抽水蓄能机组电动运行方式无功电压控制研究

抽水蓄能机组电动运行方式无功电压控制研究
郝鑫杰，宋述勇，郑惠萍，刘新元，高宏，郝捷
（国网山西省电力公司电力科学研究院，太原030001）
[摘要]抽水蓄能机组具有四象限运行能力，在电网调峰中发挥重要作用。

山西电网配置有4×300MW的西龙池抽蓄机组，为接纳更多的风电，需要西龙池抽水蓄能电站多台机组抽水运行，由此会带来西龙池电站500kV母线电压降低，影响电网安全运行。

本文通过仿真分析和现场试验的手段研究了西龙池电站在3台及以上机组抽水工况下，机组发出无功量对机组安全、电网电压及系统稳定性的影响，给出了机组运行的最优无功值。

[关键词]抽水蓄能电站；调压；无功；抽水运行
[中图分类号]TM761[文献标识码]A[文章编号]1000-3983(2017)02-0056-04
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,Taiyuan030001,China) Abstract: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 the500kV 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.
Key words:pumped storage power plant;voltage adjustment;reactive power;pumping operation
0前言
近年来，山西电网风电装机保持快速增长且风电呈现很强的反调峰性，加之火电机组比例大，冬季又涉及供热等问题，使得新能源消纳问题日益严峻。

为了实现最大量消纳风电，这就需要合理调用西龙池抽水蓄能机组[1-2]。

在负荷低谷风电大发时，根据水位情况安排3台及以上机组抽水，提高风电消纳量。

但是当西龙池电站3台及以上机组同时工作在抽水状态时，500kV母线运行电压水平降低，不利于系统的稳定运行。

由于西龙池抽蓄机组控制系统设置了无功输出限制环节，使得机组运行在抽水工况时，无功输出基本为零，这就导致3台及以上机组抽水运行时，西龙池500kV母线电压低于509kV，不利于系统稳定。

参考文献[3]~[6]从系统的角度给出了抽蓄机组对系统电压的调节作用，但并未涉及稳定方面的研究。

而文献[7]仅探讨了机组调相运行下的动态稳定性。

文献[8]~[9]则研究了抽蓄机组的有功与无功的调节能力。

本文通过仿真分析和现场试验的手段对西龙池机组在抽水工况下的调压能力和稳定性两方面展开研究，调整了抽蓄机组无功输出的限幅值，促使西龙池抽蓄机组即使运行于抽水工况时也能发出无功，提高系统的电压水平和稳定性[10-11]。

1抽水蓄能机组数学模型
西龙池抽水蓄能电站采用可逆式水泵水轮机机组，既可以运行在发电状态也可以运行在电动状态[12-13]，按照抽蓄机组的运行特点，仿真采用的五阶实用模型方程如下：
其中定子电压方程为：
d
a
q
q
d
d
i r
i
X
E
u-
''
+''
=（1）
q
a
d
d
q
q
i r
i
X
E
u-
''
-''
=（2）转子暂态方程为：
其他电机及控制
d d d q fd q
d i X X E E E p T )(0'--'-=''（3）q d q d d d q q
d E p T E i X X E E p T ''+'+'-'-'-=''00)(（4）q q q d d
q i X X E E p T )(0''-'+''-=''''（5）
转子动态方程为：()[]()
1''''''''d d -ω---+-=-=ωD i i q X d X i E qiq E T T T t
T q d d d m e
m J （6）1d d -=δ
ωt
（7）
式中，T d0＂为直轴次暂态开路时间常数，T d0＇为直轴暂态开路时间常数，T q0＂为交轴次暂态开路时间常数，E d ＂为直轴次暂态电势，E q ＂为交轴次暂态电势，E q ＇为交轴暂态电势，ω为转速，T m 为机械转矩，T e 为电磁转矩。

同步电机可以通过调节其励磁系统来调节输出的无功功率，当发电机运行在“过励”状态时，发电机向系统注入无功功率以提升系统电压。

当发电机运行在“欠励”状态时，发电机从系统吸收无功功率以降低系统电压。

本文通过仿真和试验的手段研究西龙池机组运行在欠励和过励两种状态下的调压能力。

2仿真分析
西龙池抽水蓄能电站装设四台300MW 级机组，
机组经500kV 主变压器升压后，通过一回500kV 线路接至忻州500kV 变电站。

图1所示为西龙池机组接入电网示意图。

图1西龙池接入电网示意图
西龙池抽水蓄能电站机组发电工况下额定功率为300MW （功率因数0.9），抽水工况下额定功率为319.6MW(功率因数0.975），额定定子电压18kV ，发电工况下额定定子电流10691A ，抽水工况下额定定子电流10662A,冷却方式为空冷。

机组励磁系统励磁方式为自并励，额定励磁电压为267.8V ，额定励磁电流为2060A 。

与西龙池抽水蓄能电站机组相连的升压变为SSP-360000/500型变压器，额定容量为360MVA ，其变比为515/18kV 。

2.1抽水工况下调压能力仿真研究
本文采用电力系统分析计算软件BPA 建立西龙池机组在抽水工况下的调压能力仿真模型，分别开展零无功及多台机组发出不同无功量的调压能力仿真研究。

2.1.1
零无功状态下的电压曲线
由于控制系统设置了无功输出限幅环节，使得机
组在抽水工况下不能发出无功，在此工况下分别计算出1台、2台、3台、4台机组抽水工况下500kV 西龙池母线电压，绘制曲线如图2所示。

图2不同抽水台数下的电压水平
由图2可知：随着抽水机组台数的增加，西龙池母线电压由1台机组抽水时的521.8kV 降低为4台机组同时抽水时的508kV ，低于电网对系统母线电压的控制要求，同时会引起辅机设备低电压运行甚至跳机，不利于机组及电网的安全稳定运行。

2.1.2
多台机组抽水工况下的调压能力研究
当考虑西龙池运行在3台机组抽水工况时，分别选
取3台机抽水、1台机发无功方式，3台机抽水、2台机发无功方式，3台机抽水、3台机发无功运行方式，绘制出西龙池500kV 母线电压标幺值(基准电压为525kV)
随无功量值的变化情况如图3所示。

图33台机组抽水工况下电压变化曲线
山西电网
西龙池抽蓄电站
500kV
忻州站
500kV
侯村站
1台机组发无功2台机组发无功
3台机组发无功
无功/MV ar
1020304050607080
1.005
1.0000.995
0.9900.9850.9800.9750.970
电压/p .u .
525520515510505500
1
2
3
4
抽水台数/台
电压/k V
从图3可知：西龙池电厂三台机抽水、一台机发无功方式下，发出无功量最大为70MVar ，此时系统500kV 母线电压可由513.4kV 升高到517.3kV 。

试验发电机在电动工况下发出的无功量受发电机额定功率因数0.975的限制。

2台机组发出无功达到70MVar/台时500kV 母线电压提高到521.0kV ，3台机组发出无功达到70MVar/台时500kV 母线电压提高到524.4kV 。

当西龙池电站4台机抽水、1台机发无功，4台机抽水、2台机发无功，4台机抽水、3台机发无功，4台机抽水、4台机发无功方式时，绘制出西龙池500kV 母线电压标幺值随无功量值的变化情况，如图4所示。

图44台机组抽水工况下电压变化曲线
由图4可知：西龙池电厂4台机抽水、1台机发无功
方式下，发出无功量最大为70MVar ，此时系统500kV 母线电压可由508kV 升高到511.99kV 。

试验发电机在抽水工况下发出的无功量受发电机额定功率因数0.975的限制。

2台机组发出无功达到70MVar/台时500kV 母线电压提高到515.88kV ，3台机组发出无功达到70MVar/台时500kV 母线电压提高到519.72kV 。

4台机组发出无功达到70MVar/台时500kV 母线电压提高到523.19kV ，此时机端电压值均接近额定运行电压值。

2.2
抽水工况下暂态稳定分析
机组在故障后，对系统无功支援量的不同直接影
响到系统的功角和电压稳定程度，机组发出无功量的大小受到机组发热、系统绝缘方面的影响，因此需要在机组自身安全约束范围内求解最优无功值。

由抽水工况下电压仿真分析可知：机组受额定功率因数的影响每台机组的最大无功出力为70MVar ，此时的电压运行水平最高且没有超过系统的最高运行电压，不会引起系统绝缘的破坏[14-15]。

所以考虑西龙池抽蓄电站三台机抽水方式，机组无功功率分别为0和210MVar 两种工况下，发生忻侯Ⅰ线三永N-1故障、500kV 忻州主变三永N-1故障以分析系统的稳定性。

2.2.1
忻侯Ⅰ线三永N-1故障
忻侯Ⅰ线三永N-1故障后西龙池2号机组最大功角差和最低电压见表1。

表1
2号机组最大功角差与最低电压
无功/MVar
最大功角差/°
最低母线电压/p.u.
0690.938210620.974增量
-7
+0.036
2.2.2
忻州主变三永N-1故障
忻州主变三永N-1故障后西龙池2号机组最大功
角差和最低电压见表2。

表2
2号机组最大功角差与最低电压表
无功/MVar
最大功角差/°
最低母线电压/pu
0680.947210620.973增量
-6
+0.026
由表1和表2中表征系统稳定的最大功角差和最低母线电压分析可知：西龙池抽蓄电站三台机抽水方式，机组发出无功210MVar 时，对故障后系统提供一定的
无功支持，最大功角差减小，最低母线电压升高，有利于系统的稳定恢复。

从发出无功对功角稳定有益影响的方面考虑要求机组应该尽量多发无功；从发出无功量对系统运行电压水平影响考虑则要求运行电压不能破坏系统的绝缘水平；从机组发无功量对机组发热影响的约束考虑要求机组不能超越额定功率因数运行。

综合以上分析可知：西龙池抽蓄电站三台机抽水方式，受到额定功率因数0.975的约束，可发出无功210MVar ，此时母线电压没有超过系统的最高运行电压550kV 。

从机组发出无功对故障后提供无功支持有利于系统的稳定的影响考虑要求机组发出无功最大。

得出：西龙池抽蓄电站三台机抽水方式，机组发出无功210MVar ，为西龙池水电站抽水工况下无功出力最优值。

进一步分析可知：当西龙池电站四台机组抽水方式，在不超越额定功率因数的情况下要求发出无功最大280MVar ，即为此种工况下的最优无功值。

3试验研究
被试发电机在抽水工况下有功出力为-310MW 工
况下进行试验。

随着机组励磁调节器逐步升高励磁，发电机无功功率从0.3MVar 开始逐步升高并由零无功状态进入发出无功运行状态。

在试验过程中重点关注定子铁心温度、机端电压与电流、励磁电压与电流的变化情况。

本次试验中当机组发出无功至发电机无功
0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.0080.00
4台机组发无功
3台机组发无功
2台机组发无功
1台机组发无功无功/Mvar
1.01001.00000.9900
0.98000.97000.96000.9500电压/p .u .
功率70MVar 时，功率因数达到抽水工况下的额定值，停止试验。

在发电机有功出力-310MW 工况点下的机组发无功试验过程中，西龙池电站500kV 母线电压从515.4kV 升高到518.3kV ，升高了2.9kV ；发电机定子电压由17.19kV 升到18.08kV ，发电机定子电压由额定电压的95.5%升至其额定电压的100.4%；发电机定子电流随机组发出无功量的增加而减小，在发电机无功功率为70.0MVar 降到101890A ；发电机励磁电压由150.2V 升到185.0V ，升高了35.3V ；同时相应的发电机励磁电流由1487A 升到1796A ，升高了309A 。

图5给出了试验数据与仿真数据的对比曲线。

图5试验与仿真结果对比曲线
由图5可知：仿真结果与试验结果基本一致，现场试验验证了仿真分析的正确性。

试验机在有功功率P=-310MW 工况下受机组额定功率因数限制，西龙池抽水蓄能电站2号发电机可发出无功量为70MVar 。

现场试验给出了实测运行数据，为西龙池抽蓄机组抽水工况下发出无功运行提供了试验依据。

4结论
本文通过试验和仿真的手段研究了西龙池电站在3台及以上机组抽水工况下机组的调压能力，得到了如下结论：
（1）在满足机组自身安全约束和电网电压调整的要求下，存在机组稳定运行的最优无功值。

西龙池抽蓄电站3台机抽水方式，210MVar 为西龙池水电站抽水工况下无功出力最优值。

（2）现场试验的结果验证了西龙池抽蓄电站3台机抽水、一台机发无功方式仿真结果的正确性，为西龙池抽蓄机组在抽水工况时发出无功运行提供了试验数据支撑，为山西电网接纳更多的风电提供了保障，也可以为其他新能源装机大省提供参考。

[参考文献]
[1]胡泽春,丁华杰,孔涛.风电-抽水蓄能联合日运行优化调度模型[J].电力系统自动化,2012,(02):36-41+57.[2]陈允鹏.发展抽水蓄能电站是电网调峰和经济运行的选择[J].中国能源,2005,27(8):31-34.
[3]梅祖彦.抽水蓄能发电技术[M].北京:机械工业出版社，2000.
[4]蒋逸静.天荒坪抽水蓄能电站的电压控制[J].华东电力,2001,29(9):8-10.
[5]
陈文,崔一铂,游力,等.抽水蓄能机组不同运行方式对电网电压调节作用的比较[J].水电与新能源,2014(12):76-78.
[6]
Dehdashti A S,Luini J F,Peng Z.Dynamic voltage control by remote voltage regulation for pumped storage plants[J].IEEE transactions on power systems,1988,3(3):1188-1192.
[7]田立军,陆于平,陈珩.抽水蓄能机组调相运行时的
动态稳定性能分析[J].电网技术,1998,22(04):10-12.[8]
Nasir U,Iqbal Z,Rasheed M T,et al.Active and reactive power control of a variable speed pumped storage system[C]//Environment and Electrical Engineering (EEEIC),2015IEEE 15th International Conference on.IEEE,2015:6-11.
[9]
Hsu Y Y ,Su C C.Application of power system stabilizer on a system with pumped storage plant[J].IEEE transactions on power systems,1988,3(1):80-86.[10]孟祥萍,高嬿.电力系统分析[M].北京:高等教育出版社,2010.
[11]刘取.电力系统稳定性及发电机励磁控制[M].中国电力出版社,2007.
[12]汤蕴璆,史乃.电机学[M].北京：机械工业出版社,2007.[13]艾冠霖.抽水蓄能电机抽水工况时进相运行的分析与研究[D].哈尔滨理工大学,2013.
[14]鲁铁成.电力系统过电压[M].北京:水利水电出版社,2009.
[15]
严璋,朱德恒.高电压绝缘技术[M].北京:中国电力出版社,2007.
[收稿日期]2016-10-28
[作者简介]
郝鑫杰（1985-），2012年4月毕业于合肥工业大学电力系统及其自动化专业，硕士，现从事电力系统分析研究及网源协调试验工作，工程师。

审稿人：宫海龙
仿真电压
实测电压
无功/Mvar
10
20
3040
5060
70
80
0.9900.9880.986
0.9840.9820.9800.9780.976
电压/p .u .。