抽水蓄能電站接入對重慶電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響分析及對策

摘要：抽水蓄能電站（Pumped Storage Power Station，PSPS）可為電網(wǎng)提供更多靈活調(diào)節(jié)能力，但作為一種運(yùn)行工況復(fù)雜多變的大容量機(jī)械儲能也給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來了影響。鑒于此，探究了重慶某PSPS接入對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響及對策。首先介紹了該P(yáng)SPS的運(yùn)行方式和系統(tǒng)仿真計(jì)算環(huán)境;然后對多種可能的極端故障下電網(wǎng)的運(yùn)行失穩(wěn)情況進(jìn)行仿真，并討論了控制措施;最后分析了極端故障后第三道防線安全自動裝置的適應(yīng)性，提出三種改進(jìn)的動作方案。仿真結(jié)果表明，所提應(yīng)對措施可有效解決PSPS接入引起的重慶電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定問題。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站;重慶電網(wǎng);第三道防線;安全自動裝置

中圖分類號：TM76;TM612 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1671-0797（2024）19-0001-06

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.19.001

0 引言

隨著化石能源枯竭和環(huán)境問題凸顯，發(fā)展以風(fēng)電、光伏和水電為代表的清潔能源成為能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型的必然趨勢[1]。由于水電、風(fēng)電、光伏發(fā)電的出力具有強(qiáng)隨機(jī)性，加之不斷攀升的用電負(fù)荷需求，供需強(qiáng)不匹配性迫使以清潔能源為主的新型電力系統(tǒng)對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力提出了更高要求[2]。抽水蓄能電站（Pumped Storage Power Station，PSPS）是目前最經(jīng)濟(jì)、最成熟和最可靠的大型儲能設(shè)施[3]，作為一種清潔、低碳、高效的電網(wǎng)靈活調(diào)節(jié)資源近年來在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界備受關(guān)注[4]。

重慶位于中國的西南地區(qū)，地勢多山，擁有豐富的水電資源[5]。這些河（江流）在地勢多山的地區(qū)形成了眾多的河谷和峽谷，為PSPS建設(shè)提供了理想的地理?xiàng)l件。另一方面，重慶電網(wǎng)是西南電網(wǎng)的重要組成部分，通過交流聯(lián)絡(luò)線與四川電網(wǎng)相連，通過渝鄂直流與湖北電網(wǎng)異步連接，在與外界電力交換過程中主要處于受電狀態(tài)，屬于典型的受端電網(wǎng)[6]。根據(jù)重慶電網(wǎng)電力系統(tǒng)平衡分析結(jié)果，“十四五”后重慶電網(wǎng)存在較大的電力缺口和調(diào)峰缺口，基于上述考慮，重慶電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)首個(gè)500 kV PSPS，利用抽水蓄能的快速靈活調(diào)節(jié)特性，提高電網(wǎng)調(diào)峰能力，緩解電網(wǎng)供電壓力[7]。

穩(wěn)定運(yùn)行是電力系統(tǒng)運(yùn)營的基本要求。盡管PSPS建設(shè)可為電網(wǎng)帶來更多的靈活調(diào)節(jié)能力和清潔電源[8]，但作為一種運(yùn)行工況復(fù)雜多變的大容量機(jī)械儲能，它也將給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來新的問題與挑戰(zhàn)。因此，明晰PSPS接入對重慶電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響具有重要研究意義[9]。

綜合前述，本文探究了PSPS接入對重慶電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的具體影響及對策。以重慶電網(wǎng)所規(guī)劃建設(shè)的500 kV PSPS為研究對象，首先介紹了該P(yáng)SPS的基本運(yùn)行方式和系統(tǒng)仿真環(huán)境，然后仿真分析了多種可能極端故障下該P(yáng)SPS接入對重慶電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，同時(shí)討論了對應(yīng)的控制措施，最后詳細(xì)分析了極端故障后第三道防線安全自動裝置的適應(yīng)性問題，并在此基礎(chǔ)上提出了三種有效的改進(jìn)方案。

1 PSPS運(yùn)行方式與系統(tǒng)仿真環(huán)境

重慶所規(guī)劃建設(shè)的500 kV PSPS擬裝機(jī)4×300 MW機(jī)組。按該P(yáng)SPS總體計(jì)劃投運(yùn)安排，4臺機(jī)組計(jì)劃分別于2023年12月30日、2024年2月29日、2024年4月30日、2024年6月30日投入商業(yè)運(yùn)行。并網(wǎng)方面，PSPS以500 kV電壓等級接入系統(tǒng)，出線1回至500 kV B變電站，出線長度約55 km，具體系統(tǒng)接入方案如圖1所示。下面將具體介紹該P(yáng)SPS的基本運(yùn)行方式與系統(tǒng)仿真模型。

1.1 運(yùn)行方式

重慶該500 kV PSPS具有四種運(yùn)行方式，包括豐大方式、豐小方式、枯大方式以及枯小方式，其具體含義如下。

豐大方式：水庫蓄水量高、電網(wǎng)處于負(fù)荷高峰期，PSPS應(yīng)確保水能充足，以便在需要時(shí)能夠快速放水發(fā)電。豐小方式：水庫蓄水量較少、電網(wǎng)負(fù)荷較低，PSPS只需釋放較少的水量來發(fā)電或通過抽水確保水庫蓄水量不會過低，以備后續(xù)使用需求。枯大方式：水庫蓄水量低、電網(wǎng)負(fù)荷高，滿足電網(wǎng)高負(fù)荷需求時(shí)，PSPS會釋放大量水進(jìn)行發(fā)電，以提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。枯小方式：水庫蓄水量低、電網(wǎng)負(fù)荷較低，與枯大方式類似，PSPS也會釋放較少的水量來發(fā)電，確保水庫儲水量不會過低。

為充分展示該P(yáng)SPS接入對重慶電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響，本研究選取PSPS以豐大方式運(yùn)行進(jìn)行針對性的電網(wǎng)失穩(wěn)仿真分析。

1.2 系統(tǒng)仿真環(huán)境

本研究中，仿真計(jì)算采用PSD電力系統(tǒng)分析軟件，PSPS機(jī)組采用PSD軟件中的考慮阻尼繞組的雙軸模型，即考慮次暫態(tài)過程的“Eq”和“Ed”變化模型。機(jī)組發(fā)電狀態(tài)時(shí)額定有功功率為4×300 MW，無功功率上限145.3 Mvar，額定功率因數(shù)0.9;電動狀態(tài)（即抽水）時(shí)額定有功功率為4×330.12 MW，并能提供一定無功支撐，功率因數(shù)0.975。PSPS發(fā)電狀態(tài)時(shí)計(jì)及調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)的作用，同時(shí)考慮電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）;PSPS抽水狀態(tài)時(shí)不計(jì)調(diào)速系統(tǒng)作用，僅考慮勵(lì)磁系統(tǒng)及PSS。負(fù)荷模型采用40%恒阻抗+60%恒功率的綜合負(fù)荷模型。

2 極端故障下電網(wǎng)失穩(wěn)仿真及控制措施

本節(jié)針對該500 kV PSPS并網(wǎng)接入，在多種可能極端故障情形下對重慶電網(wǎng)的運(yùn)行失穩(wěn)進(jìn)行了詳細(xì)仿真研究，并在此基礎(chǔ)上討論了相應(yīng)的控制措施。

根據(jù)B變電站的主接線圖（圖2），若故障前PSPS地區(qū)QJ-MLY線（簡稱QM線）處于解環(huán)狀態(tài)，則出串后，PSPS、電廠C與B變電站片區(qū)形成孤網(wǎng)，存在孤網(wǎng)頻率電壓穩(wěn)定問題。針對上述出串問題，仿真分析了以下幾種極端故障下的失穩(wěn)情況及控制措施：故障情形1——僅PSPS與2#主變出串;故障情形2——僅C電廠2線與1#主變出串，或僅C電廠1線出串;故障情形3——PSPS與2#主變、C電廠2線與1#主變、C電廠1線均出串。

2.1 故障情形1下失穩(wěn)仿真及控制措施

若B變電站變A線500 kV所在第1串的邊開關(guān)相繼跳開（或一臺檢修另一臺跳開，下同），或一臺檢修時(shí)發(fā)生另一側(cè)母線N-1故障，則PSPS與2#主變出串運(yùn)行。圖3給出了電壓和功角失穩(wěn)仿真結(jié)果，可以看出，PSPS抽水時(shí)造成電壓失穩(wěn)及功角失穩(wěn)，并引起頻率及功率振蕩。

可采取的措施：對于主變過載，可采取故障后切PSPS機(jī)組、切水泵的控制措施;對于PSPS抽水時(shí)的電壓及功角失穩(wěn)，則可采取全切水泵、解列PSPS與B變電站間500 kV線路或跳開B變電站中開關(guān)的控制措施。若故障前PSPS處于開關(guān)檢修狀態(tài)，則可通過預(yù)控PSPS機(jī)組出力、水泵負(fù)荷以使故障后系統(tǒng)保持穩(wěn)定。預(yù)控時(shí)，應(yīng)避免多臺水泵滿負(fù)荷運(yùn)行，否則易引起功角失穩(wěn)。此外，還可提高B變電站片區(qū)220 kV機(jī)組出力，以減小故障后主變過載量。

2.2 故障情形2下失穩(wěn)仿真及控制措施

根據(jù)C電廠滿發(fā)1 320 MW時(shí)（HT、ZBN、BD電站各開一機(jī)）的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，該故障情形下，由于C電廠另一回線未出串，因此故障后系統(tǒng)仍可保持穩(wěn)定，主變不過載。

2.3 故障情形3下失穩(wěn)仿真及控制措施

PSPS與2#主變、C電廠2線與1#主變、C電廠1線均出串，同時(shí)B變電站地區(qū)有孤網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)情況。根據(jù)PSPS、C電廠及B變電站地區(qū)不同開機(jī)及出力，以及QM線解、合環(huán)時(shí)的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分為以下四種場景。

場景1——PSPS發(fā)電、QM線解環(huán)運(yùn)行：該場景下B變電站母線N-1-1后，B變電站地區(qū)孤網(wǎng)頻率高周。可采取的措施：1）切PSPS、C電廠機(jī)組。根據(jù)故障前B變電站主變下網(wǎng)功率與PSPS、C電廠外送總出力的差額，采取切PSPS、C電廠機(jī)組的控制措施，可使頻率恢復(fù)穩(wěn)定。2）跳開出串線路中開關(guān)。該措施后在事故前主變下網(wǎng)較少時(shí)，可使頻率恢復(fù)穩(wěn)定，但若事前主變下網(wǎng)功率較大，則措施后可能造成孤網(wǎng)低周。且B變電站側(cè)中開關(guān)跳開后，電源側(cè)需配合全切機(jī)組，否則會引起出串線路兩端穩(wěn)態(tài)電壓越限。3）預(yù)控+切PSPS。4）預(yù)控出力。5）預(yù)控合環(huán)。

場景2——PSPS發(fā)電、QM線合環(huán)運(yùn)行：該場景下B變電站母線N-1-1后，B變電站地區(qū)有功角失穩(wěn)和QM線過載風(fēng)險(xiǎn)，功角失步振蕩中心位于QM線，B變電站地區(qū)頻率振蕩失穩(wěn)，PSPS電壓穩(wěn)定。為了展示，圖4分別給出了綦馬線兩側(cè)相角差和PSPS頻率偏差變化曲線。可采取的措施：1）切機(jī)。故障后切PSPS、C電廠機(jī)組，可使B變電站地區(qū)功角穩(wěn)定。但功角穩(wěn)定后，QM線仍可能過載，需加切HT、PSPS、C電廠機(jī)組。2）跳開出串線路中開關(guān)。故障后直接跳開出串線路的中開關(guān)，但B變電站地區(qū)機(jī)組仍可能功角失穩(wěn)。B變電站側(cè)中開關(guān)跳開后，電源側(cè)需配合全切機(jī)組，否則會引起出串線路兩端穩(wěn)態(tài)電壓越限。3）預(yù)控+切PSPS，同上述場景1中預(yù)控+切機(jī)措施。4）預(yù)控出力，同上述場景1中預(yù)控合環(huán)措施。

場景3——PSPS抽水、QM線解環(huán)運(yùn)行：該場景下B變電站母線N-1-1后，B變電站地區(qū)有功角及頻率電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)（圖5）。可采取的措施：1）切機(jī)切泵。故障后全切PSPS水泵使孤網(wǎng)功角穩(wěn)定，但仍存在頻率失穩(wěn)問題，需加切C電廠機(jī)組。2）跳開出串線路中開關(guān)。故障后直接跳開出串線路的中開關(guān)，孤網(wǎng)功角穩(wěn)定，但仍存在頻率失穩(wěn)問題。3）nxa87drge+pOnwrQhaTBNhxd5m/8avhWBvr0O1KfmgQ=預(yù)控+切PSPS。母線檢修時(shí)預(yù)控C電廠機(jī)組出力與B變電站主變下網(wǎng)功率相等，故障后全切PSPS，可使孤網(wǎng)頻率保持穩(wěn)定。4）預(yù)控合環(huán)。

場景4——PSPS抽水、QM線合環(huán)運(yùn)行：該場景下B變電站母線N-1-1后，B變電站地區(qū)有功角及頻率電壓失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)（圖6）。可采取的措施：1）切機(jī)切泵。故障后全切PSPS水泵、部分切C電廠使孤網(wǎng)功角穩(wěn)定，但可能造成QM線反方向過載（MLY至QJ）。2）跳開出串線路中開關(guān)。故障后直接跳開出串線路的中開關(guān)，仍可能存在頻率失穩(wěn)問題。3）預(yù)控+切PSPS，同上述場景3中的預(yù)控+切機(jī)措施。4）預(yù)控出力，同上述場景3中的預(yù)控合環(huán)措施。

3 第三道防線安全自動裝置適應(yīng)性分析

3.1 安全自動裝置動作情況分析

結(jié)合前述分析，為保證嚴(yán)重故障后PSPS機(jī)組及水泵的運(yùn)行安全，同時(shí)減小PSPS水泵失步振蕩、低頻低壓問題對電網(wǎng)側(cè)的影響，針對該P(yáng)SPS并網(wǎng)在第三道防線配置了雙重化的失步解列裝置及頻率電壓緊急控制裝置。功能如下：失步解列裝置，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)失步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，解列PSPS至B變電站的500 kV線路。頻率電壓緊急控制裝置，當(dāng)系統(tǒng)低頻低壓時(shí)，分輪次切除水泵。低頻低壓切泵功能僅在機(jī)組電動（即抽水）工況下投入，機(jī)組發(fā)電工況下須退出低頻低壓切泵功能。低頻低壓切泵設(shè)置4輪低頻動作定值和延時(shí)，4輪獨(dú)立計(jì)時(shí)。

不同的故障情況需要采用不同的安全自動裝置動作方案使電網(wǎng)穩(wěn)定。現(xiàn)有動作方案主要圍繞PSPS而設(shè)計(jì)：PSPS失步解列裝置、低頻低壓切泵裝置在PSPS抽水時(shí)能正確動作，動作后PSPS送出線解列、水泵負(fù)荷全切。PSPS發(fā)電時(shí)，失步解列及低頻低壓切泵裝置則不動作。然而，經(jīng)仿真發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有動作方案無法很好地解決電網(wǎng)失穩(wěn)問題，特別是高周失穩(wěn)。

3.2 提出的改進(jìn)方案

考慮現(xiàn)有動作方案的局限性，本研究聯(lián)合B變電站提出了三種改進(jìn)方案，通過仿真分析B變電站500 kV母線N-1-1故障后所在片區(qū)第三道防線動作情況及電網(wǎng)穩(wěn)定情況進(jìn)行驗(yàn)證。

1）改進(jìn)方案一：啟用B變電站地區(qū)高周切機(jī)功能。

針對現(xiàn)有方案存在高周失穩(wěn)的問題，考慮進(jìn)一步啟用B變電站地區(qū)高周切機(jī)功能。通過在PSPS抽水&B變電站孤網(wǎng)狀態(tài)、PSPS抽水&B變電站聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)以及PSPS發(fā)電狀態(tài)的多場景仿真發(fā)現(xiàn)，B變電站地區(qū)穩(wěn)定情況有所提升，但仍存在不能恢復(fù)穩(wěn)定的情形。

PSPS抽水&B變電站孤網(wǎng)狀態(tài)：PSPS解列后孤網(wǎng)高周切機(jī)動作，并在切機(jī)后觸發(fā)孤網(wǎng)低頻減負(fù)荷，隨后系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定。但高周切機(jī)可能在功率缺額較大時(shí)惡化低頻問題，仿真顯示在功率缺額大于20%后，高周切機(jī)觸發(fā)孤網(wǎng)低頻減負(fù)荷，但減負(fù)荷量不足，仍存在低周失穩(wěn)問題。該問題可通過適當(dāng)增加高周切機(jī)延時(shí)，使高周切機(jī)躲過PSPS解列后的頻率短時(shí)回升，以減小切機(jī)量及功率缺額。如圖7所示，當(dāng)高周切機(jī)延時(shí)增加0.5 s，功率缺額30%時(shí)，B變電站能夠保持穩(wěn)定。

PSPS抽水&B變電站聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)：PSPS解列、孤網(wǎng)高周切機(jī)后，B變電站地區(qū)仍存在功角失穩(wěn)、頻率電壓振蕩問題，振蕩中心位于QM線。

PSPS發(fā)電狀態(tài)：PSPS失步解列及低頻低壓切泵裝置不動作，穩(wěn)定結(jié)果與現(xiàn)有方案基本一致，當(dāng)孤網(wǎng)功率缺額大于25%后，存在高周切機(jī)誤動、低頻減負(fù)荷量不足、孤網(wǎng)仍低周失穩(wěn)問題。當(dāng)增加高周切機(jī)延時(shí)0.5 s后，高周切機(jī)仍動作，建議控制功率缺額不大于25%。

2）改進(jìn)方案二：考慮啟用B變電站地區(qū)機(jī)組失步解列功能。

進(jìn)一步，考慮到改進(jìn)方案一在QM線合環(huán)情形仍無法使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定，改進(jìn)方案二考慮啟用B變電站地區(qū)機(jī)組失步解列功能。通過在PSPS抽水&B變電站孤網(wǎng)狀態(tài)、PSPS抽水&B變電站聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)以及PSPS發(fā)電狀態(tài)的多場景仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相比方案一，啟用B變電站地區(qū)電站失步解列功能后，B變電站地區(qū)穩(wěn)定情況基本不變，仍存在不適應(yīng)性：

PSPS抽水&B變電站孤網(wǎng)狀態(tài)：在功率缺額不大于30%、高周切機(jī)延時(shí)1.0 s時(shí)，孤網(wǎng)可保持穩(wěn)定。故障期間BD、ZBN、C電廠失步解列均不動作，HT電廠失步解列功能僅在A水泵負(fù)荷較大時(shí)動作，動作后會觸發(fā)孤網(wǎng)低頻減負(fù)荷，隨后孤網(wǎng)能保持穩(wěn)定。

PSPS抽水&B變電站聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)：PSPS解列后的功角失穩(wěn)、QM線振蕩問題仍然存W81y2PRL+sG7fifrtmgdBmkIpL/Uhr7k2QjYu4mWRqs=在。主要原因?yàn)镃電廠遠(yuǎn)離振蕩中心，其失步解列裝置不滿足動作條件，因此即使其他電廠相繼解列，B變電站地區(qū)功角失穩(wěn)問題仍始終存在。

PSPS發(fā)電狀態(tài)：在孤網(wǎng)功率缺額不大于25%時(shí)，可使系統(tǒng)恢復(fù)暫態(tài)穩(wěn)定（QM線過載問題仍存在），失步解列裝置不會誤動。

3）改進(jìn)方案三：考慮故障后解列QM線，將B變電站轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)進(jìn)行孤網(wǎng)控制。

進(jìn)一步，針對QM線合環(huán)、PSPS抽水情形，前述方案均無法使B變電站地區(qū)保持穩(wěn)定。方案三考慮故障后解列QM線，將B變電站轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)進(jìn)行孤網(wǎng)控制。計(jì)算時(shí)考慮故障后B變電站功率缺額或過剩的情形。對于功率過剩情形，通過仿真發(fā)現(xiàn)當(dāng)控制功率過剩比例不大于25%時(shí)，故障后QM線失步解列裝置、電廠高周切機(jī)裝置動作后可使系統(tǒng)恢復(fù)暫態(tài)穩(wěn)定。對于功率缺額情形，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)B變電站地區(qū)功率缺額比例在一定范圍內(nèi)時(shí)，第三道防線方案可滿足適應(yīng)性要求，具體如下：

QM線解環(huán)狀態(tài)：仿真結(jié)果與方案一相同。PSPS發(fā)電時(shí)，孤網(wǎng)功率缺額需控制在25%以內(nèi)，PSPS抽水時(shí)，孤網(wǎng)功率缺額需控制在30%以內(nèi)，同時(shí)高周切機(jī)延時(shí)按1.0 s考慮，則第三道防線安全自動裝置動作后可保持穩(wěn)定。

QM線合環(huán)狀態(tài)&PSPS抽水：故障后PSPS、QM線均解列，B變電站轉(zhuǎn)為孤網(wǎng)，在孤網(wǎng)功率缺額不大于20%時(shí)，第三道防線安全自動裝置動作后可保持穩(wěn)定。

QM線合環(huán)狀態(tài)&PSPS發(fā)電：QM線失步解列裝置可能誤動引起孤網(wǎng)低頻減負(fù)荷，建議將QM線失步解列電壓定值下調(diào)至0.5 pu，同時(shí)B變電站地區(qū)功率缺額控制在20%以內(nèi)。

4 結(jié)束語

通過仿真分析，本文探究了重慶某500 kV PSPS接入對重慶電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響及對策。主要開展了兩方面研究：1）在多種可能極端故障下仿真分析PSPS接入對重慶電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行（比如功角穩(wěn)定、頻率電壓問題等）的影響，并據(jù)此討論了相應(yīng)控制措施;2）分析了極端故障后PSPS安全自動裝置的難適應(yīng)問題，為避免對網(wǎng)側(cè)的影響，提出了三種有效的改進(jìn)動作方案。總體而言，PSPS的接入可顯著提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，減少電力系統(tǒng)中的不穩(wěn)定因素，但具體不利影響取決于PSPS規(guī)模、位置、技術(shù)特性以及電網(wǎng)的特點(diǎn)和需求。因此，在部署建設(shè)PSPS時(shí)，需要進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)劃和分析，以最大程度實(shí)現(xiàn)其對電網(wǎng)穩(wěn)定性的正面影響。

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收稿日期：2024-05-23

作者簡介：熊治富（1987—），男，重慶人，工程師，從事機(jī)電管理工作。