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(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

近幾年來，隨著我國新型電力系統(tǒng)的建設(shè)需求和特高壓交直流電網(wǎng)的技術(shù)提升，清潔能源發(fā)電占比增加，電網(wǎng)中的直流電能正逐步提升，電網(wǎng)安全運(yùn)行受到巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)低頻低壓減載裝置僅針對交流電網(wǎng)局部穩(wěn)定問題設(shè)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(yán)重故障造成的電壓失穩(wěn)，功率失衡對有效保護(hù)方法的需求。且該種設(shè)備造價(jià)成本高，對電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性帶來了巨大負(fù)擔(dān)。需要一種分布廣，效果好的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)調(diào)相功能維持電網(wǎng)穩(wěn)定。

隨著“碳達(dá)峰，碳中和”政策的下發(fā)，新能源發(fā)電在未來會(huì)成為電力系統(tǒng)的一種主流形式，抽蓄電站作為一種成熟的清潔能源發(fā)電設(shè)施，在我國的分布已經(jīng)廣泛分布，且相關(guān)運(yùn)行維穩(wěn)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。由于抽蓄電站擁有調(diào)節(jié)速度快，容量大等特點(diǎn)，其可以作為一種調(diào)相機(jī)組，來支持所在區(qū)域電壓的穩(wěn)定性。針對抽蓄機(jī)組作為調(diào)相機(jī)組穩(wěn)定區(qū)域電壓的研究已成為業(yè)界內(nèi)的熱點(diǎn)。

文獻(xiàn)[1]研究了面對特高壓交直流電網(wǎng)的調(diào)相機(jī)組作用機(jī)制，文獻(xiàn)[2，3]研究了調(diào)相機(jī)組穩(wěn)定電網(wǎng)電壓原理。文獻(xiàn)[4]闡述了抽蓄電站接入電網(wǎng)對其產(chǎn)生的影響。以上研究均對抽蓄電站特性，調(diào)相穩(wěn)壓機(jī)制，以及特高壓交直流電網(wǎng)特性做了充分研究。

為解決河南特高壓交直流電網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平低的問題，本文考慮天池抽蓄電站抽蓄機(jī)組的工況轉(zhuǎn)換，勵(lì)磁調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，利用其在調(diào)相能力上轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，在不同工況的暫態(tài)過程中提供無功功率，從而保證電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

1 抽蓄電站特性分析

1.1 運(yùn)行特性分析

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

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

1.2 抽蓄電站庫容約束

對于任意時(shí)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(fā)電功率；PS為抽水功率；KtS為抽蓄電站處于抽水工況的機(jī)組數(shù)；ηG為平均電量 轉(zhuǎn)換系數(shù)；ηS為平均水量轉(zhuǎn)換系數(shù)。其意義為從當(dāng)前水量轉(zhuǎn)移到任意水量消耗的各機(jī)組功率之和，處于總水量最大最小值轉(zhuǎn)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(fā)電輸出功率要滿足一定的閾值范圍，在實(shí)際運(yùn)行過程中要考慮多機(jī)組的協(xié)同作用，考慮不同機(jī)組工況間的互相影響。

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

2 抽蓄電站作為調(diào)相機(jī)組的穩(wěn)壓原理研究

下面介紹穩(wěn)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(jī)組的常用策略。

2.1 暫態(tài)電壓穩(wěn)定基本原理

針對真實(shí)的電網(wǎng)模型進(jìn)行簡化處理，包括交流電源，電網(wǎng)側(cè)阻抗，負(fù)荷側(cè)阻抗。具體電路圖如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)等效電路圖

為交流等效電動(dòng)勢，電網(wǎng)側(cè)等效阻抗為RS，XS，負(fù)荷側(cè)電壓為UL，負(fù)荷側(cè)等效阻抗為RL，XL，傳輸功率為PL，QL。由電路間關(guān)系推導(dǎo)可得：

由此可知，系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性不僅與有功功率有關(guān)，還與系統(tǒng)的無功功率相關(guān)，受端系統(tǒng)無功功率的變化會(huì)影響受電端的有功功率，同樣也會(huì)影響電壓的穩(wěn)定性。

2.2 無功補(bǔ)償功率傳輸供電原理

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器能夠完全承載電壓穩(wěn)定臨界值的作用效果，并可以通過靜止無功補(bǔ)償裝置，這種裝置是以關(guān)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(diào)節(jié)臨時(shí)供電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償響應(yīng)水平，包含計(jì)及電壓輸入端、動(dòng)態(tài)顯示燈、電壓調(diào)節(jié)桿、電感殼體等多個(gè)組成元件。其中，計(jì)及電壓輸入端是無功補(bǔ)償蓄電池與動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器的連通接口，能夠直接進(jìn)行無功補(bǔ)償電流的傳輸供電行為[6，7]。無功補(bǔ)償原理如圖2所示。

圖2 無功補(bǔ)償原理

假設(shè)負(fù)荷受電壓影響，需要從電源側(cè)吸收的無功功率為Q，采用并網(wǎng)措施安裝無功補(bǔ)償硬件設(shè)施，其全額無功功率為Qc，因此電源側(cè)的無功功率只需達(dá)到Ql-Q-Qc，功率因數(shù)如圖2由cosφ提高至cosφ1，視在功率也相應(yīng)從S減少到S1,功率動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償表達(dá)式為：

由此可見，無功補(bǔ)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(wǎng)傳輸中的電能消耗損耗會(huì)有一定比例的降低，從而提高了供電效率。

3 抽水蓄能機(jī)組的調(diào)相功能實(shí)現(xiàn)策略

3.1 基于機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償

由于無功功率的缺失導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的失衡，需要一種手段平衡電網(wǎng)的無功功率，無功補(bǔ)償能夠通過電網(wǎng)的調(diào)相機(jī)組向電網(wǎng)輸送無功功率來完成。而抽蓄機(jī)組作為一種可靈活調(diào)節(jié)的電力設(shè)備，可以根據(jù)電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)變化趨勢，對其傳輸合適的無功功率。根據(jù)對電網(wǎng)電壓的實(shí)時(shí)檢測，通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電壓對抽蓄機(jī)組進(jìn)行調(diào)控，調(diào)整每臺(tái)抽蓄設(shè)備的無功功率，從而使電網(wǎng)電壓水平值恢復(fù)至常態(tài)。

圖3 基于抽蓄機(jī)組勵(lì)磁電壓穩(wěn)定電網(wǎng)電壓流程圖

3.2 基于機(jī)組工況轉(zhuǎn)換的電壓穩(wěn)定

除了直接調(diào)整整體無功功率以外，還可以通過利用抽蓄機(jī)組調(diào)相抽水過程所產(chǎn)生的無功功率來達(dá)到平衡電網(wǎng)電壓的目的。抽蓄機(jī)組作為一種特殊的設(shè)備，其在進(jìn)入抽水狀態(tài)前會(huì)先進(jìn)入抽水調(diào)相狀態(tài)，在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，可通過對部分未啟用抽蓄機(jī)組進(jìn)行投切使其進(jìn)入抽水調(diào)相狀態(tài)，從而穩(wěn)定電網(wǎng)電壓。

圖4 投切抽蓄機(jī)組實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換無功補(bǔ)償示意圖

3.3 基于機(jī)組投切的電壓穩(wěn)定

對于抽蓄電站的機(jī)組來說，普遍應(yīng)用的數(shù)量較多，這便給了投切調(diào)控行為很大的應(yīng)用空間，通過適當(dāng)調(diào)節(jié)接入機(jī)組運(yùn)行數(shù)量達(dá)成電網(wǎng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。

可以通過調(diào)節(jié)抽蓄機(jī)組的數(shù)量完成無功功率的調(diào)節(jié)[8，9]，投切的方式特點(diǎn)為無功功率調(diào)節(jié)速度快，反應(yīng)迅速，相較于其他方式不容易電壓失衡。

4 抽蓄電站調(diào)相運(yùn)行的仿真結(jié)果

基于PSCAD平臺(tái)，對可變速抽水蓄能電站入網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，水泵水輪機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，通過控制無功功率勵(lì)磁電壓穩(wěn)定進(jìn)行調(diào)節(jié)，其增益系數(shù)通過理論公式計(jì)算確定理論值，再通過實(shí)驗(yàn)確定精準(zhǔn)值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定控制。

4.1 無功功率補(bǔ)償增益系數(shù)

通過PSCAD建立了抽蓄機(jī)組并網(wǎng)的電壓模型，通過節(jié)點(diǎn)開關(guān)來制造電網(wǎng)波動(dòng)事件，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ碗娋W(wǎng)電壓穩(wěn)定能力。

其中Vs是目標(biāo)穩(wěn)定電壓；Vw為抽蓄機(jī)組輸出電壓；A為勵(lì)磁電壓增益系數(shù)。

4.2 單一負(fù)載接入事件電壓穩(wěn)定效果

下面實(shí)驗(yàn)以電網(wǎng)部分負(fù)載接入為事件，檢測勵(lì)磁電壓模塊電壓穩(wěn)定能力。在2 s時(shí)接入電網(wǎng)一側(cè)負(fù)載，檢測電網(wǎng)三相電壓的波動(dòng)情況，如圖5所示。

圖5 勵(lì)磁調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償?shù)娜嚯妷悍€(wěn)定效果示意圖

在2 s時(shí)刻，電網(wǎng)電壓有小幅下降，但經(jīng)過0.5 s的時(shí)間后恢復(fù)到了原有電壓水平。為了更清晰地展示穩(wěn)定效果，由圖6展示了電網(wǎng)三相電壓有效值的變化情況：

圖6 勵(lì)磁調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償?shù)娜嚯妷河行е敌Ч疽鈭D

由本仿真實(shí)驗(yàn)可知，該無功補(bǔ)償裝置在面對單一負(fù)荷接入事件造成的電壓失穩(wěn)時(shí)，具有一定的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)能力

4.3 多負(fù)載接入事件電壓穩(wěn)定效果

調(diào)整增加負(fù)荷接入事件同時(shí)發(fā)生的數(shù)量，在2 s時(shí)同時(shí)發(fā)生3起負(fù)載接入事件，具體波形如圖7所示。圖8展示了電網(wǎng)三相電壓有效值的變化情況。

圖7 多負(fù)載接入勵(lì)磁調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償?shù)娜嚯妷悍€(wěn)定效果示意圖

圖8 多負(fù)載接入勵(lì)磁調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償?shù)娜嚯妷河行е敌Ч疽鈭D

由此可知該方法對多負(fù)荷接入事件也會(huì)有較好的調(diào)節(jié)能力。

4.4 多負(fù)載切斷事件電壓穩(wěn)定效果

接下來對多切斷事件下電網(wǎng)電壓穩(wěn)定做仿真，展示勵(lì)磁電壓穩(wěn)定效果，如圖9所示。

圖9 多負(fù)載切斷勵(lì)磁調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償?shù)娜嚯妷悍€(wěn)定效果示意圖

在2 s時(shí)刻，發(fā)生了三起負(fù)載切斷事件，電壓暫時(shí)升高，經(jīng)過約0.7 s后，電壓恢復(fù)正常水平。圖10展示了電網(wǎng)三相電壓有效值的變化情況。

圖10 多負(fù)載切斷勵(lì)磁調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償?shù)娜嚯妷河行е敌Ч疽鈭D

由本實(shí)驗(yàn)可知，該方法對多負(fù)荷切斷事件造成的電壓失穩(wěn)也會(huì)有較好的調(diào)節(jié)作用。

5 結(jié)論

本文針對抽水蓄能機(jī)組對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定能力的問題，分析了無功補(bǔ)償原理對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定的原理，提出了抽水蓄能機(jī)組基于勵(lì)磁電壓控制器的無功補(bǔ)償電壓穩(wěn)定的方法，在PSCAD中搭建了抽水蓄能機(jī)組仿真模型，通過設(shè)定電網(wǎng)中可能會(huì)造成電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定的事件，驗(yàn)證勵(lì)磁電壓穩(wěn)定效果，實(shí)驗(yàn)證明在不同事件發(fā)生的情況下，勵(lì)磁控制器響應(yīng)速度較快，約為0.7 s，達(dá)到了較快的響應(yīng)速度，驗(yàn)證了本文算法的有效性，勵(lì)磁控制器的簡單可操作性為抽水蓄能電站參與系統(tǒng)電壓穩(wěn)定提供了思路，是參與電網(wǎng)調(diào)相功能的一種重要潛在資源。