自动电压控制在抽水蓄能电站应用研究

黄杨梁，邵 霞

（1．江苏句容抽水蓄能有限公司筹建处，江苏省句容市 212416；2．华东宜兴抽水蓄能有限公司，江苏省宜兴市 214205）

自动电压控制在抽水蓄能电站应用研究

黄杨梁1，邵 霞2

（1．江苏句容抽水蓄能有限公司筹建处，江苏省句容市 212416；2．华东宜兴抽水蓄能有限公司，江苏省宜兴市 214205）

近年来，抽水蓄能电站发展迅猛，抽水蓄能电站在稳定系统电压方面有着优越的性能，因此抽水蓄能电站自动电压控制（AVC-Automatic Voltage Control）是非常有意义的。本文介绍了宜兴抽水蓄能电站一次接线方式、机组运行方式和机组出力能力；根据抽水蓄能机组特性，论述了抽水蓄能机组无功功率出力能力限制。结合抽水蓄能电站的运行工况，探讨了其自动电压控制的基本思想和控制原则。

抽水蓄能电站；自动电压控制；机组无功；机组有功；电气模拟量; 母线电压

0 引言

抽水蓄能电站的出现和发展是电力系统发展的必然结果。随着经济的发展，各国对能源的合理开发和有效利用均给予高度的重视。抽水蓄能电站在电力系统中承担着“削峰填谷”作用，在我国大型火电站，特别是核电站在电网中所占比重越来越大的今天，抽水蓄能电站发挥着越来越重要的作用。它调节电力系统的峰谷负荷变化，与火（核）电配合运行，能节约燃耗，提高火（核）电设备利用率，改善电网供电环境和质量；还可在系统中担负调频、调相、事故备用，提高了电网运行的灵活性和可靠性。由于抽水蓄能电站运行方式多变，送受电容量起落大，引起电压变化较大。根据机组的运行工况，结合系统无功平衡和电压调节的需求，对电压进行有效调控，若能充分利用蓄能机组的无功功率调节能力，可保证电压质量和无功平衡、提高电网可靠性和经济性。

1 宜兴抽水蓄能电站简介

抽水蓄能电站是一种特殊形式的水电站，电站有上、下两个水库，利用电网低谷负荷时的剩余电力由下库抽水到上库蓄能，在电网高峰负荷时再放水到下库发电，以弥补高峰电力不足。因此抽水蓄能电站具有两大显著特性：一是它既是发电厂，又是用户，其填谷作用是其他任何类型发电厂所没有的；二是启动迅速，运行灵活、可靠，对负荷的急剧变化可以做出快速反应，除调峰填谷外，还适合承担调频、调相、事故备用等任务。

宜兴抽水蓄能电站位于江苏省宜兴市西南郊的铜官山，距宜兴市中心7km，距上海、无锡分别为200km和75km，处于江苏省用电负荷中心附近，是一座日调节的纯抽水蓄能电站。电站装机容量1000MW，装设4台单机容量为250MW的立轴单级混流可逆式水泵水轮机—发电电动机组，电站以二回500kV出线接入华东电网和江苏主架网。

1.1 一次接线形式

宜兴抽水蓄能电站以500kV出线辐射接入华东电网和江苏主网架，2回500kV线路与宜兴岷珠变电所连接，电气距离约8km。

宜兴抽水蓄能电站的一次接线形式是比较典型的抽蓄电站接线方法，采用2进2出内桥接线形式，电站发电电动机与变压器组合方式为单元接线，其间装设有发电机断路器和换向隔离开关，每2组机组—变压器单元在主变压器500kV侧组成联合单元。

根据500kV开关的具体位置，又分为以下几种可能的运行方式：

（1）全接线运行方式：500kV分段5012开关在合闸位置，500kV系统合环运行，全厂负荷通过宜珠5220线和宜岷5219线两回线路送至岷珠变电所；每回线路均能输出全厂的总容量，一般情况下，500kV线路上没有穿越功率。

（2）单线运行方式：当宜珠5220线或宜岷5219线因故退出运行时，全厂负荷通过另一回线路送至岷珠变电站。

（3）分段运行方式：当500kV分段5012开关在分闸位置时，将500kV系统分为两部分，全厂出力通过独自的两回线路送至岷珠变电站，即厂内500kV系统解列运行。

1.2 机组运行方式

蓄能机组一般有：发电、抽水、发电调相、抽水调相四种运行工况。

当需要利用蓄能机组进行无功调节时，应尽可能优先采用发电、抽水工况进相或滞相运行方式，若系统不允许发电或抽水时才考虑调相方式。当蓄能机组不发电或抽水的时候，利用蓄能机组作调相运行进行无功调节，实现对电压的调控，是一种简便而有效的方法，但是调相运行无疑将增加电能损耗。因此，在系统许可的条件下要尽量减少调相运行时间。为了减少电能损耗，优先选发电调相，发电调相不可用时，才用抽水调相。因此工况转换的优先级可以从高到低排列：发电/抽水、发电调相、抽水调相。

2 机组无功出力及控制策略

抽水蓄能电站机组除了具有发电工况、抽水工况外，还具有发电调相工况和抽水调相工况。机组在发电、抽水、发电调相、抽水调相四种工况均可以发出无功提高电网电压；也可以吸收无功降低电网电压。

2.1 机组无功出力能力

抽水蓄能机组的运行工况有多种形式，但是发电抽水工况不可能同时出现。因此，在一般情况下，抽水蓄能电站只可能运行在发电、发电调相混合运行和抽水、抽水调相混合运行的情况。

根据宜兴抽水蓄能电站机组进相、调相试验的结果，如图1所示；在发电200MW工况下的无功出力范围为：-90～+90MVar，在发电250MW的满发工况下，无功出力范围为：-70～+120MVar。

抽水蓄能机组正常情况下，抽水工况下的无功调节范围比发电工况下更小，其中，抽水功率较大的工况下，机组基本没有无功正向出力的能力。

而发电调相和抽水调相的工况下，机组的无功出力能力一般在-99～+120MVar，因此调相工况下的无功出力能力远大于发电和抽水工况。一旦出现调相工况，则需要充分利用调相工况的无功出力能力。

抽水工况下，监控系统禁止机组发出正向无功，一般不使用抽水调相工况。而考虑到避免出现环流现象，机组发出无功的方向需要一致，因此，当出现单台机组的抽水工况时，抽水蓄能电站作为用电负荷，只向电网吸收无功。

2.2 机组无功出力的限制条件

图1 发电电动机进相范围

为保证系统安全性，在AVC控制的过程中需要设定全面的闭锁条件，以防止出现因各类原因（如指令不合适、电气波动、系统故障等）引起的危害正常运行的电气量异常现象，并确保装置在电气量异常发生时继续进行调控。

2.2.1 电气量异常现象分类

根据系统运行经验，可以将电气量异常现象分为以下几种：

（1）电气模拟量数据过大或者过小：如无功超出设定的 P-Q 曲线，厂用电电压超出设定的限定警戒值等。

（2）电气模拟量数据获取出现异常导致数据明显不合理：如因通信故障，电压互感器断线等引起的数据异常现场。

（3）电气模拟量数据波动过大：波动过大的原因可能是由于数据通信或采集出现故障，也有可能由于系统发生波动。

（4）电气模拟量数据之间差距过大，超出合理运行的范围。

（5）其他开关量异常：如励磁状态异常等。

2.2.2 闭锁及调控措施

针对不同的异常情况，设定不同的闭锁和调控措施，总体来说主要有以下几种应对措施：

（1）单向闭锁：即根据异常情况只闭锁增磁或者只闭锁减磁，用以某些单纯由于增减磁而引起的电气量异常现象，如无功、机端电压、厂用电电压、母线电压等越上限或者越下限，越上限时闭锁增磁命令，越下限时闭锁减磁命令；单向闭锁可以在数据恢复正常后自动复归。

（2）双向闭锁：即根据异常情况同时闭锁增磁和减磁，用以某些难以根据增减磁可以有效判断和闭锁的电气量异常，主要有三类：①机组有功、机端电流等，由于不能单纯根据增减磁进行有效控制，一旦其发生越限现象，则需要同时闭锁增磁和减磁；②数据异常或者明显不合理，一般用以闭锁数据通信出现故障时的调控，母线电压、机端电压、机端电流、机组有功、机组无功、厂用电电压等均参与此闭锁；③数据发生快速异常波动时的双向闭锁，母线电压、机端电压、机端电流、机组有功、机组无功、厂用电电压等均参与此闭锁。双向闭锁可以在数据恢复正常后自动复归。

（3）越限反调：此策略针对具有单向闭锁功能的部分电气量，用以某些重要电气量在闭锁之后仍由于系统波动而造成的数据严重越限情况下向反方向调控，如机组无功、机端电压、厂用电电压、母线电压等，越上反调限时发出减磁命令，越下反调限时发出增磁命令，超出反调限值后开始反调，将电气量反调至闭锁限值以下时停止反调。

（4）功能退出：在装置检测到严重问题或者接收监控信息需要退出AVC功能时，选择将AVC强制退出，保护系统安全。AVC功能退出不能自动恢复，必须需要人工参与。

2.2.3 电气量的闭锁值与反调值

反调限值范围需要比闭锁限值大，其差值称为闭锁反调死区（ξ），AVC中需要考虑安全约束的电气量的闭锁值与反调值之间均需要保留合理的差值，需要与调控死区和调控精度进行配合设置。在对部分电气量进行越限反调时，需要设置闭锁与反调的死区，以防反复震荡调控。

当实测电气量达到高限边际时，AVC应保证增磁闭锁。

当实测电气量达到低限边际时，AVC 应保证减磁闭锁。

当某一台机组发生电气量越限闭锁时，应充分考虑其反调后的无功出力，并将该出力从厂总调控目标无功中刨除后将目标无功分配到其他机组，其他机组按照正常调控策略进行调控，分担该台机组的无功缺口。

2.3 机组无功出力的控制方式

华东电网AVC主站与子站间采用高压母线电压目标值（增量目标值和绝对目标值两种）的方式进行指令下发，主站和子站之间以高压母线为控制界面。而对于子站来说，需要根据主站下发的电压指令值计算厂内机组所需发的无功，合理计算无功需求是子站跟踪电压指令的关键步骤，也是机组快速平稳进行无功调节一大影响因素。

由于抽蓄电站一次接线一般采用内桥接线形式，其高压母线电压目标值则选取高压出线电压互感器的电压，以两条出线的电压作为两条母线的电压。考虑到电网系统不断变化， AVC系统应能根据调整目标值的响应情况实时计算电网系统电抗， 并通过实测母线电压偏差来估算为消除母线电压偏差所需注入系统的总无功， 同时计算由各种安全约束条件所确定的各台发电机组的无功上下限值， 然后将此总无功最优分配给发电机组。

2.3.1 系统电抗及总无功确定

系统电抗采用累积效应的确定方法，在系统中设定一个系统阻抗的初始值，并根据实际调控效果对系统阻抗不断进行修正，如当前系统阻抗为X，经过一次调节之后，系统阻抗修订为：

其中α为修正系数，需要根据系统阻抗变化情况进行设置；Qk，Qk-1分别为调整前后全厂总无功出力值；Uk，Uk-1分别为调整前后高压母线电压值。

系统电抗确定后，高压侧母线无功目标值计算方法如下：假如当前高压侧母线电压为Uk，母线上所有机组送入系统的总无功为Qk。要求调节的高压母线电压目标值为UT，则需要向系统送出的总无功为QT，则

由于该计算方法计算出的系统阻抗已经包含了机组主变压器及厂用电的无功消耗，故计算出总无功调节目标值后，扣除不受AVC控制的机组无功出力，就可以将该无功目标值分配到各可调机组进行无功出力的优化。

2.3.2 无功分配到机组原则

为避免频繁地调节，应设置站内AVC电压死区ΔV，当┃Vset-Vact┃＜ΔV时，AVC停止进行无功分配。同时计算由各种约束条件确定的各台发电机组的无功功率上、下限值，然后调节各台发电机的励磁调节器，将此总无功功率最优分配给各台机组。

将计算得到的无功目标值分配到各控制机组时，应遵循以下原则：

（1）考虑独立控制模式下机组发出的功率后，采取最佳途径在可控机组间分配要求的无功功率，即全厂总无功减去非可控机组的总无功功率，剩余的无功功率在AVC可控机组间进行分配。

（2）应满足需求的无功功率设定值。

（3）应考虑发电机P-Q曲线限制。

（4）应考虑机组励磁系统的调节死区。

（5）应考虑机组运行的安全要求。

3 电站运行的局限性

从电站安全运行的角度考虑，设计上监控系统具有上下库水位以及频率异常的保护功能，当检测到上库水位高或下库水位低时，监控系统将发出告警，若无任何干预措施，一定的时间延时后，机组将按一定的时间间隔顺序地停止运行在水泵工况的机组；类似的当延时监测到上库水位低或下库水位高时，机组将按一定的时间间隔顺序地停止运行在发电工况的机组。

同样地，当检测到电网频率高或电网频率低，监控系统自动执行停发电机组或停水泵机组的功能。

4 结束语

由于抽水蓄能电站能够定尖峰、填低谷，并有调频、调相、事故备用等功能，且具有符合跟踪速度快的特点，抽水蓄能电站自动电压控制原理符合综合自动化系统的要求，符合抽水蓄能电站发展趋势，对电网的经济性和稳定性有很大的作用。本文通过对抽水蓄能电站运行方式、机组出力能力以及相关的限制条件，总结出如何对抽水蓄能电站AVC设计和无功分配原则，对将来在建的抽水蓄能电站自动电压控制应用有借鉴意义。

[1] 刘晓波，张毅，赵勇飞．大型抽水蓄能电站自动化控制技术动态跟踪调研[J]． 中国水力发电工程学会信息化专委会、水电控制设备专委会2014年学术交流会论文集，2014．

[2] 刘晓巍．自动电压控制在抽水蓄能电站中的应用研究[J]．水电厂自动化，2006（2）．

[3] 张利国．浅谈电力系统中电压无功功率的控制 [J]．广东电力，2005，18（8）：16-19．

黄杨梁（1982—），男，本科，部门专工，主要研究方向：发电厂自动化控制。Email地址 26102799@qq．com

邵 霞（1985—），女，本科，电气二次专工， 主要研究方向：发电厂自动化控制。

Automatic Voltage Control in the Application of Pumped Storage Plant

HUANG Yangliang1，SHAO Xia2
（1.Jiangsu Jurong Pumped-storage The Company Established，Jurong 212416，China；2.East China Yixing Pumped Storage Power Co.Ltd., Yixing 214205，China）

In recent years， the rapid development of pumped storage plants，It had made a great role on system voltage stabilization，So Automatic Voltage Control（AVC）has magnificent significance.The paper describes Yixing pumped storage plant an electrical wiring，power plant operation and the output capacity of the unit. According to the characteristics of pumped storage units， the pumped storage unit reactive power capacity limit.Combined with the operation of pumped storage unit，discuses the AVC of the basic ideas and principles of control.

pumped storage plants; automatic voltage control（AVC）;unit reactive power ; unit active;analog electical; bus voltage