自動電壓控制在抽水蓄能電站應用研究

黃楊梁，邵 霞

（1．江蘇句容抽水蓄能有限公司籌建處，江蘇省句容市 212416；2．華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇省宜興市 214205）

自動電壓控制在抽水蓄能電站應用研究

黃楊梁1，邵 霞2

（1．江蘇句容抽水蓄能有限公司籌建處，江蘇省句容市 212416；2．華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇省宜興市 214205）

近年來，抽水蓄能電站發展迅猛，抽水蓄能電站在穩定系統電壓方面有著優越的性能，因此抽水蓄能電站自動電壓控制（AVC-Automatic Voltage Control）是非常有意義的。本文介紹了宜興抽水蓄能電站一次接線方式、機組運行方式和機組出力能力；根據抽水蓄能機組特性，論述了抽水蓄能機組無功功率出力能力限制。結合抽水蓄能電站的運行工況，探討了其自動電壓控制的基本思想和控制原則。

抽水蓄能電站；自動電壓控制；機組無功；機組有功；電氣模擬量; 母線電壓

0 引言

抽水蓄能電站的出現和發展是電力系統發展的必然結果。隨著經濟的發展，各國對能源的合理開發和有效利用均給予高度的重視。抽水蓄能電站在電力系統中承擔著“削峰填谷”作用，在我國大型火電站，特別是核電站在電網中所占比重越來越大的今天，抽水蓄能電站發揮著越來越重要的作用。它調節電力系統的峰谷負荷變化，與火（核）電配合運行，能節約燃耗，提高火（核）電設備利用率，改善電網供電環境和質量；還可在系統中擔負調頻、調相、事故備用，提高了電網運行的靈活性和可靠性。由于抽水蓄能電站運行方式多變，送受電容量起落大，引起電壓變化較大。根據機組的運行工況，結合系統無功平衡和電壓調節的需求，對電壓進行有效調控，若能充分利用蓄能機組的無功功率調節能力，可保證電壓質量和無功平衡、提高電網可靠性和經濟性。

1 宜興抽水蓄能電站簡介

抽水蓄能電站是一種特殊形式的水電站，電站有上、下兩個水庫，利用電網低谷負荷時的剩余電力由下庫抽水到上庫蓄能，在電網高峰負荷時再放水到下庫發電，以彌補高峰電力不足。因此抽水蓄能電站具有兩大顯著特性：一是它既是發電廠，又是用戶，其填谷作用是其他任何類型發電廠所沒有的；二是啟動迅速，運行靈活、可靠，對負荷的急劇變化可以做出快速反應，除調峰填谷外，還適合承擔調頻、調相、事故備用等任務。

宜興抽水蓄能電站位于江蘇省宜興市西南郊的銅官山，距宜興市中心7km，距上海、無錫分別為200km和75km，處于江蘇省用電負荷中心附近，是一座日調節的純抽水蓄能電站。電站裝機容量1000MW，裝設4臺單機容量為250MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪機—發電電動機組，電站以二回500kV出線接入華東電網和江蘇主架網。

1.1 一次接線形式

宜興抽水蓄能電站以500kV出線輻射接入華東電網和江蘇主網架，2回500kV線路與宜興岷珠變電所連接，電氣距離約8km。

宜興抽水蓄能電站的一次接線形式是比較典型的抽蓄電站接線方法，采用2進2出內橋接線形式，電站發電電動機與變壓器組合方式為單元接線，其間裝設有發電機斷路器和換向隔離開關，每2組機組—變壓器單元在主變壓器500kV側組成聯合單元。

根據500kV開關的具體位置，又分為以下幾種可能的運行方式：

（1）全接線運行方式：500kV分段5012開關在合閘位置，500kV系統合環運行，全廠負荷通過宜珠5220線和宜岷5219線兩回線路送至岷珠變電所；每回線路均能輸出全廠的總容量，一般情況下，500kV線路上沒有穿越功率。

（2）單線運行方式：當宜珠5220線或宜岷5219線因故退出運行時，全廠負荷通過另一回線路送至岷珠變電站。

（3）分段運行方式：當500kV分段5012開關在分閘位置時，將500kV系統分為兩部分，全廠出力通過獨自的兩回線路送至岷珠變電站，即廠內500kV系統解列運行。

1.2 機組運行方式

蓄能機組一般有：發電、抽水、發電調相、抽水調相四種運行工況。

當需要利用蓄能機組進行無功調節時，應盡可能優先采用發電、抽水工況進相或滯相運行方式，若系統不允許發電或抽水時才考慮調相方式。當蓄能機組不發電或抽水的時候，利用蓄能機組作調相運行進行無功調節，實現對電壓的調控，是一種簡便而有效的方法，但是調相運行無疑將增加電能損耗。因此，在系統許可的條件下要盡量減少調相運行時間。為了減少電能損耗，優先選發電調相，發電調相不可用時，才用抽水調相。因此工況轉換的優先級可以從高到低排列：發電/抽水、發電調相、抽水調相。

2 機組無功出力及控制策略

抽水蓄能電站機組除了具有發電工況、抽水工況外，還具有發電調相工況和抽水調相工況。機組在發電、抽水、發電調相、抽水調相四種工況均可以發出無功提高電網電壓；也可以吸收無功降低電網電壓。

2.1 機組無功出力能力

抽水蓄能機組的運行工況有多種形式，但是發電抽水工況不可能同時出現。因此，在一般情況下，抽水蓄能電站只可能運行在發電、發電調相混合運行和抽水、抽水調相混合運行的情況。

根據宜興抽水蓄能電站機組進相、調相試驗的結果，如圖1所示；在發電200MW工況下的無功出力范圍為：-90～+90MVar，在發電250MW的滿發工況下，無功出力范圍為：-70～+120MVar。

抽水蓄能機組正常情況下，抽水工況下的無功調節范圍比發電工況下更小，其中，抽水功率較大的工況下，機組基本沒有無功正向出力的能力。

而發電調相和抽水調相的工況下，機組的無功出力能力一般在-99～+120MVar，因此調相工況下的無功出力能力遠大于發電和抽水工況。一旦出現調相工況，則需要充分利用調相工況的無功出力能力。

抽水工況下，監控系統禁止機組發出正向無功，一般不使用抽水調相工況。而考慮到避免出現環流現象，機組發出無功的方向需要一致，因此，當出現單臺機組的抽水工況時，抽水蓄能電站作為用電負荷，只向電網吸收無功。

2.2 機組無功出力的限制條件

圖1 發電電動機進相范圍

為保證系統安全性，在AVC控制的過程中需要設定全面的閉鎖條件，以防止出現因各類原因（如指令不合適、電氣波動、系統故障等）引起的危害正常運行的電氣量異常現象，并確保裝置在電氣量異常發生時繼續進行調控。

2.2.1 電氣量異常現象分類

根據系統運行經驗，可以將電氣量異常現象分為以下幾種：

（1）電氣模擬量數據過大或者過小：如無功超出設定的 P-Q 曲線，廠用電電壓超出設定的限定警戒值等。

（2）電氣模擬量數據獲取出現異常導致數據明顯不合理：如因通信故障，電壓互感器斷線等引起的數據異常現場。

（3）電氣模擬量數據波動過大：波動過大的原因可能是由于數據通信或采集出現故障，也有可能由于系統發生波動。

（4）電氣模擬量數據之間差距過大，超出合理運行的范圍。

（5）其他開關量異常：如勵磁狀態異常等。

2.2.2 閉鎖及調控措施

針對不同的異常情況，設定不同的閉鎖和調控措施，總體來說主要有以下幾種應對措施：

（1）單向閉鎖：即根據異常情況只閉鎖增磁或者只閉鎖減磁，用以某些單純由于增減磁而引起的電氣量異常現象，如無功、機端電壓、廠用電電壓、母線電壓等越上限或者越下限，越上限時閉鎖增磁命令，越下限時閉鎖減磁命令；單向閉鎖可以在數據恢復正常后自動復歸。

（2）雙向閉鎖：即根據異常情況同時閉鎖增磁和減磁，用以某些難以根據增減磁可以有效判斷和閉鎖的電氣量異常，主要有三類：①機組有功、機端電流等，由于不能單純根據增減磁進行有效控制，一旦其發生越限現象，則需要同時閉鎖增磁和減磁；②數據異常或者明顯不合理，一般用以閉鎖數據通信出現故障時的調控，母線電壓、機端電壓、機端電流、機組有功、機組無功、廠用電電壓等均參與此閉鎖；③數據發生快速異常波動時的雙向閉鎖，母線電壓、機端電壓、機端電流、機組有功、機組無功、廠用電電壓等均參與此閉鎖。雙向閉鎖可以在數據恢復正常后自動復歸。

（3）越限反調：此策略針對具有單向閉鎖功能的部分電氣量，用以某些重要電氣量在閉鎖之后仍由于系統波動而造成的數據嚴重越限情況下向反方向調控，如機組無功、機端電壓、廠用電電壓、母線電壓等，越上反調限時發出減磁命令，越下反調限時發出增磁命令，超出反調限值后開始反調，將電氣量反調至閉鎖限值以下時停止反調。

（4）功能退出：在裝置檢測到嚴重問題或者接收監控信息需要退出AVC功能時，選擇將AVC強制退出，保護系統安全。AVC功能退出不能自動恢復，必須需要人工參與。

2.2.3 電氣量的閉鎖值與反調值

反調限值范圍需要比閉鎖限值大，其差值稱為閉鎖反調死區（ξ），AVC中需要考慮安全約束的電氣量的閉鎖值與反調值之間均需要保留合理的差值，需要與調控死區和調控精度進行配合設置。在對部分電氣量進行越限反調時，需要設置閉鎖與反調的死區，以防反復震蕩調控。

當實測電氣量達到高限邊際時，AVC應保證增磁閉鎖。

當實測電氣量達到低限邊際時，AVC 應保證減磁閉鎖。

當某一臺機組發生電氣量越限閉鎖時，應充分考慮其反調后的無功出力，并將該出力從廠總調控目標無功中刨除后將目標無功分配到其他機組，其他機組按照正常調控策略進行調控，分擔該臺機組的無功缺口。

2.3 機組無功出力的控制方式

華東電網AVC主站與子站間采用高壓母線電壓目標值（增量目標值和絕對目標值兩種）的方式進行指令下發，主站和子站之間以高壓母線為控制界面。而對于子站來說，需要根據主站下發的電壓指令值計算廠內機組所需發的無功，合理計算無功需求是子站跟蹤電壓指令的關鍵步驟，也是機組快速平穩進行無功調節一大影響因素。

由于抽蓄電站一次接線一般采用內橋接線形式，其高壓母線電壓目標值則選取高壓出線電壓互感器的電壓，以兩條出線的電壓作為兩條母線的電壓。考慮到電網系統不斷變化， AVC系統應能根據調整目標值的響應情況實時計算電網系統電抗， 并通過實測母線電壓偏差來估算為消除母線電壓偏差所需注入系統的總無功， 同時計算由各種安全約束條件所確定的各臺發電機組的無功上下限值， 然后將此總無功最優分配給發電機組。

2.3.1 系統電抗及總無功確定

系統電抗采用累積效應的確定方法，在系統中設定一個系統阻抗的初始值，并根據實際調控效果對系統阻抗不斷進行修正，如當前系統阻抗為X，經過一次調節之后，系統阻抗修訂為：

其中α為修正系數，需要根據系統阻抗變化情況進行設置；Qk，Qk-1分別為調整前后全廠總無功出力值；Uk，Uk-1分別為調整前后高壓母線電壓值。

系統電抗確定后，高壓側母線無功目標值計算方法如下：假如當前高壓側母線電壓為Uk，母線上所有機組送入系統的總無功為Qk。要求調節的高壓母線電壓目標值為UT，則需要向系統送出的總無功為QT，則

由于該計算方法計算出的系統阻抗已經包含了機組主變壓器及廠用電的無功消耗，故計算出總無功調節目標值后，扣除不受AVC控制的機組無功出力，就可以將該無功目標值分配到各可調機組進行無功出力的優化。

2.3.2 無功分配到機組原則

為避免頻繁地調節，應設置站內AVC電壓死區ΔV，當┃Vset-Vact┃＜ΔV時，AVC停止進行無功分配。同時計算由各種約束條件確定的各臺發電機組的無功功率上、下限值，然后調節各臺發電機的勵磁調節器，將此總無功功率最優分配給各臺機組。

將計算得到的無功目標值分配到各控制機組時，應遵循以下原則：

（1）考慮獨立控制模式下機組發出的功率后，采取最佳途徑在可控機組間分配要求的無功功率，即全廠總無功減去非可控機組的總無功功率，剩余的無功功率在AVC可控機組間進行分配。

（2）應滿足需求的無功功率設定值。

（3）應考慮發電機P-Q曲線限制。

（4）應考慮機組勵磁系統的調節死區。

（5）應考慮機組運行的安全要求。

3 電站運行的局限性

從電站安全運行的角度考慮，設計上監控系統具有上下庫水位以及頻率異常的保護功能，當檢測到上庫水位高或下庫水位低時，監控系統將發出告警，若無任何干預措施，一定的時間延時后，機組將按一定的時間間隔順序地停止運行在水泵工況的機組；類似的當延時監測到上庫水位低或下庫水位高時，機組將按一定的時間間隔順序地停止運行在發電工況的機組。

同樣地，當檢測到電網頻率高或電網頻率低，監控系統自動執行停發電機組或停水泵機組的功能。

4 結束語

由于抽水蓄能電站能夠定尖峰、填低谷，并有調頻、調相、事故備用等功能，且具有符合跟蹤速度快的特點，抽水蓄能電站自動電壓控制原理符合綜合自動化系統的要求，符合抽水蓄能電站發展趨勢，對電網的經濟性和穩定性有很大的作用。本文通過對抽水蓄能電站運行方式、機組出力能力以及相關的限制條件，總結出如何對抽水蓄能電站AVC設計和無功分配原則，對將來在建的抽水蓄能電站自動電壓控制應用有借鑒意義。

[1] 劉曉波，張毅，趙勇飛．大型抽水蓄能電站自動化控制技術動態跟蹤調研[J]． 中國水力發電工程學會信息化專委會、水電控制設備專委會2014年學術交流會論文集，2014．

[2] 劉曉巍．自動電壓控制在抽水蓄能電站中的應用研究[J]．水電廠自動化，2006（2）．

[3] 張利國．淺談電力系統中電壓無功功率的控制 [J]．廣東電力，2005，18（8）：16-19．

黃楊梁（1982—），男，本科，部門專工，主要研究方向：發電廠自動化控制。Email地址 26102799@qq．com

邵 霞（1985—），女，本科，電氣二次專工， 主要研究方向：發電廠自動化控制。

Automatic Voltage Control in the Application of Pumped Storage Plant

HUANG Yangliang1，SHAO Xia2
（1.Jiangsu Jurong Pumped-storage The Company Established，Jurong 212416，China；2.East China Yixing Pumped Storage Power Co.Ltd., Yixing 214205，China）

In recent years， the rapid development of pumped storage plants，It had made a great role on system voltage stabilization，So Automatic Voltage Control（AVC）has magnificent significance.The paper describes Yixing pumped storage plant an electrical wiring，power plant operation and the output capacity of the unit. According to the characteristics of pumped storage units， the pumped storage unit reactive power capacity limit.Combined with the operation of pumped storage unit，discuses the AVC of the basic ideas and principles of control.

pumped storage plants; automatic voltage control（AVC）;unit reactive power ; unit active;analog electical; bus voltage