刘振旭
浙江衢江抽水蓄能有限公司 浙江省衢州市 324005
摘要：近些年，随着社会的不断发展和进步，带动了我国各个行业领域的发展。由于抽水蓄能机组抽水调相转为抽水工况后加负荷速度不可控，启停过程中负荷跃变剧烈，孤网期间容易影响电网频率稳定。为着力解决长期以来困扰海南电网“大机小网”下的频率稳定问题以及排查可能存在的安全稳定威胁，文章依据抽水蓄能机组同步机、水轮机及其调速器的数学模型，构建了水轮机调速器环节与同步机转子运动环节的动态反馈线性化模型。通过BPA仿真计算，研究了水轮机调速器动态对抽水蓄能机组的频率稳定性的影响。通过计算海南电网频率稳定性与机组功角稳定性，确定了抽水蓄能机组单机最大容量。该研究为未来海南电网稳定运行、抽水蓄能机组孤网运行提供了可靠的借鉴。
关键词：抽水蓄能电站；孤网运行；频率稳定；功角稳定
引言：
随着电力体制改革的不断推进，电力市场机制逐步引人，电网侧发电机组调度运行模式发生变化，电厂侧运行策略需要做出改变，在市场环境下，在满足电网安全条件的同时，必须提升电厂运行效益。目前，电力市场机制已在欧美国家广泛使用，国内仍处于起步阶段。在电力市场环境下，火电机组以竞价方式上网，可以通过报价，使机组运行在最优工况，获得最大经济效益，但一定程度上会减弱对电网调节的能力；风电、光伏仍保证全额消纳，其波动的不确定性增加了电网调节难度；抽水蓄能机组参与调频辅助服务市场，未参与现货市场，可以更充分地发挥其调峰调频作用，保证电网安全，提升经济效益。
1水泵水轮机部分
1.1导叶接力器优化设计
接力器缸采用钢制，活塞及活塞杆采用锻造，导叶及其操作机构通过2个双向作用、开关操作力矩平衡的活塞型接力器操纵，正常运行时，每个接力器传至土建工程上的力应平衡。因接力器为平行同侧布置型式，两接力器同时给油动作时，其中1个接力器将由有杆腔进油而另1个接力器为无杆腔进油，由于接力器的有杆腔与无杆腔受力面积不同造成两接力器动作无法做到同步，接力器的不同步直接引起控制环跳动而破坏控制环的抗磨材料。为避免控制环跳动，根据目前已经运行常规机组和抽蓄机组实际运行状况分析，活塞单支撑的接力器同侧布置的机组均发生不同程度控制环抗磨材料损坏，在抽蓄相关技术人员建议下，接力器采用活塞杆双支撑，开启、关闭导叶时作用力一致的结构型式（如图1所示）。
.png)
图1 接力器装配图
1.2水泵水轮机转轮水力开发
抽蓄电站参数的主要特点是水头变幅适中，Htmax/Htmin=1.14。东方电机在水力开发中结合400m左右水头的仙游、深圳以及丰宁二期和沂蒙电站开发中取得的经验，以丰宁二期、沂蒙水泵水轮机水力模型为基础，借助在超高水头水泵水轮机水力开发中所取得的稳定性成果，进行抽蓄水泵水轮机转轮模型的水力开发，并经过了多轮次水力试验和5+5+16长短叶片方案、9+20方案和9+22方案的比选。从试验结果看，9+20（D927C水力模型）和9+22（D993水力模型）方案中的水泵工况能量特性、水轮机工况能量特性、水泵工况驼峰特性、水泵工况及水轮机工况下各部位压力脉动和水轮机工况S特性等各项指标差异不大，但在同一水平相位共振分析看，9+20方案的相位共振的风险因子为75%，而9+22方案的风险因子为19.5%，低于25%安全线。鉴于目前已经投产9+20方案抽水蓄能电站出现厂房异常振动及水车室异常高分贝噪声等现象，在国内相关水力专家建议下，抽蓄技术人员最终选择水泵水轮机转轮采用9+22方案，即9叶片+22片导叶的方案。
1.3穿心螺杆全绝缘优化设计
近年来，大型水轮发电机定子铁心穿心螺杆绝缘降低引发的发电机事故时有发生，例如河南某抽水蓄能电站在进行发电机开路试验时穿心螺杆绝缘降低出现了定子铁心烧损现象。特别是针对国外发电设备制造采用柔性大型发电机组定子机座技术，带来定子铁心穿心螺杆绝缘破坏的风险较大。穿心螺杆绝缘破坏形成涡流损耗，螺杆和铁心间形成短路回路，产生环流，使定子铁心局部过热，可能导致严重事故。
发电电动机针对穿心螺杆设计方案进一步优化，采用全绝缘结构，在穿心螺杆绝缘末端、绝缘垫片、铁心压板之间的间隙使用绝缘材料进行密封，构成定子铁心和穿心螺杆之间的连续绝缘，确保穿心螺杆与铁心间有可靠绝缘，并有效避免由于灰尘、潮气、油污、杂质等污染造成穿心螺杆绝缘电阻降低现象（如图2所示）。
.png)
图2 穿心螺杆全绝缘结构
2孤网运行方式下单机的最大有功出力分析
为有效应对电网存在的大机小网问题，全网稳控策略中专门制定了孤网运行方式下机组跳闸联切负荷的功能（稳控切除50%+低频切除50%负荷）。因此，针对孤网运行条件下，当单台机组跳闸（不考虑稳控装置动作）时，系统有功功率的最大缺额不应该导致低频减载装置动作。
基于这一研究思路，主要采用共6个模拟场景来确定孤网运行时单机的最大有功出力，详见表1。
.png)
表1机组运行场景
需要说明的是，由于不计调速器的条件是非常严格的，且2节分析表明计及调速器不会恶化系统频率稳定。因此，本章节分析中，以上模拟场景均是基于机组调速器全开的基础上。
2.1孤网大方式运行分析
孤网大方式运行条件下(场景1~场景3)，电网中主要运行机组功角和系统频率曲线，如图3~图5所示。
.png)
图3孤网大方式电网运行曲线（场景1）
由图3可知，当有功出力为500MW的机组跳闸时，频率最低达到49.15Hz左右，未导致低频减载第一轮动作，系统能够保持稳定运行。
.png)
图4孤网大方式电网运行曲线（场景2）
由图4可知，当有功出力为520MW的机组跳闸时，频率最低达到49.10Hz左右，未导致低频减载第一轮动作，系统能够保持稳定运行。但是部分机组的功角曲线出现小幅波动。
.png)
图5孤网大方式电网运行曲线（场景3）
由5可知，当有功出力为550MW的机组跳闸时，频率最低达到49.01Hz左右，将会导致低频减载第一轮动作。同时，部分机组的功角曲线出现大幅波动。
综上所述，在孤网大方式条件下，模拟三个有功功率分别为500MW、520MW和550MW的机组跳机。仿真结果可以得到，在孤网大方式下，单台机组跳闸不导致低频减载装置动作的最大有功出力为500MW，占全网负荷的12.5%。
2.2孤网小方式运行分析
在孤网小方式条件下(场景4~场景5)，电网的主要运行机组功角和系统频率曲线如图6~图7所示。
.png)
由图7可知，当有功出力为455MW机组跳闸时，频率最低达到48.99Hz左右，已导致低频减载第一轮动作。综上所述，在孤网小方式条件下，模拟两个有功功率分别为440MW和455MW的机组跳机。仿真结果可以得到，在孤网小方式下，单台机组跳闸不导致低频减载装置动作的最大有功出力为440MW，占全网负荷的18.3%。
结语
论文依据抽水蓄能机组同步机、水轮机及其调速器的数学模型，构建了水轮机调速器环节与同步机转子运动环节的动态反馈线性化模型。通过BPA软件，分析讨论了水轮机调速器动态对抽水蓄能机组频率稳定性的影响，通过计算电网频率稳定性与机组功角稳定性，确定了抽水蓄能机组单机最大有功出力。基于文中算例，得到如下结论：(1)水轮机调速器动态不会恶化抽蓄机组的频率稳定性。在计及机组调速器全开的条件下，抽水蓄能机组孤网运行时，抽蓄单台水泵启动不会导致电网频率大幅波动，并且低频减载装置也不会发生动作；(2)孤网运行方式下，系统承受的单机跳闸最大有功出力和所占比例成反比；随着负荷水平和机组出力的提高，系统承受的单机跳闸能力降低。在机组调速器全开的条件下，当电网处于孤网运行时，实时控制单台机组的最大有功出力不超过全网统调负荷的10.0%是可行的，并且能够适应多种典型运行方式。下一步主要工作是在现有基础上，研究大规模光伏集中并网后对电网调峰的影响，并结合负荷特性及抽蓄机组、常规机组特性，展开联合优化调度与协调稳定控制策略的相关研究。
参考文献
[1]黄汉昌,张宇,李献,等.海南“大机小网”孤网运行方式下频率特性研究[J].电力科学与技术学报,2016,31(4):188-194.
[2]盛仕昌,张嵩,魏国清,等.“大机小网”核电接入系统安全风险评估与优化[J].中国电力,2016,49(S1):35-39.
[3]钟海权，欧阳宁东，杨培平，等.1000MW水轮发电机喷淋式低损耗推力轴承技术[J].水电与抽水蓄能，2019（01）.
[4]苏文涛.大型混流式水轮机模型内部流动稳定性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.