無功功率，從而減少對電源輸送無功功率的基本要求，繼而由公式可以看出電網傳輸中的電能消耗損耗會有一定比例的降低，從而提高了供電效率。

3 抽水蓄能機組的調相功能實現策略

3.1 基于機組勵磁調節的動態無功補償

由于無功功率的缺失導致電網電壓的失衡，需要一種手段平衡電網的無功功率，無功補償能夠通過電網的調相機組向電網輸送無功功率來完成。而抽蓄機組作為一種可靈活調節的電力設備，可以根據電網電壓的實時變化趨勢，對其傳輸合適的無功功率。根據對電網電壓的實時檢測，通過調節勵磁電壓對抽蓄機組進行調控，調整每臺抽蓄設備的無功功率，從而使電網電壓水平值恢復至常態。

圖3 基于抽蓄機組勵磁電壓穩定電網電壓流程圖

3.2 基于機組工況轉換的電壓穩定

除了直接調整整體無功功率以外，還可以通過利用抽蓄機組調相抽水過程所產生的無功功率來達到平衡電網電壓的目的。抽蓄機組作為一種特殊的設備，其在進入抽水狀態前會先進入抽水調相狀態，在電網電壓出現波動時，可通過對部分未啟用抽蓄機組進行投切使其進入抽水調相狀態，從而穩定電網電壓。

圖4 投切抽蓄機組實現狀態切換無功補償示意圖

3.3 基于機組投切的電壓穩定

對于抽蓄電站的機組來說，普遍應用的數量較多，這便給了投切調控行為很大的應用空間，通過適當調節接入機組運行數量達成電網系統的調節。

可以通過調節抽蓄機組的數量完成無功功率的調節[8，9]，投切的方式特點為無功功率調節速度快，反應迅速，相較于其他方式不容易電壓失衡。

4 抽蓄電站調相運行的仿真結果

基于PSCAD平臺，對可變速抽水蓄能電站入網系統進行建模和仿真，水泵水輪機作為原動機，通過控制無功功率勵磁電壓穩定進行調節，其增益系數通過理論公式計算確定理論值，再通過實驗確定精準值，進而實現系統電壓穩定控制。

4.1 無功功率補償增益系數

通過PSCAD建立了抽蓄機組并網的電壓模型，通過節點開關來制造電網波動事件，檢驗模型電網電壓穩定能力。

其中Vs是目標穩定電壓；Vw為抽蓄機組輸出電壓；A為勵磁電壓增益系數。

4.2 單一負載接入事件電壓穩定效果

下面實驗以電網部分負載接入為事件，檢測勵磁電壓模塊電壓穩定能力。在2 s時接入電網一側負載，檢測電網三相電壓的波動情況，如圖5所示。

圖5 勵磁調節無功補償的三相電壓穩定效果示意圖

在2 s時刻，電網電壓有小幅下降，但經過0.5 s的時間后恢復到了原有電壓水平。為了更清晰地展示穩定效果，由圖6展示了電網三相電壓有效值的變化情況：

圖6 勵磁調節無功補償的三相電壓有效值效果示意圖

由本仿真實驗可知，該無功補償裝置在面對單一負荷接入事件造成的電壓失穩時，具有一定的穩壓調節能力

4.3 多負載接入事件電壓穩定效果

調整增加負荷接入事件同時發生的數量，在2 s時同時發生3起負載接入事件，具體波形如圖7所示。圖8展示了電網三相電壓有效值的變化情況。

圖7 多負載接入勵磁調節無功補償的三相電壓穩定效果示意圖

圖8 多負載接入勵磁調節無功補償的三相電壓有效值效果示意圖

由此可知該方法對多負荷接入事件也會有較好的調節能力。

4.4 多負載切斷事件電壓穩定效果

接下來對多切斷事件下電網電壓穩定做仿真，展示勵磁電壓穩定效果，如圖9所示。

圖9 多負載切斷勵磁調節無功補償的三相電壓穩定效果示意圖

在2 s時刻，發生了三起負載切斷事件，電壓暫時升高，經過約0.7 s后，電壓恢復正常水平。圖10展示了電網三相電壓有效值的變化情況。

圖10 多負載切斷勵磁調節無功補償的三相電壓有效值效果示意圖

由本實驗可知，該方法對多負荷切斷事件造成的電壓失穩也會有較好的調節作用。

5 結論

本文針對抽水蓄能機組對電網電壓穩定能力的問題，分析了無功補償原理對電網電壓穩定的原理，提出了抽水蓄能機組基于勵磁電壓控制器的無功補償電壓穩定的方法，在PSCAD中搭建了抽水蓄能機組仿真模型，通過設定電網中可能會造成電網電壓不穩定的事件，驗證勵磁電壓穩定效果，實驗證明在不同事件發生的情況下，勵磁控制器響應速度較快，約為0.7 s，達到了較快的響應速度，驗證了本文算法的有效性，勵磁控制器的簡單可操作性為抽水蓄能電站參與系統電壓穩定提供了思路，是參與電網調相功能的一種重要潛在資源。