梯级水电站负荷扰动下的运行稳定性机制与调控策略研究

本研究针对梯级水电站(HS-CRR)在可再生能源并网中面临的运行稳定性问题，通过建立THS-CRR数学模型，揭示了水力连接对系统稳定性的影响机制。研究发现调节水库水位波动会通过水力耦合作用削弱下游电站出力稳定性，提出上游电站采用较小调速器参数、下游采用较大参数的优化策略，为多能互补系统中水电调频控制提供了理论支撑。

　　

在全球气候变暖背景下，碳减排已成为国际共识，各国正加速推进以水电、风电、光伏为主的可再生能源并网。然而风光发电的时空不确定性给电网稳定带来严峻挑战，而具有快速调节能力的水电站被视为电网稳定的"压舱石"。特别是在采用超高压直流输电技术的流域梯级开发中，通过小容积调节水库(CRR)串联的水电站群(HS-CRR)成为水电开发的主要形式。但现有研究多聚焦于调度优化，忽视了水力耦合对系统动态稳定性的影响——这种认知空白可能导致控制策略失效，甚至引发机械设备损坏。

针对这一关键问题，江苏某高校的研究团队在《Sustainable Energy Technologies and Assessments》发表了突破性研究。该团队创新性地构建了双站串联系统(THS-CRR)的状态空间模型，通过理论分析与时域仿真相结合，首次系统揭示了水力连接对稳定性的双重作用机制。研究采用的关键技术包括：1)基于状态空间法的THS-CRR数学模型构建；2)孤立水电站(HS-I)与串联系统的稳定性对比分析；3)考虑水头-流量耦合效应的功率输出动态建模；4)调速器参数敏感性实验设计。

【数学建模揭示耦合机制】
研究团队建立了包含上下游水力联系的THS-CRR完整数学模型，通过状态方程量化了调节水库水位波动与下游电站出力的动态关系。模型显示当水位变化与流量变化相位相反时，系统难以维持流量平衡，导致出力振荡。这一发现解释了实际工程中常见的"水力共振"现象。

【稳定性对比实验】
通过对比HS-IO(孤立运行)与THS-CRRO(串联运行)的稳定性边界，发现水力连接会降低系统稳定裕度。特别值得注意的是，上游电站扰动通过调节水库传播时，其影响会被水力耦合放大，这与并联系统(HS-PO)能提升稳定性的传统认知形成鲜明对比。

【参数优化策略】
研究提出颠覆性的调速器参数配置方案：上游电站应采用较小的时间常数(T_p
)和增益系数(K_p
)，以抑制扰动传播；下游电站则需增大这些参数以快速响应负荷变化。仿真表明该策略可使系统稳定域扩大37.6%。

讨论部分指出，该研究首次阐明了HS-CRR的失稳本质是水力-电力双重耦合下的动态失衡，为"西电东送"等工程中梯级水电站的控制器设计提供了理论依据。未来研究可拓展至含风光的多能互补系统稳定性分析。结论强调，在可再生能源占比提升的背景下，理解水力耦合机制对保障电网安全具有重要工程价值，提出的参数选择方法已在国内某流域梯级电站得到验证。