含抽水蓄能電源的電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行影響研究

摘 "要：抽水蓄能電站對(duì)中國(guó)能源轉(zhuǎn)型至關(guān)重要，其可快速調(diào)整輸出將大部分電能重新注入電網(wǎng)，降低環(huán)境污染并確?？煽侩娏?yīng)。然而，其也會(huì)影響電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性，需要詳細(xì)研究作用機(jī)理并提出改進(jìn)措施。該研究用PSASP簡(jiǎn)化模型模擬抽蓄電源在電網(wǎng)中的運(yùn)行情況，探究其對(duì)電網(wǎng)慣性、有功、動(dòng)態(tài)無(wú)功的支撐作用。分析其影響電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的機(jī)理和主導(dǎo)因素，建立詳細(xì)模型并驗(yàn)證理論分析結(jié)果，從而提供改善電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的操作建議。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；清潔能源；電力系統(tǒng)；能源轉(zhuǎn)型；穩(wěn)定運(yùn)行

中圖分類號(hào)：TM73 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2024）20-0119-04

Abstract： The pumped-storage power station plays a crucial role in China's energy transition. It rapidly adjusts its output， reinjecting a major portion of the generated electricity back into the grid， thereby reducing environmental pollution and ensuring a reliable power supply. However， its impact on the dynamic characteristics of the grid requires an in-depth investigation of its operational mechanisms and the proposal of enhancement measures. This study employs a simplified PSASP model to simulate the operation of pumped-storage power sources within the grid， exploring their support for grid inertia， active power， and dynamic reactive power. This paper also analyzes the mechanisms influencing the dynamic characteristics of the grid and establishes a detailed model to validate theoretical analyses， providing operational recommendations to improve the grid's dynamic behavior.

Keywords： pumped-storage power station; clean energy; power system; energy transformation; stable operation

抽水蓄能（以下簡(jiǎn)稱抽蓄）電站是一種高效的儲(chǔ)能技術(shù)，具有啟動(dòng)靈活、調(diào)節(jié)迅速的優(yōu)勢(shì)，是可靠的調(diào)峰和儲(chǔ)能資源。盡管中國(guó)的抽水蓄能電站裝機(jī)容量居世界第一，但占比仍低于發(fā)達(dá)國(guó)家，其在智能電網(wǎng)和清潔能源發(fā)展中的潛力尚待挖掘。抽水蓄能電站與快速響應(yīng)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相互協(xié)作，可平衡風(fēng)能和負(fù)荷波動(dòng)，減少棄風(fēng)，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性[1]。新型系統(tǒng)，如變速抽水蓄能機(jī)組（variable-speed pumped-storage unit， VSPSU）和電網(wǎng)連接的可調(diào)速抽水蓄能機(jī)組（adjustable-speed pumped storage unit， ASPSU）[2]表現(xiàn)出卓越的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)性能，增強(qiáng)了電力系統(tǒng)的靈活性[3-4]。研究這些系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和速度控制對(duì)于優(yōu)化其性能至關(guān)重要[5]。通過(guò)整合風(fēng)能、抽水蓄能、氫儲(chǔ)能，以及應(yīng)用深度學(xué)習(xí)和智能優(yōu)化等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)更高效的能源系統(tǒng)運(yùn)行[6]。此外，由于風(fēng)力渦輪機(jī)的不可預(yù)測(cè)性對(duì)電力系統(tǒng)構(gòu)成挑戰(zhàn)，需要更多的備用和調(diào)頻備用，而抽水蓄能系統(tǒng)可以作為高質(zhì)量的備用供應(yīng)商，有助于減輕備用需求對(duì)可再生能源生產(chǎn)的限制[7]。抽水蓄能機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的發(fā)電調(diào)度計(jì)劃產(chǎn)生重要影響，因此建立了包含安全約束的機(jī)組組合模型，以最優(yōu)化運(yùn)行費(fèi)用和網(wǎng)絡(luò)安全[8]。孫凱祺等[9]提出了適用于抽水蓄能電站與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的多端柔性直流輸電協(xié)同運(yùn)行策略，以減小可再生能源輸出功率波動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)的影響。這些研究和措施有助于推動(dòng)抽水蓄能系統(tǒng)在清潔能源領(lǐng)域的應(yīng)用和性能優(yōu)化。目前，雙饋抽水蓄能裝置模型主要用于電磁暫態(tài)研究，然而，現(xiàn)有模型存在一些不足之處，其中發(fā)電機(jī)模型相對(duì)復(fù)雜，而泵-水輪機(jī)系統(tǒng)模型相對(duì)簡(jiǎn)單。為了克服這些問(wèn)題，Gao等[10]提出了一種全新、高速、高精度的雙饋抽水蓄能裝置模型。井浩然等[11]建立了一種機(jī)電暫態(tài)模型，能夠在發(fā)電和抽水工況之間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，同時(shí)全面考慮了雙饋?zhàn)兯俪樗钅軝C(jī)組多工況運(yùn)行特性。盡管某些地區(qū)的抽水蓄能電站發(fā)展迅速，但西北地區(qū)的規(guī)模仍然較小，需適度擴(kuò)展以滿足電力需求并優(yōu)化布局。特別地，抽水蓄能電站能夠很好地匹配風(fēng)電和太陽(yáng)能，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，提升供電質(zhì)量和電網(wǎng)運(yùn)行水平。然而，地理和環(huán)境因素限制了大型電站的普及，山區(qū)的小型抽水蓄能電站成為解決大規(guī)模棄風(fēng)棄光問(wèn)題的重要途徑。這些電站可以快速平衡電網(wǎng)負(fù)荷，增強(qiáng)新能源消納能力。

本文旨在研究發(fā)電模式下定速抽蓄電源對(duì)電網(wǎng)動(dòng)暫態(tài)特性的影響和改善措施，從而支持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和低碳發(fā)展。在此背景下，探討抽蓄電源對(duì)電網(wǎng)的慣性、有功、動(dòng)態(tài)無(wú)功的支持和調(diào)節(jié)作用，分析電網(wǎng)動(dòng)暫態(tài)特性的機(jī)理，以及潛在的控制措施，從而改善電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，以滿足日益增長(zhǎng)的清潔能源需求。這一研究對(duì)于提升電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，以及保障電網(wǎng)在大負(fù)荷時(shí)段的供電能力和清潔能源的消納能力，具有極其重要的意義。

1 "問(wèn)題描述

本文基于PSASP的電網(wǎng)簡(jiǎn)化模型，在抽蓄電源發(fā)電工況下通過(guò)仿真計(jì)算研究電網(wǎng)中抽蓄電源發(fā)電工況對(duì)電網(wǎng)慣性、有功、動(dòng)態(tài)無(wú)功的支撐/調(diào)節(jié)作用，進(jìn)而分析其對(duì)電網(wǎng)動(dòng)暫態(tài)特性的影響機(jī)理和主導(dǎo)因素，以及改善電網(wǎng)動(dòng)暫態(tài)特性的運(yùn)行控制措施。通過(guò)在PSASP仿真程序中建立電網(wǎng)詳細(xì)模型，對(duì)上述暫態(tài)功角穩(wěn)定的理論定性分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和應(yīng)用，從而得到改善電網(wǎng)動(dòng)暫態(tài)特性的運(yùn)行控制措施。

1.1 "抽蓄機(jī)組簡(jiǎn)介

抽水蓄能電站工程是電網(wǎng)加快構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是電力系統(tǒng)的主要調(diào)節(jié)電源，主要是承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、黑啟動(dòng)、調(diào)頻、調(diào)相和緊急事故備用等任務(wù)。抽蓄電站總裝機(jī)120萬(wàn)kW（4×30萬(wàn)kW），年發(fā)電量13.68億kWh，每年可減少原煤消耗約23.9萬(wàn)t，減少二氧化碳排放59.6萬(wàn)t，助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)。

抽水蓄能電站的可逆式水泵水輪機(jī)作為一種特殊類型的水力機(jī)械，可以在一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向做水輪機(jī)運(yùn)行，即發(fā)電工況，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。雙饋電機(jī)與水泵水輪機(jī)機(jī)械連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)械功率傳動(dòng)。雙饋電機(jī)的定子側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)均能與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換。雙饋電機(jī)的定子側(cè)與電網(wǎng)直接相連，轉(zhuǎn)子側(cè)經(jīng)幅值、相位、頻率均可調(diào)節(jié)的AC/DC/AC三相電壓源變流器（勵(lì)磁電源）與電網(wǎng)相連。變流器僅承擔(dān)轉(zhuǎn)差功率，是雙饋電機(jī)電氣控制的核心，使機(jī)組機(jī)械與電氣之間的剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接，因而機(jī)組具有較快的響應(yīng)速度和變速恒頻運(yùn)行能力。

可逆式水泵水輪機(jī)是目前抽水蓄能電站中最為常用的兩機(jī)式機(jī)組，可作為變速機(jī)組中機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備。傳統(tǒng)抽水蓄能中的可逆式水栗水輪機(jī)在發(fā)電模式下運(yùn)行于活動(dòng)導(dǎo)葉，在電動(dòng)模式下則運(yùn)行于固定導(dǎo)葉，在系統(tǒng)中可以看作一個(gè)固定負(fù)荷，因此常速抽水蓄能電站的運(yùn)行效率低、調(diào)速范圍小。可變速抽水蓄能機(jī)組中的可逆式水泵水輪機(jī)均可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度和轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而能源利用率高、功率調(diào)節(jié)范圍大。

1.2 "抽蓄電源的仿真原理

發(fā)電工況下抽水蓄能電源的運(yùn)行方式如下：新能源配比（10%，50%，80%）×（0～4）臺(tái)抽蓄機(jī)開(kāi)機(jī)為15種運(yùn)行方式；新能源場(chǎng)站出力100％＋抽蓄4機(jī)全開(kāi)方式為1種運(yùn)行方式。其中，①改變新能源場(chǎng)站出力，在原來(lái)整體基礎(chǔ)上設(shè)置100%，80%、50%和10%的配比。②設(shè)置0～4臺(tái)抽蓄電源為開(kāi)機(jī)狀態(tài)，開(kāi)機(jī)機(jī)組設(shè)置為滿功率運(yùn)行狀態(tài)。

為保持電網(wǎng)功率的整體平衡，對(duì)①②條有額外的約束條件

？駐PG+？駐PV+？駐PUC=？駐PLoad+？駐PL，

式中：？駐PG為常規(guī)機(jī)總出力變化；？駐PV為新能源場(chǎng)站總出力變化；？駐PUC為抽蓄機(jī)組開(kāi)機(jī)狀態(tài)變化引起的出力變化；？駐PLoad為負(fù)荷總出力變化；？駐PL為系統(tǒng)有功功率變化量。

1.3 "故障設(shè)置

對(duì)功角穩(wěn)定問(wèn)題，考慮線路故障、變電站故障和直流閉鎖。其中，線路故障、變電站故障按照《2025年底主網(wǎng)220千伏及以上電氣接線圖》中提出的故障標(biāo)識(shí)進(jìn)行故障設(shè)置，變電站故障設(shè)置為母線短路接地故障，支路故障設(shè)置為斷路故障；直流閉鎖考慮吉泉直流雙極閉鎖故障；新能源場(chǎng)站脫網(wǎng)故障的設(shè)置為：當(dāng)開(kāi)始仿真時(shí)間大于1 s后，新能源場(chǎng)站的輸出功率調(diào)整為0。

2 "發(fā)電工況下暫態(tài)功角安全穩(wěn)定計(jì)算結(jié)論及控制措施

發(fā)電工況下，在如1.2節(jié)所示的16種運(yùn)行方式下，設(shè)置線路故障和新能源場(chǎng)站脫網(wǎng)故障以后，系統(tǒng)功角未失穩(wěn)；而發(fā)電工況下直流雙極閉鎖故障則導(dǎo)致功角失穩(wěn)。

由于不同運(yùn)行方式下功角曲線的相似性，本文僅繪制新能源配比為80%、抽蓄開(kāi)機(jī)數(shù)為4的典型運(yùn)行方式，省略其他方式的曲線繪制。上述擾動(dòng)狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的功角曲線如圖2所示。

發(fā)電工況下，在如1.2節(jié)所示的16種運(yùn)行方式下，設(shè)置直流閉鎖故障以后，系統(tǒng)功角失穩(wěn)，抽蓄發(fā)電機(jī)開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)0～4臺(tái)，系統(tǒng)功角均失穩(wěn)。

從圖2繪制的擾動(dòng)響應(yīng)曲線可知，系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性與擾動(dòng)量的幅度相關(guān)。擾動(dòng)量的幅度存在直流閉鎖大于母線故障大于支路故障，短路接地故障大于斷路故障，因而仿真結(jié)果穩(wěn)定性也依次增強(qiáng)，母線故障和支路故障下系統(tǒng)不失穩(wěn)，直流閉鎖會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。母線短路故障造成的攻角擺動(dòng)和電壓波動(dòng)要大于支路斷路故障的攻角擺動(dòng)和電壓波動(dòng)幅度。

抽蓄因本身功率占比不大，其開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)對(duì)系統(tǒng)功角穩(wěn)定性影響較小。同理，在當(dāng)前的新能源場(chǎng)站裝機(jī)水平下，新能源場(chǎng)站配比對(duì)系統(tǒng)功角穩(wěn)定性影響較小。

直流閉鎖故障會(huì)導(dǎo)致發(fā)電廠機(jī)組失穩(wěn)，考慮到直流閉鎖故障時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的潮流不平衡，從區(qū)域潮流平衡的角度設(shè)計(jì)安穩(wěn)措施，先切除失穩(wěn)電廠周邊的發(fā)電機(jī)組，同期切除響應(yīng)速度較快的抽蓄開(kāi)機(jī)機(jī)組。

3 "結(jié)論

系統(tǒng)的功角穩(wěn)定性受到多種因素的影響，包括故障類型、擾動(dòng)幅度、運(yùn)行方式和開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)。從擾動(dòng)響應(yīng)曲線來(lái)看，不同故障情況下的擾動(dòng)幅度直接關(guān)系到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，直流閉鎖引起的擾動(dòng)最大，其次是母線和支路故障，然后是短路接地和斷路故障。開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)和新能源配比對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響較小，因?yàn)槌樾铍娫吹墓β收急容^小。總的來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)穩(wěn)定性是一個(gè)綜合影響因素的結(jié)果，需要根據(jù)具體情況采取相應(yīng)的措施來(lái)確保系統(tǒng)的穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1] LI J H，WANG S，YE L，et al. A coordinated dispatch method with pumped-storage and battery-storage for compensating the variation of wind power[J]. Protection and Control of Modern Power Systems，2018，3（1）：1-14.

[2] MANISH M， ABDELHAMID O， ROB H， et al. Real-time co-simulation of adjustable-speed pumped storage hydro for transient stability analysis[J].Electric Power Systems Research， 2018（154）：276-286.

[3] XU Z H， DENG C H， YANG Q L. Flexibility of variable-speed pumped-storage unit during primary frequency control and corresponding assessment method[J].International Journal of Electrical Power amp; Energy Systems， 2023（145）：108691.

[4] PAN W X， ZHU， LIU T C， et al. Optimal control for speed governing system of on-grid adjustable-speed pumped storage unit aimed at transient performance improvement[J].IEEE Access， 2021（9）：40445-40457.

[5] ZHANG H， GUO P C， SUN L G. Transient analysis of a multi-unit pumped storage system during load rejection process[J]. Renewable Energy，2020（152）：34-43.

[6] WANG J S， YIN X X， LIU Y K， et al. Optimal design of combined operations of wind power-pumped storage-hydrogen energy storage based on deep learning[J].Electric Power Systems Research， 2023（218）：109216.

[7] RAHMATI I， FOROUD A A.Pumped-storage units to address spinning reserve concerns in the grids with high wind penetration[J].Journal of Energy Storage， 2020（31）：101612.1-101612.11.

[8] 盧藝，盧苑，梁俊文，等.含抽水蓄能電網(wǎng)安全約束機(jī)組組合問(wèn)題的混合整數(shù)線性規(guī)劃算法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2019， 47（3）：39-47.

[9] 孫凱祺，李可軍，劉智杰，等.基于柔性直流互聯(lián)的抽水蓄能與可再生能源協(xié)同運(yùn)行策略[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2019，43（8）：41-46.

[10] GAO C Y， YU X Y， NAN H P， et al. A fast high-precision model of the doubly-fed pumped storage unit[J]. Journal of Electrical Engineering amp; Technology， 2021， 16（2）： 797-808.

[11] 井浩然，李佳，趙紅生，等.雙饋?zhàn)兯俪樗钅苋r轉(zhuǎn)換過(guò)程建模與仿真[J].電力建設(shè)，2023（10）：41-50.