王 毅，張澤展，肖 暢（南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511493）

0 引 言

現(xiàn)階段，抽水蓄能電站在國家范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，這種電站能夠有效利用剩余電能，實(shí)現(xiàn)資源的最大利用。電站運(yùn)行過程中，將低谷階段的多余電能轉(zhuǎn)化為高價值電能，也能夠穩(wěn)定電力系統(tǒng)和電壓，在突發(fā)事故中能夠充分發(fā)揮作用。但是，隨著國家及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力負(fù)荷也在不斷增大，這對電力供應(yīng)提出了更高要求，需進(jìn)一步提高抽水蓄能電站的功能。

1 仿真研究分析

1.1 建立數(shù)學(xué)模型

要對抽水蓄能電機(jī)電動機(jī)工況時進(jìn)相運(yùn)行進(jìn)行仿真研究，首先要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模式。抽水蓄能電機(jī)中包括多種不同的電機(jī)繞組，各個繞組的軸線方向各不相同，具體內(nèi)容如圖1所示。

圖1 抽水蓄能電機(jī)各個繞組的軸線方向

從圖1能夠看出定子繞組磁鏈的正方向，還包括轉(zhuǎn)子縱橫兩軸心的方向。根據(jù)圖1可以建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。建立數(shù)學(xué)模型時，需要全面考慮方向問題，其中縱軸的阻尼繞組和阻尼繞組磁鏈的方向要和橫軸以及橫軸的勵磁繞組方向相同，然后進(jìn)一步得到表示抽水蓄電電機(jī)的磁鏈方程和電壓方程。其中，電壓方程為：

式中r代表著各繞組之間的電阻，ψ則代表著各繞組之間的合成磁鏈，i表示繞組的電流，u表示繞組的端電壓，其中磁鏈方程如下：

其中Lii表示不同繞組之間的自感，而Mij表示繞組之間的互感，其中i和j的取值即a、b、c、f、D、Q幾個參數(shù)。轉(zhuǎn)子的運(yùn)動方程中包括了轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、電機(jī)的極對數(shù)、電磁轉(zhuǎn)矩、機(jī)械轉(zhuǎn)矩、功角和機(jī)械功率等內(nèi)容，分別用H、p、Te、Tm、δ、P1來表示，具體的運(yùn)動方程和三相繞組電壓方程如下：

其中等號前面代表著繞組a、b、c的相電壓，E代表無窮大的母線電壓?？梢赃M(jìn)一步化簡式（4），最終得到轉(zhuǎn)化公式：

1.2 單機(jī)系統(tǒng)的仿真模型

根據(jù)上述方程就能夠建立形成無窮大的數(shù)學(xué)模型。在建立單機(jī)系統(tǒng)的仿真模型前，需要了解抽水蓄能電動機(jī)的具體參數(shù)，如表1所示。

表1 抽水蓄能電動機(jī)的參數(shù)

在具體的仿真實(shí)驗(yàn)中，首先需要選擇合適的電壓模型從根本上降低低勵磁電流，其次要改變抽水蓄能電動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，最后使電動機(jī)從遲相轉(zhuǎn)變?yōu)檫M(jìn)相運(yùn)行。本文仿真模型基于單機(jī)無窮系統(tǒng)設(shè)置，而電動機(jī)中還包括了變壓器、輸電線路和無窮大電網(wǎng)等部分組成。搭建過程中，要按照相應(yīng)的接線圖搭建仿真模型，嚴(yán)格遵守相應(yīng)原則——恒定的電磁轉(zhuǎn)矩輸入，正確設(shè)置相關(guān)參數(shù)，保證得到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。要從根本上保護(hù)系統(tǒng)整體的初始值始終穩(wěn)定有效，要在填寫相關(guān)參數(shù)后，設(shè)定模塊初始值和相應(yīng)的模型參數(shù)，得到具體的仿真波形。仿真結(jié)果顯示，抽水蓄能電動機(jī)在前20 s中處于遲相穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，而在第20 s時調(diào)節(jié)了勵磁電流，狀態(tài)轉(zhuǎn)換為進(jìn)相運(yùn)行?？芍?，抽水蓄能電動機(jī)在進(jìn)行進(jìn)相運(yùn)行時，轉(zhuǎn)換過程中勵磁電流不斷減弱，功率角增大、極端電壓下降、極端電壓下降、定子電流增加[1]。此外，雖然在狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中轉(zhuǎn)速和電磁功率都會有一段振蕩時間，但是只經(jīng)過幾秒鐘就恢復(fù)了穩(wěn)定?？芍樗钅茈妱訖C(jī)展開短時間的進(jìn)相運(yùn)行能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定性不受影響，且滿足吸收系統(tǒng)對過剩無功功率的需求。

1.3 抽水蓄能電動機(jī)進(jìn)相運(yùn)行深度的仿真研究分析

利用降低勵磁系統(tǒng)中勵磁電壓大小的原理，對搭建好的模型進(jìn)行調(diào)整，降低勵磁電流，模擬電機(jī)的進(jìn)相深度，搭建出對應(yīng)的調(diào)節(jié)模塊，以達(dá)到調(diào)節(jié)進(jìn)相深度的目的。仿真結(jié)果表明，電機(jī)進(jìn)相深度會隨著勵磁電流調(diào)節(jié)幅度而改變，兩者之間呈正相關(guān)。因此，當(dāng)抽水蓄能電動機(jī)進(jìn)行進(jìn)相運(yùn)行時，需要將抽水蓄能電動機(jī)控制在靜穩(wěn)極限范圍內(nèi)，以保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。

2 抽水蓄能電動機(jī)多機(jī)進(jìn)相運(yùn)行研究

2.1 多機(jī)進(jìn)相運(yùn)行穩(wěn)定性分析

和單機(jī)進(jìn)相系統(tǒng)相比，多機(jī)進(jìn)相系統(tǒng)更為復(fù)雜，但在電機(jī)內(nèi)部的物理要求基本相同。因此，需要在重新分配勵磁電流的基礎(chǔ)上，額外考慮抽水蓄能電動機(jī)和系統(tǒng)之間的聯(lián)接方式、有功負(fù)荷的承擔(dān)情況等內(nèi)容。因?yàn)樵诙鄼C(jī)進(jìn)相運(yùn)行時，要保證抽水蓄能電動機(jī)的調(diào)壓額度科學(xué)合理，從整體上實(shí)現(xiàn)對其的控制。在多機(jī)進(jìn)相過程中，多機(jī)之間可能互有影響，因此多機(jī)系統(tǒng)中要保證內(nèi)部所有電機(jī)都進(jìn)行良好的配合[2]?，F(xiàn)階段，單機(jī)進(jìn)相運(yùn)行還不能夠全面滿足電網(wǎng)調(diào)壓，因此多機(jī)進(jìn)相運(yùn)行較為可取。以隱極機(jī)為例，當(dāng)功率不變時，電機(jī)參數(shù)會受勵磁電流的影響而隨之改變，而根據(jù)基礎(chǔ)理論可知，功率不變時，有：

可見，無論勵磁電流如何變化，投影都會保持不變。隨著機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行的加深，功率角逐漸加大，進(jìn)而影響整個機(jī)組本身，甚至整個電網(wǎng)的穩(wěn)定水平都會不斷降低。因此，在研究多機(jī)進(jìn)相運(yùn)行必須要解決暫態(tài)問題。可以使用AVR系統(tǒng)合理計(jì)算進(jìn)相深度，調(diào)整整定低勵限制單位，展開相關(guān)進(jìn)相實(shí)驗(yàn)，取得最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

一般情況下，在求解雅克比矩陣方程時有兩種方法較為常用，一種為靜態(tài)穩(wěn)定極限分析法，一種為小干擾分析法。本文采用靜態(tài)穩(wěn)定極限分析法，具體流程如下：第一，改變系統(tǒng)，將電網(wǎng)中的多機(jī)進(jìn)相系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p機(jī)進(jìn)相系統(tǒng)；第二，編寫程序，因?yàn)楸疚牟捎渺o態(tài)穩(wěn)定極限分析法，因此編寫的程序也要和方法相匹配；第三，設(shè)定具體的假設(shè)參數(shù)，以此計(jì)算多機(jī)組中每臺電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定裕度?！峨娏ο到y(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中指出，態(tài)穩(wěn)定裕度應(yīng)該被控制在一定范圍，其中每臺電機(jī)的裕度范圍為Kδ≥0.15～0.2。但是，當(dāng)蓄水抽能電動機(jī)中存在2臺以上的電機(jī)時，傳統(tǒng)的方式就不能夠被應(yīng)用于功角特性的表示，因?yàn)樵跈C(jī)組容量過大的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定水平也會對靜態(tài)穩(wěn)定裕度造成嚴(yán)重影響。所以，在多機(jī)組中，靜態(tài)穩(wěn)定裕度不僅要滿足個體要求，還要滿足整體要求。

2.2 多機(jī)進(jìn)相運(yùn)行的仿真分析

在對多機(jī)進(jìn)相運(yùn)行進(jìn)行初步研究后，需要深入研究多機(jī)進(jìn)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，基于具體的分析結(jié)果，判斷多機(jī)進(jìn)相在運(yùn)行過程中電機(jī)之間如何協(xié)調(diào)配合[3]。以某抽水蓄能電站為例，在同一電廠內(nèi)，內(nèi)部機(jī)組協(xié)調(diào)配合，能夠更加充分地吸收系統(tǒng)中的過多無用功，且有效控制系統(tǒng)中較高的電壓?？梢钥闯?，在調(diào)節(jié)勵磁電流幅度相同的情況下，多機(jī)進(jìn)組運(yùn)行和單機(jī)進(jìn)組運(yùn)行相比，調(diào)壓效果更加顯著，機(jī)組之間的配合度也得到了有效提高。

圖2 抽水蓄能電動機(jī)并聯(lián)電壓型SFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 結(jié) 論

綜上所述，通過研究抽水蓄能電動機(jī)，理論分析抽水蓄能機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，以期為為現(xiàn)代電網(wǎng)相關(guān)工作人員提供參考。分析中發(fā)現(xiàn)，抽水蓄能電動機(jī)在進(jìn)相運(yùn)行時，功角特性相對降低，穩(wěn)定極限也進(jìn)一步降低，需要加入勵磁調(diào)節(jié)器，保證穩(wěn)定性。此外，勵磁調(diào)節(jié)器能夠改變電動機(jī)本身的運(yùn)行狀態(tài)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時，進(jìn)一步對其進(jìn)行研究，包括多臺機(jī)組協(xié)調(diào)分配等內(nèi)容。