抽水蓄能电机抽水工况时进相运行的分析与研究

王 毅，张泽展，肖 畅（南方电网调峰调频发电有限公司检修试验中心，广东 广州 511493）

0 引 言

现阶段，抽水蓄能电站在国家范围内得到了广泛应用，这种电站能够有效利用剩余电能，实现资源的最大利用。电站运行过程中，将低谷阶段的多余电能转化为高价值电能，也能够稳定电力系统和电压，在突发事故中能够充分发挥作用。但是，随着国家及经济的发展，电力负荷也在不断增大，这对电力供应提出了更高要求，需进一步提高抽水蓄能电站的功能。

1 仿真研究分析

1.1 建立数学模型

要对抽水蓄能电机电动机工况时进相运行进行仿真研究，首先要建立相应的数学模式。抽水蓄能电机中包括多种不同的电机绕组，各个绕组的轴线方向各不相同，具体内容如图1所示。

图1 抽水蓄能电机各个绕组的轴线方向

从图1能够看出定子绕组磁链的正方向，还包括转子纵横两轴心的方向。根据图1可以建立相应的数学模型。建立数学模型时，需要全面考虑方向问题，其中纵轴的阻尼绕组和阻尼绕组磁链的方向要和横轴以及横轴的励磁绕组方向相同，然后进一步得到表示抽水蓄电电机的磁链方程和电压方程。其中，电压方程为：

式中r代表着各绕组之间的电阻，ψ则代表着各绕组之间的合成磁链，i表示绕组的电流，u表示绕组的端电压，其中磁链方程如下：

其中Lii表示不同绕组之间的自感，而Mij表示绕组之间的互感，其中i和j的取值即a、b、c、f、D、Q几个参数。转子的运动方程中包括了转子的转动惯量、电机的极对数、电磁转矩、机械转矩、功角和机械功率等内容，分别用H、p、Te、Tm、δ、P1来表示，具体的运动方程和三相绕组电压方程如下：

其中等号前面代表着绕组a、b、c的相电压，E代表无穷大的母线电压。可以进一步化简式（4），最终得到转化公式：

1.2 单机系统的仿真模型

根据上述方程就能够建立形成无穷大的数学模型。在建立单机系统的仿真模型前，需要了解抽水蓄能电动机的具体参数，如表1所示。

表1 抽水蓄能电动机的参数

在具体的仿真实验中，首先需要选择合适的电压模型从根本上降低低励磁电流，其次要改变抽水蓄能电动机的运行状态，最后使电动机从迟相转变为进相运行。本文仿真模型基于单机无穷系统设置，而电动机中还包括了变压器、输电线路和无穷大电网等部分组成。搭建过程中，要按照相应的接线图搭建仿真模型，严格遵守相应原则——恒定的电磁转矩输入，正确设置相关参数，保证得到准确的仿真结果。要从根本上保护系统整体的初始值始终稳定有效，要在填写相关参数后，设定模块初始值和相应的模型参数，得到具体的仿真波形。仿真结果显示，抽水蓄能电动机在前20 s中处于迟相稳定运行状态，而在第20 s时调节了励磁电流，状态转换为进相运行。可知，抽水蓄能电动机在进行进相运行时，转换过程中励磁电流不断减弱，功率角增大、极端电压下降、极端电压下降、定子电流增加[1]。此外，虽然在状态转换过程中转速和电磁功率都会有一段振荡时间，但是只经过几秒钟就恢复了稳定。可知，抽水蓄能电动机展开短时间的进相运行能够保证系统稳定性不受影响，且满足吸收系统对过剩无功功率的需求。

1.3 抽水蓄能电动机进相运行深度的仿真研究分析

利用降低励磁系统中励磁电压大小的原理，对搭建好的模型进行调整，降低励磁电流，模拟电机的进相深度，搭建出对应的调节模块，以达到调节进相深度的目的。仿真结果表明，电机进相深度会随着励磁电流调节幅度而改变，两者之间呈正相关。因此，当抽水蓄能电动机进行进相运行时，需要将抽水蓄能电动机控制在静稳极限范围内，以保证系统的安全稳定。

2 抽水蓄能电动机多机进相运行研究

2.1 多机进相运行稳定性分析

和单机进相系统相比，多机进相系统更为复杂，但在电机内部的物理要求基本相同。因此，需要在重新分配励磁电流的基础上，额外考虑抽水蓄能电动机和系统之间的联接方式、有功负荷的承担情况等内容。因为在多机进相运行时，要保证抽水蓄能电动机的调压额度科学合理，从整体上实现对其的控制。在多机进相过程中，多机之间可能互有影响，因此多机系统中要保证内部所有电机都进行良好的配合[2]。现阶段，单机进相运行还不能够全面满足电网调压，因此多机进相运行较为可取。以隐极机为例，当功率不变时，电机参数会受励磁电流的影响而随之改变，而根据基础理论可知，功率不变时，有：

可见，无论励磁电流如何变化，投影都会保持不变。随着机组进相运行的加深，功率角逐渐加大，进而影响整个机组本身，甚至整个电网的稳定水平都会不断降低。因此，在研究多机进相运行必须要解决暂态问题。可以使用AVR系统合理计算进相深度，调整整定低励限制单位，展开相关进相实验，取得最终的实验结果。

一般情况下，在求解雅克比矩阵方程时有两种方法较为常用，一种为静态稳定极限分析法，一种为小干扰分析法。本文采用静态稳定极限分析法，具体流程如下：第一，改变系统，将电网中的多机进相系统转变为双机进相系统；第二，编写程序，因为本文采用静态稳定极限分析法，因此编写的程序也要和方法相匹配；第三，设定具体的假设参数，以此计算多机组中每台电机的静态稳定裕度。《电力系统安全稳定导则》中指出，态稳定裕度应该被控制在一定范围，其中每台电机的裕度范围为Kδ≥0.15～0.2。但是，当蓄水抽能电动机中存在2台以上的电机时，传统的方式就不能够被应用于功角特性的表示，因为在机组容量过大的情况下，系统稳定水平也会对静态稳定裕度造成严重影响。所以，在多机组中，静态稳定裕度不仅要满足个体要求，还要满足整体要求。

2.2 多机进相运行的仿真分析

在对多机进相运行进行初步研究后，需要深入研究多机进组运行的稳定性，基于具体的分析结果，判断多机进相在运行过程中电机之间如何协调配合[3]。以某抽水蓄能电站为例，在同一电厂内，内部机组协调配合，能够更加充分地吸收系统中的过多无用功，且有效控制系统中较高的电压。可以看出，在调节励磁电流幅度相同的情况下，多机进组运行和单机进组运行相比，调压效果更加显著，机组之间的配合度也得到了有效提高。

图2 抽水蓄能电动机并联电压型SFC拓扑结构

3 结 论

综上所述，通过研究抽水蓄能电动机，理论分析抽水蓄能机的运行特点，以期为为现代电网相关工作人员提供参考。分析中发现，抽水蓄能电动机在进相运行时，功角特性相对降低，稳定极限也进一步降低，需要加入励磁调节器，保证稳定性。此外，励磁调节器能够改变电动机本身的运行状态，在保证系统稳定运行的同时，进一步对其进行研究，包括多台机组协调分配等内容。