抽水蓄能電站接入對重慶電網穩定運行的影響分析及對策

摘要：抽水蓄能電站（Pumped Storage Power Station，PSPS）可為電網提供更多靈活調節能力，但作為一種運行工況復雜多變的大容量機械儲能也給電網穩定運行帶來了影響。鑒于此，探究了重慶某PSPS接入對電網穩定運行的影響及對策。首先介紹了該PSPS的運行方式和系統仿真計算環境;然后對多種可能的極端故障下電網的運行失穩情況進行仿真，并討論了控制措施;最后分析了極端故障后第三道防線安全自動裝置的適應性，提出三種改進的動作方案。仿真結果表明，所提應對措施可有效解決PSPS接入引起的重慶電網運行穩定問題。

關鍵詞：抽水蓄能電站;重慶電網;第三道防線;安全自動裝置

中圖分類號：TM76;TM612 文獻標志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0001-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.001

0 引言

隨著化石能源枯竭和環境問題凸顯，發展以風電、光伏和水電為代表的清潔能源成為能源系統轉型的必然趨勢[1]。由于水電、風電、光伏發電的出力具有強隨機性，加之不斷攀升的用電負荷需求，供需強不匹配性迫使以清潔能源為主的新型電力系統對電網的調節能力提出了更高要求[2]。抽水蓄能電站（Pumped Storage Power Station，PSPS）是目前最經濟、最成熟和最可靠的大型儲能設施[3]，作為一種清潔、低碳、高效的電網靈活調節資源近年來在學術界和工業界備受關注[4]。

重慶位于中國的西南地區，地勢多山，擁有豐富的水電資源[5]。這些河（江流）在地勢多山的地區形成了眾多的河谷和峽谷，為PSPS建設提供了理想的地理條件。另一方面，重慶電網是西南電網的重要組成部分，通過交流聯絡線與四川電網相連，通過渝鄂直流與湖北電網異步連接，在與外界電力交換過程中主要處于受電狀態，屬于典型的受端電網[6]。根據重慶電網電力系統平衡分析結果，“十四五”后重慶電網存在較大的電力缺口和調峰缺口，基于上述考慮，重慶電網規劃建設首個500 kV PSPS，利用抽水蓄能的快速靈活調節特性，提高電網調峰能力，緩解電網供電壓力[7]。

穩定運行是電力系統運營的基本要求。盡管PSPS建設可為電網帶來更多的靈活調節能力和清潔電源[8]，但作為一種運行工況復雜多變的大容量機械儲能，它也將給電網穩定運行帶來新的問題與挑戰。因此，明晰PSPS接入對重慶電網穩定運行的影響具有重要研究意義[9]。

綜合前述，本文探究了PSPS接入對重慶電網穩定運行的具體影響及對策。以重慶電網所規劃建設的500 kV PSPS為研究對象，首先介紹了該PSPS的基本運行方式和系統仿真環境，然后仿真分析了多種可能極端故障下該PSPS接入對重慶電網運行穩定性的影響，同時討論了對應的控制措施，最后詳細分析了極端故障后第三道防線安全自動裝置的適應性問題，并在此基礎上提出了三種有效的改進方案。

1 PSPS運行方式與系統仿真環境

重慶所規劃建設的500 kV PSPS擬裝機4×300 MW機組。按該PSPS總體計劃投運安排，4臺機組計劃分別于2023年12月30日、2024年2月29日、2024年4月30日、2024年6月30日投入商業運行。并網方面，PSPS以500 kV電壓等級接入系統，出線1回至500 kV B變電站，出線長度約55 km，具體系統接入方案如圖1所示。下面將具體介紹該PSPS的基本運行方式與系統仿真模型。

1.1 運行方式

重慶該500 kV PSPS具有四種運行方式，包括豐大方式、豐小方式、枯大方式以及枯小方式，其具體含義如下。

豐大方式：水庫蓄水量高、電網處于負荷高峰期，PSPS應確保水能充足，以便在需要時能夠快速放水發電。豐小方式：水庫蓄水量較少、電網負荷較低，PSPS只需釋放較少的水量來發電或通過抽水確保水庫蓄水量不會過低，以備后續使用需求。枯大方式：水庫蓄水量低、電網負荷高，滿足電網高負荷需求時，PSPS會釋放大量水進行發電，以提供穩定的電力供應。枯小方式：水庫蓄水量低、電網負荷較低，與枯大方式類似，PSPS也會釋放較少的水量來發電，確保水庫儲水量不會過低。

為充分展示該PSPS接入對重慶電網穩定運行的影響，本研究選取PSPS以豐大方式運行進行針對性的電網失穩仿真分析。

1.2 系統仿真環境

本研究中，仿真計算采用PSD電力系統分析軟件，PSPS機組采用PSD軟件中的考慮阻尼繞組的雙軸模型，即考慮次暫態過程的“Eq”和“Ed”變化模型。機組發電狀態時額定有功功率為4×300 MW，無功功率上限145.3 Mvar，額定功率因數0.9;電動狀態（即抽水）時額定有功功率為4×330.12 MW，并能提供一定無功支撐，功率因數0.975。PSPS發電狀態時計及調速系統和勵磁系統的作用，同時考慮電力系統穩定器（PSS）;PSPS抽水狀態時不計調速系統作用，僅考慮勵磁系統及PSS。負荷模型采用40%恒阻抗+60%恒功率的綜合負荷模型。

2 極端故障下電網失穩仿真及控制措施

本節針對該500 kV PSPS并網接入，在多種可能極端故障情形下對重慶電網的運行失穩進行了詳細仿真研究，并在此基礎上討論了相應的控制措施。

根據B變電站的主接線圖（圖2），若故障前PSPS地區QJ-MLY線（簡稱QM線）處于解環狀態，則出串后，PSPS、電廠C與B變電站片區形成孤網，存在孤網頻率電壓穩定問題。針對上述出串問題，仿真分析了以下幾種極端故障下的失穩情況及控制措施：故障情形1——僅PSPS與2#主變出串;故障情形2——僅C電廠2線與1#主變出串，或僅C電廠1線出串;故障情形3——PSPS與2#主變、C電廠2線與1#主變、C電廠1線均出串。

2.1 故障情形1下失穩仿真及控制措施

若B變電站變A線500 kV所在第1串的邊開關相繼跳開（或一臺檢修另一臺跳開，下同），或一臺檢修時發生另一側母線N-1故障，則PSPS與2#主變出串運行。圖3給出了電壓和功角失穩仿真結果，可以看出，PSPS抽水時造成電壓失穩及功角失穩，并引起頻率及功率振蕩。

可采取的措施：對于主變過載，可采取故障后切PSPS機組、切水泵的控制措施;對于PSPS抽水時的電壓及功角失穩，則可采取全切水泵、解列PSPS與B變電站間500 kV線路或跳開B變電站中開關的控制措施。若故障前PSPS處于開關檢修狀態，則可通過預控PSPS機組出力、水泵負荷以使故障后系統保持穩定。預控時，應避免多臺水泵滿負荷運行，否則易引起功角失穩。此外，還可提高B變電站片區220 kV機組出力，以減小故障后主變過載量。

2.2 故障情形2下失穩仿真及控制措施

根據C電廠滿發1 320 MW時（HT、ZBN、BD電站各開一機）的穩定計算結果，該故障情形下，由于C電廠另一回線未出串，因此故障后系統仍可保持穩定，主變不過載。

2.3 故障情形3下失穩仿真及控制措施

PSPS與2#主變、C電廠2線與1#主變、C電廠1線均出串，同時B變電站地區有孤網運行風險情況。根據PSPS、C電廠及B變電站地區不同開機及出力，以及QM線解、合環時的穩定計算結果分為以下四種場景。

場景1——PSPS發電、QM線解環運行：該場景下B變電站母線N-1-1后，B變電站地區孤網頻率高周。可采取的措施：1）切PSPS、C電廠機組。根據故障前B變電站主變下網功率與PSPS、C電廠外送總出力的差額，采取切PSPS、C電廠機組的控制措施，可使頻率恢復穩定。2）跳開出串線路中開關。該措施后在事故前主變下網較少時，可使頻率恢復穩定，但若事前主變下網功率較大，則措施后可能造成孤網低周。且B變電站側中開關跳開后，電源側需配合全切機組，否則會引起出串線路兩端穩態電壓越限。3）預控+切PSPS。4）預控出力。5）預控合環。

場景2——PSPS發電、QM線合環運行：該場景下B變電站母線N-1-1后，B變電站地區有功角失穩和QM線過載風險，功角失步振蕩中心位于QM線，B變電站地區頻率振蕩失穩，PSPS電壓穩定。為了展示，圖4分別給出了綦馬線兩側相角差和PSPS頻率偏差變化曲線。可采取的措施：1）切機。故障后切PSPS、C電廠機組，可使B變電站地區功角穩定。但功角穩定后，QM線仍可能過載，需加切HT、PSPS、C電廠機組。2）跳開出串線路中開關。故障后直接跳開出串線路的中開關，但B變電站地區機組仍可能功角失穩。B變電站側中開關跳開后，電源側需配合全切機組，否則會引起出串線路兩端穩態電壓越限。3）預控+切PSPS，同上述場景1中預控+切機措施。4）預控出力，同上述場景1中預控合環措施。

場景3——PSPS抽水、QM線解環運行：該場景下B變電站母線N-1-1后，B變電站地區有功角及頻率電壓失穩風險（圖5）。可采取的措施：1）切機切泵。故障后全切PSPS水泵使孤網功角穩定，但仍存在頻率失穩問題，需加切C電廠機組。2）跳開出串線路中開關。故障后直接跳開出串線路的中開關，孤網功角穩定，但仍存在頻率失穩問題。3）nxa87drge+pOnwrQhaTBNhxd5m/8avhWBvr0O1KfmgQ=預控+切PSPS。母線檢修時預控C電廠機組出力與B變電站主變下網功率相等，故障后全切PSPS，可使孤網頻率保持穩定。4）預控合環。

場景4——PSPS抽水、QM線合環運行：該場景下B變電站母線N-1-1后，B變電站地區有功角及頻率電壓失穩風險（圖6）。可采取的措施：1）切機切泵。故障后全切PSPS水泵、部分切C電廠使孤網功角穩定，但可能造成QM線反方向過載（MLY至QJ）。2）跳開出串線路中開關。故障后直接跳開出串線路的中開關，仍可能存在頻率失穩問題。3）預控+切PSPS，同上述場景3中的預控+切機措施。4）預控出力，同上述場景3中的預控合環措施。

3 第三道防線安全自動裝置適應性分析

3.1 安全自動裝置動作情況分析

結合前述分析，為保證嚴重故障后PSPS機組及水泵的運行安全，同時減小PSPS水泵失步振蕩、低頻低壓問題對電網側的影響，針對該PSPS并網在第三道防線配置了雙重化的失步解列裝置及頻率電壓緊急控制裝置。功能如下：失步解列裝置，當系統出現失步運行狀態時，解列PSPS至B變電站的500 kV線路。頻率電壓緊急控制裝置，當系統低頻低壓時，分輪次切除水泵。低頻低壓切泵功能僅在機組電動（即抽水）工況下投入，機組發電工況下須退出低頻低壓切泵功能。低頻低壓切泵設置4輪低頻動作定值和延時，4輪獨立計時。

不同的故障情況需要采用不同的安全自動裝置動作方案使電網穩定。現有動作方案主要圍繞PSPS而設計：PSPS失步解列裝置、低頻低壓切泵裝置在PSPS抽水時能正確動作，動作后PSPS送出線解列、水泵負荷全切。PSPS發電時，失步解列及低頻低壓切泵裝置則不動作。然而，經仿真發現，現有動作方案無法很好地解決電網失穩問題，特別是高周失穩。

3.2 提出的改進方案

考慮現有動作方案的局限性，本研究聯合B變電站提出了三種改進方案，通過仿真分析B變電站500 kV母線N-1-1故障后所在片區第三道防線動作情況及電網穩定情況進行驗證。

1）改進方案一：啟用B變電站地區高周切機功能。

針對現有方案存在高周失穩的問題，考慮進一步啟用B變電站地區高周切機功能。通過在PSPS抽水&B變電站孤網狀態、PSPS抽水&B變電站聯網狀態以及PSPS發電狀態的多場景仿真發現，B變電站地區穩定情況有所提升，但仍存在不能恢復穩定的情形。

PSPS抽水&B變電站孤網狀態：PSPS解列后孤網高周切機動作，并在切機后觸發孤網低頻減負荷，隨后系統恢復穩定。但高周切機可能在功率缺額較大時惡化低頻問題，仿真顯示在功率缺額大于20%后，高周切機觸發孤網低頻減負荷，但減負荷量不足，仍存在低周失穩問題。該問題可通過適當增加高周切機延時，使高周切機躲過PSPS解列后的頻率短時回升，以減小切機量及功率缺額。如圖7所示，當高周切機延時增加0.5 s，功率缺額30%時，B變電站能夠保持穩定。

PSPS抽水&B變電站聯網狀態：PSPS解列、孤網高周切機后，B變電站地區仍存在功角失穩、頻率電壓振蕩問題，振蕩中心位于QM線。

PSPS發電狀態：PSPS失步解列及低頻低壓切泵裝置不動作，穩定結果與現有方案基本一致，當孤網功率缺額大于25%后，存在高周切機誤動、低頻減負荷量不足、孤網仍低周失穩問題。當增加高周切機延時0.5 s后，高周切機仍動作，建議控制功率缺額不大于25%。

2）改進方案二：考慮啟用B變電站地區機組失步解列功能。

進一步，考慮到改進方案一在QM線合環情形仍無法使系統恢復穩定，改進方案二考慮啟用B變電站地區機組失步解列功能。通過在PSPS抽水&B變電站孤網狀態、PSPS抽水&B變電站聯網狀態以及PSPS發電狀態的多場景仿真結果發現，相比方案一，啟用B變電站地區電站失步解列功能后，B變電站地區穩定情況基本不變，仍存在不適應性：

PSPS抽水&B變電站孤網狀態：在功率缺額不大于30%、高周切機延時1.0 s時，孤網可保持穩定。故障期間BD、ZBN、C電廠失步解列均不動作，HT電廠失步解列功能僅在A水泵負荷較大時動作，動作后會觸發孤網低頻減負荷，隨后孤網能保持穩定。

PSPS抽水&B變電站聯網狀態：PSPS解列后的功角失穩、QM線振蕩問題仍然存W81y2PRL+sG7fifrtmgdBmkIpL/Uhr7k2QjYu4mWRqs=在。主要原因為C電廠遠離振蕩中心，其失步解列裝置不滿足動作條件，因此即使其他電廠相繼解列，B變電站地區功角失穩問題仍始終存在。

PSPS發電狀態：在孤網功率缺額不大于25%時，可使系統恢復暫態穩定（QM線過載問題仍存在），失步解列裝置不會誤動。

3）改進方案三：考慮故障后解列QM線，將B變電站轉為孤網進行孤網控制。

進一步，針對QM線合環、PSPS抽水情形，前述方案均無法使B變電站地區保持穩定。方案三考慮故障后解列QM線，將B變電站轉為孤網進行孤網控制。計算時考慮故障后B變電站功率缺額或過剩的情形。對于功率過剩情形，通過仿真發現當控制功率過剩比例不大于25%時，故障后QM線失步解列裝置、電廠高周切機裝置動作后可使系統恢復暫態穩定。對于功率缺額情形，可以發現，當B變電站地區功率缺額比例在一定范圍內時，第三道防線方案可滿足適應性要求，具體如下：

QM線解環狀態：仿真結果與方案一相同。PSPS發電時，孤網功率缺額需控制在25%以內，PSPS抽水時，孤網功率缺額需控制在30%以內，同時高周切機延時按1.0 s考慮，則第三道防線安全自動裝置動作后可保持穩定。

QM線合環狀態&PSPS抽水：故障后PSPS、QM線均解列，B變電站轉為孤網，在孤網功率缺額不大于20%時，第三道防線安全自動裝置動作后可保持穩定。

QM線合環狀態&PSPS發電：QM線失步解列裝置可能誤動引起孤網低頻減負荷，建議將QM線失步解列電壓定值下調至0.5 pu，同時B變電站地區功率缺額控制在20%以內。

4 結束語

通過仿真分析，本文探究了重慶某500 kV PSPS接入對重慶電網穩定運行的影響及對策。主要開展了兩方面研究：1）在多種可能極端故障下仿真分析PSPS接入對重慶電網穩定運行（比如功角穩定、頻率電壓問題等）的影響，并據此討論了相應控制措施;2）分析了極端故障后PSPS安全自動裝置的難適應問題，為避免對網側的影響，提出了三種有效的改進動作方案。總體而言，PSPS的接入可顯著提高電網的穩定性，減少電力系統中的不穩定因素，但具體不利影響取決于PSPS規模、位置、技術特性以及電網的特點和需求。因此，在部署建設PSPS時，需要進行詳細的規劃和分析，以最大程度實現其對電網穩定性的正面影響。

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收稿日期：2024-05-23

作者簡介：熊治富（1987—），男，重慶人，工程師，從事機電管理工作。