抽水蓄能機組電動運行方式無功電壓控制研究

郝鑫杰，宋述勇，鄭惠萍，劉新元，高 宏，郝 捷

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抽水蓄能機組電動運行方式無功電壓控制研究

郝鑫杰，宋述勇，鄭惠萍，劉新元，高 宏，郝 捷

（國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，太原 030001）

抽水蓄能機組具有四象限運行能力，在電網(wǎng)調(diào)峰中發(fā)揮重要作用。山西電網(wǎng)配置有4×300MW的西龍池抽蓄機組，為接納更多的風電，需要西龍池抽水蓄能電站多臺機組抽水運行，由此會帶來西龍池電站500kV母線電壓降低，影響電網(wǎng)安全運行。本文通過仿真分析和現(xiàn)場試驗的手段研究了西龍池電站在3臺及以上機組抽水工況下，機組發(fā)出無功量對機組安全、電網(wǎng)電壓及系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，給出了機組運行的最優(yōu)無功值。

抽水蓄能電站；調(diào)壓；無功；抽水運行

0 前言

近年來，山西電網(wǎng)風電裝機保持快速增長且風電呈現(xiàn)很強的反調(diào)峰性，加之火電機組比例大，冬季又涉及供熱等問題，使得新能源消納問題日益嚴峻。為了實現(xiàn)最大量消納風電，這就需要合理調(diào)用西龍池抽水蓄能機組[1-2]。在負荷低谷風電大發(fā)時，根據(jù)水位情況安排3臺及以上機組抽水，提高風電消納量。但是當西龍池電站3臺及以上機組同時工作在抽水狀態(tài)時，500kV母線運行電壓水平降低，不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

由于西龍池抽蓄機組控制系統(tǒng)設(shè)置了無功輸出限制環(huán)節(jié)，使得機組運行在抽水工況時，無功輸出基本為零，這就導(dǎo)致3臺及以上機組抽水運行時，西龍池500kV母線電壓低于509kV，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。參考文獻[3]~[6]從系統(tǒng)的角度給出了抽蓄機組對系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)作用，但并未涉及穩(wěn)定方面的研究。而文獻[7]僅探討了機組調(diào)相運行下的動態(tài)穩(wěn)定性。文獻[8]~[9]則研究了抽蓄機組的有功與無功的調(diào)節(jié)能力。

本文通過仿真分析和現(xiàn)場試驗的手段對西龍池機組在抽水工況下的調(diào)壓能力和穩(wěn)定性兩方面展開研究，調(diào)整了抽蓄機組無功輸出的限幅值，促使西龍池抽蓄機組即使運行于抽水工況時也能發(fā)出無功，提高系統(tǒng)的電壓水平和穩(wěn)定性[10-11]。

1 抽水蓄能機組數(shù)學(xué)模型

西龍池抽水蓄能電站采用可逆式水泵水輪機機組，既可以運行在發(fā)電狀態(tài)也可以運行在電動狀態(tài)[12-13]，按照抽蓄機組的運行特點，仿真采用的五階實用模型方程如下：

其中定子電壓方程為：

轉(zhuǎn)子暫態(tài)方程為：

轉(zhuǎn)子動態(tài)方程為：

式中，d0＂為直軸次暫態(tài)開路時間常數(shù)，d0＇為直軸暫態(tài)開路時間常數(shù)，q0＂為交軸次暫態(tài)開路時間常數(shù)，d＂為直軸次暫態(tài)電勢，q＂為交軸次暫態(tài)電勢，q＇為交軸暫態(tài)電勢，為轉(zhuǎn)速，m為機械轉(zhuǎn)矩，e為電磁轉(zhuǎn)矩。

同步電機可以通過調(diào)節(jié)其勵磁系統(tǒng)來調(diào)節(jié)輸出的無功功率，當發(fā)電機運行在“過勵”狀態(tài)時，發(fā)電機向系統(tǒng)注入無功功率以提升系統(tǒng)電壓。當發(fā)電機運行在“欠勵”狀態(tài)時，發(fā)電機從系統(tǒng)吸收無功功率以降低系統(tǒng)電壓。本文通過仿真和試驗的手段研究西龍池機組運行在欠勵和過勵兩種狀態(tài)下的調(diào)壓能力。

2 仿真分析

西龍池抽水蓄能電站裝設(shè)四臺300MW級機組，機組經(jīng)500kV主變壓器升壓后，通過一回500kV線路接至忻州500kV變電站。圖1所示為西龍池機組接入電網(wǎng)示意圖。

圖1 西龍池接入電網(wǎng)示意圖

西龍池抽水蓄能電站機組發(fā)電工況下額定功率為300MW（功率因數(shù)0.9），抽水工況下額定功率為319.6MW(功率因數(shù)0.975），額定定子電壓18kV，發(fā)電工況下額定定子電流10691A，抽水工況下額定定子電流10662A,冷卻方式為空冷。機組勵磁系統(tǒng)勵磁方式為自并勵，額定勵磁電壓為267.8V，額定勵磁電流為2060A。與西龍池抽水蓄能電站機組相連的升壓變?yōu)镾SP-360000/500型變壓器，額定容量為360MVA，其變比為515/18 kV。

2.1 抽水工況下調(diào)壓能力仿真研究

本文采用電力系統(tǒng)分析計算軟件BPA建立西龍池機組在抽水工況下的調(diào)壓能力仿真模型，分別開展零無功及多臺機組發(fā)出不同無功量的調(diào)壓能力仿真研究。

2.1.1 零無功狀態(tài)下的電壓曲線

由于控制系統(tǒng)設(shè)置了無功輸出限幅環(huán)節(jié)，使得機組在抽水工況下不能發(fā)出無功，在此工況下分別計算出1臺、2臺、3臺、4臺機組抽水工況下500kV西龍池母線電壓，繪制曲線如圖2所示。

圖2 不同抽水臺數(shù)下的電壓水平

由圖2可知：隨著抽水機組臺數(shù)的增加，西龍池母線電壓由1臺機組抽水時的521.8kV降低為4臺機組同時抽水時的508kV，低于電網(wǎng)對系統(tǒng)母線電壓的控制要求，同時會引起輔機設(shè)備低電壓運行甚至跳機，不利于機組及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2.1.2 多臺機組抽水工況下的調(diào)壓能力研究

當考慮西龍池運行在3臺機組抽水工況時，分別選取3臺機抽水、1臺機發(fā)無功方式，3臺機抽水、2臺機發(fā)無功方式，3臺機抽水、3臺機發(fā)無功運行方式，繪制出西龍池500kV母線電壓標幺值(基準電壓為525kV)隨無功量值的變化情況見圖3。

圖3 3臺機組抽水工況下電壓變化曲線

從圖3可知：西龍池電廠三臺機抽水、一臺機發(fā)無功方式下，發(fā)出無功量最大為70MVar，此時系統(tǒng)500kV母線電壓可由513.4kV升高到517.3kV。試驗發(fā)電機在電動工況下發(fā)出的無功量受發(fā)電機額定功率因數(shù)0.975的限制。2臺機組發(fā)出無功達到70MVar/臺時500kV母線電壓提高到521.0kV，3臺機組發(fā)出無功達到70MVar/臺時500kV母線電壓提高到524.4kV。

當西龍池電站4臺機抽水、1臺機發(fā)無功，4臺機抽水、2臺機發(fā)無功，4臺機抽水、3臺機發(fā)無功，4臺機抽水、4臺機發(fā)無功方式時，繪制出西龍池500kV母線電壓標幺值隨無功量值的變化情況，如圖4所示。

圖4 4臺機組抽水工況下電壓變化曲線

由圖4可知：西龍池電廠4臺機抽水、1臺機發(fā)無功方式下，發(fā)出無功量最大為70MVar，此時系統(tǒng)500kV母線電壓可由508kV升高到511.99kV。試驗發(fā)電機在抽水工況下發(fā)出的無功量受發(fā)電機額定功率因數(shù)0.975的限制。2臺機組發(fā)出無功達到70MVar/臺時500kV母線電壓提高到515.88kV，3臺機組發(fā)出無功達到70MVar/臺時500kV母線電壓提高到519.72kV。4臺機組發(fā)出無功達到70MVar/臺時500kV母線電壓提高到523.19kV，此時機端電壓值均接近額定運行電壓值。

2.2 抽水工況下暫態(tài)穩(wěn)定分析

機組在故障后，對系統(tǒng)無功支援量的不同直接影響到系統(tǒng)的功角和電壓穩(wěn)定程度，機組發(fā)出無功量的大小受到機組發(fā)熱、系統(tǒng)絕緣方面的影響，因此需要在機組自身安全約束范圍內(nèi)求解最優(yōu)無功值。

由抽水工況下電壓仿真分析可知：機組受額定功率因數(shù)的影響每臺機組的最大無功出力為70MVar，此時的電壓運行水平最高且沒有超過系統(tǒng)的最高運行電壓，不會引起系統(tǒng)絕緣的破壞[14-15]。所以考慮西龍池抽蓄電站三臺機抽水方式，機組無功功率分別為0和210Mvar兩種工況下，發(fā)生忻侯Ⅰ線三永N-1故障、500kV忻州主變?nèi)繬-1故障以分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2.1 忻侯Ⅰ線三永N-1故障

忻侯Ⅰ線三永N-1故障后西龍池2號機組最大功角差和最低電壓見表1。

表1 2號機組最大功角差與最低電壓

2.2.2 忻州主變?nèi)繬-1故障

忻州主變?nèi)繬-1故障后西龍池2號機組最大功角差和最低電壓見表2。

表2 2號機組最大功角差與最低電壓表

由表1和表2中表征系統(tǒng)穩(wěn)定的最大功角差和最低母線電壓分析可知：西龍池抽蓄電站三臺機抽水方式，機組發(fā)出無功210MVar時，對故障后系統(tǒng)提供一定的無功支持，最大功角差減小，最低母線電壓升高，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定恢復(fù)。從發(fā)出無功對功角穩(wěn)定有益影響的方面考慮要求機組應(yīng)該盡量多發(fā)無功；從發(fā)出無功量對系統(tǒng)運行電壓水平影響考慮則要求運行電壓不能破壞系統(tǒng)的絕緣水平；從機組發(fā)無功量對機組發(fā)熱影響的約束考慮要求機組不能超越額定功率因數(shù)運行。綜合以上分析可知：西龍池抽蓄電站三臺機抽水方式，受到額定功率因數(shù)0.975的約束，可發(fā)出無功210MVar，此時母線電壓沒有超過系統(tǒng)的最高運行電壓550kV。從機組發(fā)出無功對故障后提供無功支持有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定的影響考慮要求機組發(fā)出無功最大。得出：西龍池抽蓄電站三臺機抽水方式，機組發(fā)出無功210MVar，為西龍池水電站抽水工況下無功出力最優(yōu)值。

進一步分析可知：當西龍池電站四臺機組抽水方式，在不超越額定功率因數(shù)的情況下要求發(fā)出無功最大280MVar，即為此種工況下的最優(yōu)無功值。

3 試驗研究

被試發(fā)電機在抽水工況下有功出力為-310MW工況下進行試驗。隨著機組勵磁調(diào)節(jié)器逐步升高勵磁，發(fā)電機無功功率從0.3MVar開始逐步升高并由零無功狀態(tài)進入發(fā)出無功運行狀態(tài)。在試驗過程中重點關(guān)注定子鐵心溫度、機端電壓與電流、勵磁電壓與電流的變化情況。本次試驗中當機組發(fā)出無功至發(fā)電機無功功率70MVar時，功率因數(shù)達到抽水工況下的額定值，停止試驗。

在發(fā)電機有功出力-310MW工況點下的機組發(fā)無功試驗過程中，西龍池電站500kV母線電壓從515.4kV升高到518.3kV，升高了2.9kV；發(fā)電機定子電壓由17.19kV升到18.08kV，發(fā)電機定子電壓由額定電壓的95.5%升至其額定電壓的100.4%；發(fā)電機定子電流隨機組發(fā)出無功量的增加而減小，在發(fā)電機無功功率為70.0MVar降到101890A；發(fā)電機勵磁電壓由150.2V升到185.0V，升高了35.3V；同時相應(yīng)的發(fā)電機勵磁電流由1487A升到1796A，升高了309A。圖5給出了試驗數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對比曲線。

圖5 試驗與仿真結(jié)果對比曲線

由圖5可知：仿真結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，現(xiàn)場試驗驗證了仿真分析的正確性。試驗機在有功功率P=-310MW工況下受機組額定功率因數(shù)限制，西龍池抽水蓄能電站2號發(fā)電機可發(fā)出無功量為70MVar?，F(xiàn)場試驗給出了實測運行數(shù)據(jù)，為西龍池抽蓄機組抽水工況下發(fā)出無功運行提供了試驗依據(jù)。

4 結(jié)論

本文通過試驗和仿真的手段研究了西龍池電站在3臺及以上機組抽水工況下機組的調(diào)壓能力，得到了如下結(jié)論：

（1）在滿足機組自身安全約束和電網(wǎng)電壓調(diào)整的要求下，存在機組穩(wěn)定運行的最優(yōu)無功值。西龍池抽蓄電站3臺機抽水方式，210MVar為西龍池水電站抽水工況下無功出力最優(yōu)值。

（2）現(xiàn)場試驗的結(jié)果驗證了西龍池抽蓄電站3臺機抽水、一臺機發(fā)無功方式仿真結(jié)果的正確性，為西龍池抽蓄機組在抽水工況時發(fā)出無功運行提供了試驗數(shù)據(jù)支撐，為山西電網(wǎng)接納更多的風電提供了保障，也可以為其他新能源裝機大省提供參考。

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Study on Reactive Power and Voltage Adjustment of Pumped Storage Power Plant at Pumping Operation

HAO Xinjie, SONG Shuyong, ZHENG Huiping, LIU Xinyuan, GAO Hong, HAO Jie

(STATE GRID Shanxi Electric Power Research Institute, Taiyuan 030001,China)

Pumped storage power plant can run at four quadrant operation, which plays an important role in the peak load regulating of power system. More than two units of Xilongchi power plant need pumping operation to improve wind power integration ability. Then the 500kV bus voltage of Xilongchi will be lower than normal level, having impact on the safe operation of power grid. The units safety voltage level and stability of power grid is studied by simulation and experiment. The optimal reactive Var of every unit is presented.

pumped storage power plant; voltage adjustment; reactive power; pumping operation

TM761

A

1000-3983(2017)02-0056-04

2016-10-28

郝鑫杰（1985-），2012年4月畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事電力系統(tǒng)分析研究及網(wǎng)源協(xié)調(diào)試驗工作，工程師。

審稿人：宮海龍