含抽水蓄能電源的電網安全穩定運行影響研究

摘 "要：抽水蓄能電站對中國能源轉型至關重要，其可快速調整輸出將大部分電能重新注入電網，降低環境污染并確保可靠電力供應。然而，其也會影響電網動態特性，需要詳細研究作用機理并提出改進措施。該研究用PSASP簡化模型模擬抽蓄電源在電網中的運行情況，探究其對電網慣性、有功、動態無功的支撐作用。分析其影響電網動態特性的機理和主導因素，建立詳細模型并驗證理論分析結果，從而提供改善電網動態特性的操作建議。

關鍵詞：抽水蓄能電站；清潔能源；電力系統；能源轉型；穩定運行

中圖分類號：TM73 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：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（以下簡稱抽蓄）電站是一種高效的儲能技術，具有啟動靈活、調節迅速的優勢，是可靠的調峰和儲能資源。盡管中國的抽水蓄能電站裝機容量居世界第一，但占比仍低于發達國家，其在智能電網和清潔能源發展中的潛力尚待挖掘。抽水蓄能電站與快速響應電池儲能系統相互協作，可平衡風能和負荷波動，減少棄風，提高電力系統穩定性[1]。新型系統，如變速抽水蓄能機組（variable-speed pumped-storage unit， VSPSU）和電網連接的可調速抽水蓄能機組（adjustable-speed pumped storage unit， ASPSU）[2]表現出卓越的響應速度和調節性能，增強了電力系統的靈活性[3-4]。研究這些系統的動態特性和速度控制對于優化其性能至關重要[5]。通過整合風能、抽水蓄能、氫儲能，以及應用深度學習和智能優化等技術，可實現更高效的能源系統運行[6]。此外，由于風力渦輪機的不可預測性對電力系統構成挑戰，需要更多的備用和調頻備用，而抽水蓄能系統可以作為高質量的備用供應商，有助于減輕備用需求對可再生能源生產的限制[7]。抽水蓄能機組對電網的發電調度計劃產生重要影響，因此建立了包含安全約束的機組組合模型，以最優化運行費用和網絡安全[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電系統的多端柔性直流輸電協同運行策略，以減小可再生能源輸出功率波動對電力系統的影響。這些研究和措施有助于推動抽水蓄能系統在清潔能源領域的應用和性能優化。目前，雙饋抽水蓄能裝置模型主要用于電磁暫態研究，然而，現有模型存在一些不足之處，其中發電機模型相對復雜，而泵-水輪機系統模型相對簡單。為了克服這些問題，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]建立了一種機電暫態模型，能夠在發電和抽水工況之間實現平穩轉換，同時全面考慮了雙饋變速抽水蓄能機組多工況運行特性。盡管某些地區的抽水蓄能電站發展迅速，但西北地區的規模仍然較小，需適度擴展以滿足電力需求并優化布局。特別地，抽水蓄能電站能夠很好地匹配風電和太陽能，減少資源浪費和環境污染，提升供電質量和電網運行水平。然而，地理和環境因素限制了大型電站的普及，山區的小型抽水蓄能電站成為解決大規模棄風棄光問題的重要途徑。這些電站可以快速平衡電網負荷，增強新能源消納能力。

本文旨在研究發電模式下定速抽蓄電源對電網動暫態特性的影響和改善措施，從而支持電網的安全穩定運行和低碳發展。在此背景下，探討抽蓄電源對電網的慣性、有功、動態無功的支持和調節作用，分析電網動暫態特性的機理，以及潛在的控制措施，從而改善電網的運行狀況，以滿足日益增長的清潔能源需求。這一研究對于提升電網運行的安全性和經濟性，以及保障電網在大負荷時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 "問題描述

本文基于PSASP的電網簡化模型，在抽蓄電源發電工況下通過仿真計算研究電網中抽蓄電源發電工況對電網慣性、有功、動態無功的支撐/調節作用，進而分析其對電網動暫態特性的影響機理和主導因素，以及改善電網動暫態特性的運行控制措施。通過在PSASP仿真程序中建立電網詳細模型，對上述暫態功角穩定的理論定性分析結果進行驗證和應用，從而得到改善電網動暫態特性的運行控制措施。

1.1 "抽蓄機組簡介

抽水蓄能電站工程是電網加快構建新型電力系統的重要組成部分，也是電力系統的主要調節電源，主要是承擔電網調峰、填谷、黑啟動、調頻、調相和緊急事故備用等任務。抽蓄電站總裝機120萬kW（4×30萬kW），年發電量13.68億kWh，每年可減少原煤消耗約23.9萬t，減少二氧化碳排放59.6萬t，助力實現碳達峰碳中和目標。

抽水蓄能電站的可逆式水泵水輪機作為一種特殊類型的水力機械，可以在一個旋轉方向做水輪機運行，即發電工況，系統結構如圖1所示。雙饋電機與水泵水輪機機械連接，實現機械功率傳動。雙饋電機的定子側和轉子側均能與電網進行能量交換。雙饋電機的定子側與電網直接相連，轉子側經幅值、相位、頻率均可調節的AC/DC/AC三相電壓源變流器（勵磁電源）與電網相連。變流器僅承擔轉差功率，是雙饋電機電氣控制的核心，使機組機械與電氣之間的剛性連接變為柔性連接，因而機組具有較快的響應速度和變速恒頻運行能力。

可逆式水泵水輪機是目前抽水蓄能電站中最為常用的兩機式機組，可作為變速機組中機電能量轉換的核心設備。傳統抽水蓄能中的可逆式水栗水輪機在發電模式下運行于活動導葉，在電動模式下則運行于固定導葉，在系統中可以看作一個固定負荷，因此常速抽水蓄能電站的運行效率低、調速范圍小。可變速抽水蓄能機組中的可逆式水泵水輪機均可根據實際情況對導葉開度和轉速進行調節，因而能源利用率高、功率調節范圍大。

1.2 "抽蓄電源的仿真原理

發電工況下抽水蓄能電源的運行方式如下：新能源配比（10%，50%，80%）×（0～4）臺抽蓄機開機為15種運行方式；新能源場站出力100％＋抽蓄4機全開方式為1種運行方式。其中，①改變新能源場站出力，在原來整體基礎上設置100%，80%、50%和10%的配比。②設置0～4臺抽蓄電源為開機狀態，開機機組設置為滿功率運行狀態。

為保持電網功率的整體平衡，對①②條有額外的約束條件

？駐PG+？駐PV+？駐PUC=？駐PLoad+？駐PL，

式中：？駐PG為常規機總出力變化；？駐PV為新能源場站總出力變化；？駐PUC為抽蓄機組開機狀態變化引起的出力變化；？駐PLoad為負荷總出力變化；？駐PL為系統有功功率變化量。

1.3 "故障設置

對功角穩定問題，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220千伏及以上電氣接線圖》中提出的故障標識進行故障設置，變電站故障設置為母線短路接地故障，支路故障設置為斷路故障；直流閉鎖考慮吉泉直流雙極閉鎖故障；新能源場站脫網故障的設置為：當開始仿真時間大于1 s后，新能源場站的輸出功率調整為0。

2 "發電工況下暫態功角安全穩定計算結論及控制措施

發電工況下，在如1.2節所示的16種運行方式下，設置線路故障和新能源場站脫網故障以后，系統功角未失穩；而發電工況下直流雙極閉鎖故障則導致功角失穩。

由于不同運行方式下功角曲線的相似性，本文僅繪制新能源配比為80%、抽蓄開機數為4的典型運行方式，省略其他方式的曲線繪制。上述擾動狀態下對應的功角曲線如圖2所示。

發電工況下，在如1.2節所示的16種運行方式下，設置直流閉鎖故障以后，系統功角失穩，抽蓄發電機開機臺數0～4臺，系統功角均失穩。

從圖2繪制的擾動響應曲線可知，系統的功角穩定性與擾動量的幅度相關。擾動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，因而仿真結果穩定性也依次增強，母線故障和支路故障下系統不失穩，直流閉鎖會導致系統失穩。母線短路故障造成的攻角擺動和電壓波動要大于支路斷路故障的攻角擺動和電壓波動幅度。

抽蓄因本身功率占比不大，其開機臺數對系統功角穩定性影響較小。同理，在當前的新能源場站裝機水平下，新能源場站配比對系統功角穩定性影響較小。

直流閉鎖故障會導致發電廠機組失穩，考慮到直流閉鎖故障時產生嚴重的潮流不平衡，從區域潮流平衡的角度設計安穩措施，先切除失穩電廠周邊的發電機組，同期切除響應速度較快的抽蓄開機機組。

3 "結論

系統的功角穩定性受到多種因素的影響，包括故障類型、擾動幅度、運行方式和開機臺數。從擾動響應曲線來看，不同故障情況下的擾動幅度直接關系到系統的穩定性，直流閉鎖引起的擾動最大，其次是母線和支路故障，然后是短路接地和斷路故障。開機臺數和新能源配比對系統穩定性的影響較小，因為抽蓄電源的功率占比較小。總的來說，系統穩定性是一個綜合影響因素的結果，需要根據具體情況采取相應的措施來確保系統的穩定。

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