全功率变速抽水蓄能机组快速功率模式小信号建模

史华勃; 王渝红; 滕予非; 陈刚; 孙昕炜; 丁理杰

doi:10.7500/AEPS20210524005

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全功率变速抽水蓄能机组快速功率模式小信号建模

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 全功率变速抽水蓄能机组快速功率模式小信号建模
- Small Signal Modeling of Variable-speed Pumped Storage Unit with Full-size Converter in Fast-power Mode
- 电力系统自动化 2022年46卷第4期页码：162-169
- 作者机构：
  
  1.四川大学电气工程学院,四川省成都市 610065
  2.四川蜀能电力有限公司高新分公司,四川省成都市 610041
  3.国网四川省电力公司电力科学研究院,四川省成都市 610041
- 作者简介：
  
  史华勃(1987—)，男，博士研究生，高级工程师，主要研究方向：电力系统分析计算与稳定控制。E-mail：shbo87@163.com
  王渝红(1971—)，女，通信作者，教授，博士生导师，主要研究方向：高压直流输电、电力系统稳定与控制、新能源接入。 E-mail：yuhongwang@scu.edu.cn
  滕予非（1984—），男，博士，教授级高级工程师，主要研究方向：电力系统及其新型输电的分析与控制。E-mail：yfteng2011@163.com
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划资助项目(2018YFB0905200)
- DOI：10.7500/AEPS20210524005
  中图分类号：
- 收稿：2021-05-24，
  
  修回：2021-08-03，
  
  网络出版：2021-10-11，
  
  纸质出版：2022-02-25
- 稿件说明：
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史华勃,王渝红,滕予非等.全功率变速抽水蓄能机组快速功率模式小信号建模[J].电力系统自动化,2022,46(4):162-169.

SHI Huabo,WANG Yuhong,TENG Yufei,et al.Small Signal Modeling of Variable-speed Pumped Storage Unit with Full-size Converter in Fast-power Mode[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(4):162-169.
史华勃,王渝红,滕予非等.全功率变速抽水蓄能机组快速功率模式小信号建模[J].电力系统自动化,2022,46(4):162-169. DOI： 10.7500/AEPS20210524005.

SHI Huabo,WANG Yuhong,TENG Yufei,et al.Small Signal Modeling of Variable-speed Pumped Storage Unit with Full-size Converter in Fast-power Mode[J].Automation of Electric Power Systems,2022,46(4):162-169. DOI： 10.7500/AEPS20210524005.

摘要

小信号建模是全功率变速抽水蓄能机组(FSC-VSPSU)稳定性量化分析与多控制器参数优化的基础。由于变流器响应时间尺度为毫秒级、水轮机系统响应尺度为秒级，因此，采用快速功率模式的抽水蓄能机组在发电状态下的稳定特性在很大程度上受制于水轮机特性。针对常用经典水轮机模型不能准确反映抽水蓄能机组运行特性的问题，提出了计及初始运行工况的改进水轮机小信号模型。该模型可反映水轮机初始运行负荷和水头对稳定特性的影响，且模型参数易于获取。结合发电机、励磁系统、调速系统以及变流器模型，构建了FSC-VSPSU在发电状态下的小信号模型和电磁暂态仿真模型。采用特征值分析方法研究了抽水蓄能机组小信号稳定特性，仿真结果表明抽水蓄能机组存在超低频振荡风险。同时，提取了关键影响因素，进一步给出了调速系统参数整定原则。

Abstract

Small signal modeling is the basis for the quantitative analysis of stability characteristics and multi-controller parameter optimization of variable-speed pumped storage units with full-size converter (FSC-VSPSU). Since the response time scale of frequency converter systems is at millisecond level and that of hydraulic turbine system is at second level

the stability characteristics of the pumped storage unit in fast-power mode and generation state are largely restricted by the hydraulic turbine. Aiming at the problem that the conventional hydraulic turbine model cannot accurately reflect the operation characteristics of the pumped storage units

an improved small signal model for the hydraulic turbine considering the initial operation condition is proposed. It can reflect the influence of the initial operating load and water head of the hydraulic turbine on the stability characteristics

and the model parameters are easy to obtain. Combined with the generator

excitation system

governor system and converter models

the small signal model and electromagnetic transient simulation model of FSC-VSPSU in generation state are constructed. The small signal stability characteristics of the pumped storage unit are studied by eigenvalue analysis method. It is found that the unit has the risk of ultra-low frequency oscillation

and the key factors are extracted. Furthermore

the parameter setting principle of the governor system is given.

关键词

Keywords

references

徐飞，陈磊，金和平，等 . 抽水蓄能电站与风电的联合优化运行建模及应用分析［J］. 电力系统自动化， 2013 ， 37 （ 1 ）： 149 - 154 .

XU Fei ， CHEN Lei ， JIN Heping ， et al . Modeling and application analysis of optimal joint operation of pumped storage power station and wind power ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2013 ， 37 （ 1 ）： 149 - 154 .

李辉，刘海涛，宋二兵，等 . 双馈抽水蓄能机组参与电网调频的改进虚拟惯性控制策略［J］. 电力系统自动化， 2017 ， 41 （ 10 ）： 58 - 65 .

LI Hui ， LIU Haitao ， SONG Erbing ， et al . Improved virtual inertia control strategy of doubly fed pumped storage unit for power network frequency modulation ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2017 ， 41 （ 10 ）： 58 - 65 .

DESINGU K ， SELVARAJ R ， CHELLIAH T R ， et al . Effective utilization of parallel-connected megawatt three-level back-to-back power converters in variable speed pumped storage units ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2019 ， 55 （ 6 ）： 6414 - 6426 .

JOSEPH A ， DESINGU K ， SEMWAL R R ， et al . Dynamic performance of pumping mode of 250 MW variable speed hydro-generating unit subjected to power and control circuit faults ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2018 ， 33 （ 1 ）： 430 - 441 .

CHAZARRA M ， PÉREZ-DÍAZ J I ， GARCÍA-GONZÁLEZ J . Optimal joint energy and secondary regulation reserve hourly scheduling of variable speed pumped storage hydropower plants ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2018 ， 33 （ 1 ）： 103 - 115 .

范博然，王奎，李永东，等 . 基于模块化多电平矩阵变流器的可调速抽水蓄能系统［J］. 电工技术学报， 2018 ， 33 （增刊2 ）： 511 - 518 .

FAN Boran ， WANG Kui ， LI Yongdong ， et al . Adjustable-speed hydraulic pumped storage system based on the modular multilevel matrix converter ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2018 ， 33 （ Supplement 2 ）： 511 - 518 .

LUNG J K ， LU Y ， HUNG W L ， et al . Modeling and dynamic simulations of doubly fed adjustable-speed pumped storage units ［J］. IEEE Transactions on Energy Conversion ， 2007 ， 22 （ 2 ）： 250 - 258 .

ZHAO G P ， ZHAO Q ， REN J Y ， et al . Modelling and control of doubly fed variable-speed pumped storage units for grid power regulation ［J］. The Journal of Engineering ， 2017 （ 13 ）： 745 - 750 .

畅欣，韩民晓，郑超 . 全功率变流器可变速抽水蓄能机组的功率调节特性分析［J］. 电力建设， 2016 ， 37 （ 4 ）： 91 - 97 .

CHANG Xin ， HAN Minxiao ， ZHENG Chao . Power regulation characteristics analysis of variable speed pumped storage with full-size converter ［J］. Electric Power Construction ， 2016 ， 37 （ 4 ）： 91 - 97 .

戴理韬，高剑，黄守道，等 . 变速恒频水力发电技术及其发展［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 24 ）： 169 - 177 .

DAI Litao ， GAO Jian ， HUANG Shoudao ， et al . Variable-speed constant-frequency hydropower generation technology and its development ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 24 ）： 169 - 177 .

贺儒飞，王方，张豪 . 海水可变速抽水蓄能机组技术路线及关键参数选择［J］. 水利水电技术， 2020 ， 51 （增刊2 ）： 184 - 189 .

HE Rufei ， WANG Fang ， ZHANG Hao . Technical route and key parameters selection of seawater variable speed pumped storage units ［J］. Water Resources and Hydropower Engineering ， 2020 ， 51 （ Supplement 2 ）： 184 - 189 .

岳雷，薛安成，李志强，等 . 水轮发电机调速系统对超低频振荡的影响及模型适用性分析［J］. 中国电机工程学报， 2019 ， 39 （ 1 ）： 227 - 235 .

YUE Lei ， XUE Ancheng ， LI Zhiqiang ， et al . Effects on extra-low frequency oscillation caused by hydro generator governor system and model suitability analysis ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2019 ， 39 （ 1 ）： 227 - 235 .

水轮机调节系统建模及参数实测技术导则： DL/T 1800—2018 ［S］. 北京：中国电力出版社， 2018 .

Technical guide for modeling and testing of hydraulic turbine governing system ： DL/T 1800—2018 ［S］. Beijing ： China Electric Power Press ， 2018 .

刘昌玉，何雪松，何凤军，等 . 水电机组原动机及其调节系统精细化建模［J］. 电网技术， 2015 ， 39 （ 1 ）： 230 - 235 .

LIU Changyu ， HE Xuesong ， HE Fengjun ， et al . Refined modeling of hydraulic prime mover and its governing system for hydropower generation unit ［J］. Power System Technology ， 2015 ， 39 （ 1 ）： 230 - 235 .

王方洲，谭甜源，刘开培，等 . 可变速抽蓄机组与直驱风电机组联合运行系统的小信号稳定分析［J］. 电力自动化设备， 2021 ， 41 （ 7 ）： 65 - 72 .

WANG Fangzhou ， TAN Tianyuan ， LIU Kaipei ， et al . Small-signal stability analysis of combined operation system of variable-speed pumped storage unit and direct-drive wind turbine unit ［J］. Electric Power Automation Equipment ， 2021 ， 41 （ 7 ）： 65 - 72 .

CHANG X ， HAN M X ， ZHENG C . Power control analysis for variable speed pumped storage with full-size converter ［C］// IECON 2015-41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society ， November 9-12 ， 2015 ， Yokohama， Japan ： 1327 - 1332 .

衣传宝，梁廷婷，汪卫平，等 . 全功率变速抽水蓄能机组无功优先控制策略研究［J］. 电力电容器与无功补偿， 2021 ， 42 （ 1 ）： 25 - 31 .

YI Chuanbao ， LIANG Tingting ， WANG Weiping ， et al . Study on reactive power priority control strategy of variable speed pumped storage unit with full-sized converter ［J］. Power Capacitor & Reactive Power Compensation ， 2021 ， 42 （ 1 ）： 25 - 31 .

陈超，汪卫平，刘海滨，等 . 全功率变速抽水蓄能机组用于提升电网频率稳定性控制策略研究［J］. 水电与抽水蓄能， 2020 ， 6 （ 5 ）： 68 - 72 .

CHEN Chao ， WANG Weiping ， LIU Haibin ， et al . Study on the control strategy of FSC-VSPS for improving the frequency stability of power grid ［J］. Hydropower and Pumped Storage ， 2020 ， 6 （ 5 ）： 68 - 72 .

徐斌，金龙云，熊健，等 . 抽水蓄能电站全功率变频控制策略［J］. 电力电子技术， 2020 ， 54 （ 7 ）： 33 - 35 .

XU Bin ， JIN Longyun ， XIONG Jian ， et al . Control strategy of full power variable in pumping storage power station ［J］. Power Electronics ， 2020 ， 54 （ 7 ）： 33 - 35 .

YANG Z W ， TANG F ， WU X Z ， et al . Virtual synchronous generator control of variable speed pumped storage hydropower with full-size converter ［C］// 2020 IEEE Power & Energy Society General Meeting （PESGM）， August 2-6 ， 2020 ， Montreal， Canada .

WANG W ， WANG Z Y ， YANG Z W ， et al . Methods of smoothing active power fluctuations of photovoltaic plants using the full size converter based variable speed pumped storage unit ［C］// 2020 IEEE Power & Energy Society General Meeting （PESGM）， August 2-6 ， 2020 ， Montreal， Canada .

赵成勇，袁艺嘉，苑宾，等 . 联接含惯量交流系统的VSC-HVDC系统特性分析［J］. 高电压技术， 2017 ， 43 （ 4 ）： 1095 - 1105 .

ZHAO Chengyong ， YUAN Yijia ， YUAN Bin ， et al . Analysis on characteristics of VSC-HVDC system connected to AC system with inertia ［J］. High Voltage Engineering ， 2017 ， 43 （ 4 ）： 1095 - 1105 .

杨洁，刘开培，余俞，等 . 交流电网互联的双端柔性直流输电系统小信号建模［J］. 中国电机工程学报， 2015 ， 35 （ 9 ）： 2177 - 2184 .

YANG Jie ， LIU Kaipei ， YU Yu ， et al . Small signal modeling for VSC-HVDC used in AC grid interconnection ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2015 ， 35 （ 9 ）： 2177 - 2184 .

邵冰冰，赵书强，高本锋，等 . 多直驱风机经VSC-HVDC并网系统场内/场网次同步振荡特性分析［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 12 ）： 3835 - 3847 .

SHAO Bingbing ， ZHAO Shuqiang ， GAO Benfeng ， et al . Inside-wind-farm/wind-farm-grid sub-synchronous oscillation characteristics analysis in multiple D-PMSGs interfaced with VSC-HVDC system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 12 ）： 3835 - 3847 .

许振宇，石梦璇，周建宇，等 . 基于飞轮储能的网/储协调虚拟同步机控制策略的小信号模型分析［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 20 ）： 6236 - 6248 .

XU Zhenyu ， SHI Mengxuan ， ZHOU Jianyu ， et al . Small signal model analysis of network/storage coordination virtual synchronous generator control based on flywheel energy storage system ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 20 ）： 6236 - 6248 .

KUNDUR P ， BALU N J ， LAUBY M G . Power system stability and control ［M］. New York ： McGraw-Hill ， 1994 .

倪以信，陈寿孙，张宝霖 . 动态电力系统的理论和分析［M］. 北京：清华大学出版社， 2002 .

NI Yixin ， CHEN Shousun ， ZHANG Baolin . Theory and analysis of dynamic power system ［M］. Beijing ： Tsinghua University Press ， 2002 .

中国电力科学研究院 . 电力系统分析综合程序动态元件模型库用户手册［R］. 2010 .

China Electric Power Research Institute . User manual for dynamic component model library of power system analysis and synthesis program ［R］. 2010 .

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