含抽水蓄能电源的电网安全稳定运行影响研究

摘 "要：抽水蓄能电站对中国能源转型至关重要，其可快速调整输出将大部分电能重新注入电网，降低环境污染并确保可靠电力供应。然而，其也会影响电网动态特性，需要详细研究作用机理并提出改进措施。该研究用PSASP简化模型模拟抽蓄电源在电网中的运行情况，探究其对电网惯性、有功、动态无功的支撑作用。分析其影响电网动态特性的机理和主导因素，建立详细模型并验证理论分析结果，从而提供改善电网动态特性的操作建议。

关键词：抽水蓄能电站；清洁能源；电力系统；能源转型；稳定运行

中图分类号：TM73 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：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（以下简称抽蓄）电站是一种高效的储能技术，具有启动灵活、调节迅速的优势，是可靠的调峰和储能资源。尽管中国的抽水蓄能电站装机容量居世界第一，但占比仍低于发达国家，其在智能电网和清洁能源发展中的潜力尚待挖掘。抽水蓄能电站与快速响应电池储能系统相互协作，可平衡风能和负荷波动，减少弃风，提高电力系统稳定性[1]。新型系统，如变速抽水蓄能机组（variable-speed pumped-storage unit， VSPSU）和电网连接的可调速抽水蓄能机组（adjustable-speed pumped storage unit， ASPSU）[2]表现出卓越的响应速度和调节性能，增强了电力系统的灵活性[3-4]。研究这些系统的动态特性和速度控制对于优化其性能至关重要[5]。通过整合风能、抽水蓄能、氢储能，以及应用深度学习和智能优化等技术，可实现更高效的能源系统运行[6]。此外，由于风力涡轮机的不可预测性对电力系统构成挑战，需要更多的备用和调频备用，而抽水蓄能系统可以作为高质量的备用供应商，有助于减轻备用需求对可再生能源生产的限制[7]。抽水蓄能机组对电网的发电调度计划产生重要影响，因此建立了包含安全约束的机组组合模型，以最优化运行费用和网络安全[8]。孙凯祺等[9]提出了适用于抽水蓄能电站与可再生能源发电系统的多端柔性直流输电协同运行策略，以减小可再生能源输出功率波动对电力系统的影响。这些研究和措施有助于推动抽水蓄能系统在清洁能源领域的应用和性能优化。目前，双馈抽水蓄能装置模型主要用于电磁暂态研究，然而，现有模型存在一些不足之处，其中发电机模型相对复杂，而泵-水轮机系统模型相对简单。为了克服这些问题，Gao等[10]提出了一种全新、高速、高精度的双馈抽水蓄能装置模型。井浩然等[11]建立了一种机电暂态模型，能够在发电和抽水工况之间实现平稳转换，同时全面考虑了双馈变速抽水蓄能机组多工况运行特性。尽管某些地区的抽水蓄能电站发展迅速，但西北地区的规模仍然较小，需适度扩展以满足电力需求并优化布局。特别地，抽水蓄能电站能够很好地匹配风电和太阳能，减少资源浪费和环境污染，提升供电质量和电网运行水平。然而，地理和环境因素限制了大型电站的普及，山区的小型抽水蓄能电站成为解决大规模弃风弃光问题的重要途径。这些电站可以快速平衡电网负荷，增强新能源消纳能力。

本文旨在研究发电模式下定速抽蓄电源对电网动暂态特性的影响和改善措施，从而支持电网的安全稳定运行和低碳发展。在此背景下，探讨抽蓄电源对电网的惯性、有功、动态无功的支持和调节作用，分析电网动暂态特性的机理，以及潜在的控制措施，从而改善电网的运行状况，以满足日益增长的清洁能源需求。这一研究对于提升电网运行的安全性和经济性，以及保障电网在大负荷时段的供电能力和清洁能源的消纳能力，具有极其重要的意义。

1 "问题描述

本文基于PSASP的电网简化模型，在抽蓄电源发电工况下通过仿真计算研究电网中抽蓄电源发电工况对电网惯性、有功、动态无功的支撑/调节作用，进而分析其对电网动暂态特性的影响机理和主导因素，以及改善电网动暂态特性的运行控制措施。通过在PSASP仿真程序中建立电网详细模型，对上述暂态功角稳定的理论定性分析结果进行验证和应用，从而得到改善电网动暂态特性的运行控制措施。

1.1 "抽蓄机组简介

抽水蓄能电站工程是电网加快构建新型电力系统的重要组成部分，也是电力系统的主要调节电源，主要是承担电网调峰、填谷、黑启动、调频、调相和紧急事故备用等任务。抽蓄电站总装机120万kW（4×30万kW），年发电量13.68亿kWh，每年可减少原煤消耗约23.9万t，减少二氧化碳排放59.6万t，助力实现碳达峰碳中和目标。

抽水蓄能电站的可逆式水泵水轮机作为一种特殊类型的水力机械，可以在一个旋转方向做水轮机运行，即发电工况，系统结构如图1所示。双馈电机与水泵水轮机机械连接，实现机械功率传动。双馈电机的定子侧和转子侧均能与电网进行能量交换。双馈电机的定子侧与电网直接相连，转子侧经幅值、相位、频率均可调节的AC/DC/AC三相电压源变流器（励磁电源）与电网相连。变流器仅承担转差功率，是双馈电机电气控制的核心，使机组机械与电气之间的刚性连接变为柔性连接，因而机组具有较快的响应速度和变速恒频运行能力。

可逆式水泵水轮机是目前抽水蓄能电站中最为常用的两机式机组，可作为变速机组中机电能量转换的核心设备。传统抽水蓄能中的可逆式水栗水轮机在发电模式下运行于活动导叶，在电动模式下则运行于固定导叶，在系统中可以看作一个固定负荷，因此常速抽水蓄能电站的运行效率低、调速范围小。可变速抽水蓄能机组中的可逆式水泵水轮机均可根据实际情况对导叶开度和转速进行调节，因而能源利用率高、功率调节范围大。

1.2 "抽蓄电源的仿真原理

发电工况下抽水蓄能电源的运行方式如下：新能源配比（10%，50%，80%）×（0～4）台抽蓄机开机为15种运行方式；新能源场站出力100％＋抽蓄4机全开方式为1种运行方式。其中，①改变新能源场站出力，在原来整体基础上设置100%，80%、50%和10%的配比。②设置0～4台抽蓄电源为开机状态，开机机组设置为满功率运行状态。

为保持电网功率的整体平衡，对①②条有额外的约束条件

？驻PG+？驻PV+？驻PUC=？驻PLoad+？驻PL，

式中：？驻PG为常规机总出力变化；？驻PV为新能源场站总出力变化；？驻PUC为抽蓄机组开机状态变化引起的出力变化；？驻PLoad为负荷总出力变化；？驻PL为系统有功功率变化量。

1.3 "故障设置

对功角稳定问题，考虑线路故障、变电站故障和直流闭锁。其中，线路故障、变电站故障按照《2025年底主网220千伏及以上电气接线图》中提出的故障标识进行故障设置，变电站故障设置为母线短路接地故障，支路故障设置为断路故障；直流闭锁考虑吉泉直流双极闭锁故障；新能源场站脱网故障的设置为：当开始仿真时间大于1 s后，新能源场站的输出功率调整为0。

2 "发电工况下暂态功角安全稳定计算结论及控制措施

发电工况下，在如1.2节所示的16种运行方式下，设置线路故障和新能源场站脱网故障以后，系统功角未失稳；而发电工况下直流双极闭锁故障则导致功角失稳。

由于不同运行方式下功角曲线的相似性，本文仅绘制新能源配比为80%、抽蓄开机数为4的典型运行方式，省略其他方式的曲线绘制。上述扰动状态下对应的功角曲线如图2所示。

发电工况下，在如1.2节所示的16种运行方式下，设置直流闭锁故障以后，系统功角失稳，抽蓄发电机开机台数0～4台，系统功角均失稳。

从图2绘制的扰动响应曲线可知，系统的功角稳定性与扰动量的幅度相关。扰动量的幅度存在直流闭锁大于母线故障大于支路故障，短路接地故障大于断路故障，因而仿真结果稳定性也依次增强，母线故障和支路故障下系统不失稳，直流闭锁会导致系统失稳。母线短路故障造成的攻角摆动和电压波动要大于支路断路故障的攻角摆动和电压波动幅度。

抽蓄因本身功率占比不大，其开机台数对系统功角稳定性影响较小。同理，在当前的新能源场站装机水平下，新能源场站配比对系统功角稳定性影响较小。

直流闭锁故障会导致发电厂机组失稳，考虑到直流闭锁故障时产生严重的潮流不平衡，从区域潮流平衡的角度设计安稳措施，先切除失稳电厂周边的发电机组，同期切除响应速度较快的抽蓄开机机组。

3 "结论

系统的功角稳定性受到多种因素的影响，包括故障类型、扰动幅度、运行方式和开机台数。从扰动响应曲线来看，不同故障情况下的扰动幅度直接关系到系统的稳定性，直流闭锁引起的扰动最大，其次是母线和支路故障，然后是短路接地和断路故障。开机台数和新能源配比对系统稳定性的影响较小，因为抽蓄电源的功率占比较小。总的来说，系统稳定性是一个综合影响因素的结果，需要根据具体情况采取相应的措施来确保系统的稳定。

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