天池抽蓄电站支持电网电压稳定措施研究

罗 胤，赵俊杰，王 坤，吴若凡

（1.河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南阳 473000；2.华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206）

0 引言

近几年来，随着我国新型电力系统的建设需求和特高压交直流电网的技术提升，清洁能源发电占比增加，电网中的直流电能正逐步提升，电网安全运行受到巨大挑战。传统低频低压减载装置仅针对交流电网局部稳定问题设防，防御故障单一、控制措施量较小，不能满足特高压直流闭锁等严重故障造成的电压失稳，功率失衡对有效保护方法的需求。且该种设备造价成本高，对电网经济性带来了巨大负担。需要一种分布广，效果好的设备来实现调相功能维持电网稳定。

随着“碳达峰，碳中和”政策的下发，新能源发电在未来会成为电力系统的一种主流形式，抽蓄电站作为一种成熟的清洁能源发电设施，在我国的分布已经广泛分布，且相关运行维稳技术已经日趋成熟。由于抽蓄电站拥有调节速度快，容量大等特点，其可以作为一种调相机组，来支持所在区域电压的稳定性。针对抽蓄机组作为调相机组稳定区域电压的研究已成为业界内的热点。

文献[1]研究了面对特高压交直流电网的调相机组作用机制，文献[2，3]研究了调相机组稳定电网电压原理。文献[4]阐述了抽蓄电站接入电网对其产生的影响。以上研究均对抽蓄电站特性，调相稳压机制，以及特高压交直流电网特性做了充分研究。

为解决河南特高压交直流电网电压稳定水平低的问题，本文考虑天池抽蓄电站抽蓄机组的工况转换，励磁调节的特点，利用其在调相能力上转换的特点，在不同工况的暂态过程中提供无功功率，从而保证电网电压的稳定。

1 抽蓄电站特性分析

1.1 运行特性分析

抽蓄电站在放水发电和抽蓄蓄能两种运行工况下有不同的功率特性。因此，从水力发电机组角度对其水力电能约束和电能存储机组角度对其储能能力约束进行研究[5]。从总体角度来说，抽蓄电站运行特性包括出力限制约束、水位控制约束、运行状态约束等，可表示为：

式（1）～（5）中，式（1）为抽水蓄能机组储能功率的上下限要求；式（2）为机组发电功率约束的上下限，要求两者功率在一定时间内的平均值在上下限范围内；式（3）为抽蓄电站水位要求，过低的水位导致抽蓄机组运行效率幂次级降低，过高的水位会对电站的硬件设施产生影响；式（4）为水位变化的自定义约束，通过水位变化的关键参数来建立约束公式。一般来说抽蓄电站水位特性约束函数以凸优化近似方法为主;式（5）为抽蓄电站运行工况状态限制条件，在仿真情况下，要求抽蓄电站选定处于水力发电和抽水蓄能状态中的一种，选定参数值。由上述公式，即可构建抽蓄电站运行约束模型。

1.2 抽蓄电站库容约束

对于任意时段τ∈T，有以下约束：

式（6）中：WO为水电站初始水量；Wmax为最大水量，Wmin为最小水量；PtG为发电功率；PS为抽水功率；KtS为抽蓄电站处于抽水工况的机组数；ηG为平均电量 转换系数；ηS为平均水量转换系数。其意义为从当前水量转移到任意水量消耗的各机组功率之和，处于总水量最大最小值转移上下限功率之间。

1.3 抽蓄电站输出功率约束

抽蓄电站发电输出功率要满足一定的阈值范围，在实际运行过程中要考虑多机组的协同作用，考虑不同机组工况间的互相影响。

式（7）中：KtG为抽蓄机组中处于发电工况的机组数，PG，min和Ph为抽蓄电站发电机组的最低出力和最高出力，当前功率处于所有发电机组处于最高功率或最低功率的总功率之间；K为抽蓄机组数量；Ph为抽蓄电站发电机组的额定功率。

2 抽蓄电站作为调相机组的稳压原理研究

下面介绍稳定特高压交直流电压的原理及常用手段，以及针对天池抽蓄电站机组的常用策略。

2.1 暂态电压稳定基本原理

针对真实的电网模型进行简化处理，包括交流电源，电网侧阻抗，负荷侧阻抗。具体电路图如图1所示。

图1 电力系统等效电路图

为交流等效电动势，电网侧等效阻抗为RS，XS，负荷侧电压为UL，负荷侧等效阻抗为RL，XL，传输功率为PL，QL。由电路间关系推导可得：

由此可知，系统电压的稳定性不仅与有功功率有关，还与系统的无功功率相关，受端系统无功功率的变化会影响受电端的有功功率，同样也会影响电压的稳定性。

2.2 无功补偿功率传输供电原理

动态电压恢复器能够完全承载电压稳定临界值的作用效果，并可以通过静止无功补偿装置，这种装置是以关断晶闸管为核心的，通过晶闸管的不同分为晶闸管控制电抗器（TCR），晶闸管投切电容器（TSC），晶闸管解决了电容器投切高频的问题。调节临时供电系统中的无功补偿响应水平，包含计及电压输入端、动态显示灯、电压调节杆、电感壳体等多个组成元件。其中，计及电压输入端是无功补偿蓄电池与动态电压恢复器的连通接口，能够直接进行无功补偿电流的传输供电行为[6，7]。无功补偿原理如图2所示。

图2 无功补偿原理

假设负荷受电压影响，需要从电源侧吸收的无功功率为Q，采用并网措施安装无功补偿硬件设施，其全额无功功率为Qc，因此电源侧的无功功率只需达到Ql-Q-Qc，功率因数如图2由cosφ提高至cosφ1，视在功率也相应从S减少到S1,功率动态无功补偿表达式为：

由此可见，无功补偿装置能够提供一定比例的无功功率，从而减少对电源输送无功功率的基本要求，继而由公式可以看出电网传输中的电能消耗损耗会有一定比例的降低，从而提高了供电效率。

3 抽水蓄能机组的调相功能实现策略

3.1 基于机组励磁调节的动态无功补偿

由于无功功率的缺失导致电网电压的失衡，需要一种手段平衡电网的无功功率，无功补偿能够通过电网的调相机组向电网输送无功功率来完成。而抽蓄机组作为一种可灵活调节的电力设备，可以根据电网电压的实时变化趋势，对其传输合适的无功功率。根据对电网电压的实时检测，通过调节励磁电压对抽蓄机组进行调控，调整每台抽蓄设备的无功功率，从而使电网电压水平值恢复至常态。

图3 基于抽蓄机组励磁电压稳定电网电压流程图

3.2 基于机组工况转换的电压稳定

除了直接调整整体无功功率以外，还可以通过利用抽蓄机组调相抽水过程所产生的无功功率来达到平衡电网电压的目的。抽蓄机组作为一种特殊的设备，其在进入抽水状态前会先进入抽水调相状态，在电网电压出现波动时，可通过对部分未启用抽蓄机组进行投切使其进入抽水调相状态，从而稳定电网电压。

图4 投切抽蓄机组实现状态切换无功补偿示意图

3.3 基于机组投切的电压稳定

对于抽蓄电站的机组来说，普遍应用的数量较多，这便给了投切调控行为很大的应用空间，通过适当调节接入机组运行数量达成电网系统的调节。

可以通过调节抽蓄机组的数量完成无功功率的调节[8，9]，投切的方式特点为无功功率调节速度快，反应迅速，相较于其他方式不容易电压失衡。

4 抽蓄电站调相运行的仿真结果

基于PSCAD平台，对可变速抽水蓄能电站入网系统进行建模和仿真，水泵水轮机作为原动机，通过控制无功功率励磁电压稳定进行调节，其增益系数通过理论公式计算确定理论值，再通过实验确定精准值，进而实现系统电压稳定控制。

4.1 无功功率补偿增益系数

通过PSCAD建立了抽蓄机组并网的电压模型，通过节点开关来制造电网波动事件，检验模型电网电压稳定能力。

其中Vs是目标稳定电压；Vw为抽蓄机组输出电压；A为励磁电压增益系数。

4.2 单一负载接入事件电压稳定效果

下面实验以电网部分负载接入为事件，检测励磁电压模块电压稳定能力。在2 s时接入电网一侧负载，检测电网三相电压的波动情况，如图5所示。

图5 励磁调节无功补偿的三相电压稳定效果示意图

在2 s时刻，电网电压有小幅下降，但经过0.5 s的时间后恢复到了原有电压水平。为了更清晰地展示稳定效果，由图6展示了电网三相电压有效值的变化情况：

图6 励磁调节无功补偿的三相电压有效值效果示意图

由本仿真实验可知，该无功补偿装置在面对单一负荷接入事件造成的电压失稳时，具有一定的稳压调节能力

4.3 多负载接入事件电压稳定效果

调整增加负荷接入事件同时发生的数量，在2 s时同时发生3起负载接入事件，具体波形如图7所示。图8展示了电网三相电压有效值的变化情况。

图7 多负载接入励磁调节无功补偿的三相电压稳定效果示意图

图8 多负载接入励磁调节无功补偿的三相电压有效值效果示意图

由此可知该方法对多负荷接入事件也会有较好的调节能力。

4.4 多负载切断事件电压稳定效果

接下来对多切断事件下电网电压稳定做仿真，展示励磁电压稳定效果，如图9所示。

图9 多负载切断励磁调节无功补偿的三相电压稳定效果示意图

在2 s时刻，发生了三起负载切断事件，电压暂时升高，经过约0.7 s后，电压恢复正常水平。图10展示了电网三相电压有效值的变化情况。

图10 多负载切断励磁调节无功补偿的三相电压有效值效果示意图

由本实验可知，该方法对多负荷切断事件造成的电压失稳也会有较好的调节作用。

5 结论

本文针对抽水蓄能机组对电网电压稳定能力的问题，分析了无功补偿原理对电网电压稳定的原理，提出了抽水蓄能机组基于励磁电压控制器的无功补偿电压稳定的方法，在PSCAD中搭建了抽水蓄能机组仿真模型，通过设定电网中可能会造成电网电压不稳定的事件，验证励磁电压稳定效果，实验证明在不同事件发生的情况下，励磁控制器响应速度较快，约为0.7 s，达到了较快的响应速度，验证了本文算法的有效性，励磁控制器的简单可操作性为抽水蓄能电站参与系统电压稳定提供了思路，是参与电网调相功能的一种重要潜在资源。