水力短路模式下定速抽水蓄能机组的宽负荷运行特性与稳定性

《Journal of Energy Storage》：Wide-load operating characteristics and stability of fixed-speed pumped storage units under hydraulic short-circuit mode

　　

**摘要** 针对高比例可再生能源并网下固定转速抽水蓄能电站运行范围受限、低负荷调节能力不足的问题，本研究旨在定量分析水力短路（HSC）运行方式的宽负荷调节潜力和瞬态稳定性特征。建立了基于特征线法的液压系统仿真模型，该模型融合了适用于双向流耦合的高阶分岔管道水力建模方法和弱耦合边界重构策略。以一洞两机抽水蓄能电站为研究对象，系统评估了运行范围、等效水惯量时间常数、压力响应和机组稳定性指标。结果表明，在高效率约束下，HSC模式可在低负荷区形成连续高效运行带。与传统运行方式相比，电站净功率调节范围扩大37.34%。在代表性瞬态工况下，HSC运行有效改善了关键系统稳定性指标的极值，提高了液压系统的瞬态安全裕度。研究结果表明，HSC运行可在无需大规模设备改造的前提下增强固定转速抽水蓄能电站的低负荷运行灵活性，并为HSC可行性评估和灵活运行策略优化提供可靠的定量分析方法和理论依据。

**引言** 随着全球能源结构向低碳化转型，可再生能源装机容量持续增长[1]。风能和太阳能发电的波动性和间歇性日益成为制约电力系统安全[2]和稳定运行[3]的关键因素。在此背景下，抽水蓄能电站凭借其大规模储能[4]、快速调节和灵活双向功率调整[5]等优势，被广泛视为促进可再生能源并网[6]、支持电网调峰和调频[7]以及保障系统安全的战略性技术资产。然而，在我国目前投产和在建的抽水蓄能电站中，仍以固定转速机组的两机布局为主[8]。这类机组存在固有局限性，包括运行范围狭窄、功率响应速度慢和运行效率低[9]，越来越难以满足高比例可再生能源电力系统对灵活调节能力的需求。因此，亟需通过技术优化突破固定转速机组的应用瓶颈。

为提升电站调节性能，学术界提出了两个主要优化方向。第一是采用全卷积变速或双馈变速抽水蓄能机组[10]，通过可控转速扩展运行范围并增强调节能力[11]。第二是开发水力短路（HSC）运行方式，通过泵送和发电模式的协调运行实现抽水蓄能电站更灵活的功率调节[12]。与变速机组方案相比，HSC模式具有附加投资成本低和改造难度相对较小等明显优势。根据文献[13]，以常规两机固定转速机组的投资成本为基准，配备变速机组的电站投资成本增加7%至15%，三机配置的电站投资成本增加30%至40%。相比之下，实施水力短路运行的附加成本仅约3%，展现出显著的经济优势。

HSC的核心在于抽水蓄能电站内水泵和涡轮机的并联运行。通过利用涡轮机发电和水泵耗能之间的能量互补，电站可以有效增强对电网负荷波动的灵活调节能力[14]。特别是在高比例可再生能源的孤网中，采用"固定转速机组+HSC"配置可以仅增加少量投资就降低调度成本并提高风能消纳能力，同时投资回报期最短[15]。因此，水力短路运行方式是提升固定转速抽水蓄能电站经济效益和运行灵活性的高潜力解决方案。

国际学术界已对水力短路（HSC）模式开展了多维度研究，主要聚焦于三机系统配置、计算流体力学（CFD）仿真[16]、调频市场[17]、[18]以及经济分析[19]。大多数研究成果源自成熟抽水蓄能电站的案例研究[20]。

关于三机配置，已有工作系统阐述了三机HSC系统的技术优势和关键挑战[21]。已开发出包含HSC状态的动态模型，证实机组在HSC泵送模式下可参与系统调频，降低电网有功功率消耗并实现模式切换而不失同步[14]。此外，在孤立系统中，该配置可显著降低调度成本并增强风能接纳能力[15]。

在CFD方面，相关研究提出了HSC工况下的标准化CFD建模方法和集水池几何优化准则[22]。还比较了不同HSC模式下T型和Y型[23]分岔结构之间的水头损失差异[24]，并建立了涵盖整个液压回路的综合三维非定常CFD仿真框架，以研究机组之间的流体动力耦合机制[25]。

在瞬态响应方面，研究揭示了HSC中连续负荷甩出瞬态过程中液压叠加以传输波为主导的机理[26]，并通过一维瞬态模型识别了异步延迟紧急停机等待关机等关键风险工况[27]。

在经济性方面，已有成果定量表明，抽水蓄能电站仅需约3%的附加投资即可实施HSC运行方式，这可拓宽功率调节范围、增强调频灵活性并显著提高电站收入。研究还开发了适用于各类抽水蓄能配置的通用经济模型[28]、短期调度优化方法[29]以及市场收入分析框架[30]，为HSC模式的市场推广提供了经济可行性支撑。

在调频和系统动态支撑方面，研究验证了HSC可在孤立系统中提供灵活的双向功率调节以满足响应要求[31]。已在商业仿真平台上建立三机HSC系统的动态模型，以量化其调频支撑能力[32]。研究结果表明，HSC可以有效抑制电力系统中的低频振荡[33]。

然而，在我国，大多数抽水蓄能电站仍以两机固定转速机组为主。将HSC运行方式引入此类固定转速电站的理论模型、关键水力特征和运行边界研究仍相对匮乏。特别是在工程可行性、运行优化和安全约束方面存在显著差距。

因此，系统梳理现有HSC技术的发展现状，研究水力短路模式下的宽负荷运行特征和转换过程稳定性，一方面可以为抽水蓄能电站提供更加灵活高效的功率调节方案，从而更好地支持新能源平滑并网和电网稳定运行。另一方面，水力短路模式无需大幅增加投资或建设时间，即可增强现有抽水蓄能电站的调节容量，展现出很强的经济可行性。这对于已投产和规划的抽水蓄能电站以及新型电力系统的安全高效运行具有重要的工程价值和现实意义。

鉴于我国对定速抽水蓄能机组HSC运行的理论建模和系统安全研究明显匮乏，本文提出了一种仿真方法，将分岔管道系统的双向流耦合高阶建模与弱耦合边界动态重构相结合，从而克服了传统特征线法固有的单向流假设。通过液压惯性解耦进一步建立了等效水流惯量时间常数，以表征动态响应特征。本文沿调节容量扩展和瞬态安全验证两条主线展开：首先通过全工况功率-效率分析量化宽范围负荷调节增益和初始响应机理，随后对代表性瞬态条件下压力、转速等安全边界进行对比考察，从而全面评估HSC模式的工程潜力和运行约束。本工作系统揭示了HSC模式在定速机组下的功率扩展规律和瞬态响应特征，为工程可行性评估提供了定量分析支撑。

**HSC运行机理与仿真方法** 为严谨评估水力短路（HSC）运行对抽水蓄能电站灵活性提升和系统稳定性的影响，首先需要明确其内在运行原理，并建立能够准确表征相关复杂流动特征的仿真模型。第2.1节系统介绍了HSC模式的基本运行机理和控制逻辑；第2.2节聚焦于宽范围功率...

**案例研究** 基于上述机理和方法，本节呈现由所建立仿真模型推导的数值仿真结果，重点强调其定量特征。第3.1节简要介绍了仿真系统的水力配置和关键参数，以及代表性工况的选择原则和设定。第3.2节聚焦于水力短路模式的功率扩展特征...

**水力短路运行对机组宽负荷运行灵活性的影响和局限性** 基于案例研究结果，在高效率区域约束下，HSC运行方式在?217.7 MW至41.53 MW范围内形成可连续运行带，贡献了18.49%的高效功率范围份额。以传统运行方式为基准计算，水力短路（HSC）运行使电站高效可调功率范围增加约37.34%，这一新增功率范围主要在...

**结论与展望** 本研究系统研究了抽水蓄能电站的水力短路（HSC）运行方式，特别关注其在宽范围负荷调节场景下增强运行灵活性和维持水-机瞬态稳定性的影响机理。针对HSC模式下同时泵送和发电引起的双向水流和局部水力循环特征，建立了液压系统...

**CRediT作者贡献声明** 王思博：撰写-原始稿，方法论，形式分析，概念构思。张文浩：撰写-原始稿，可视化，验证，调查。陈德子：撰写-审阅与编辑，可视化，数据整理。徐贝贝：撰写-审阅与编辑，项目管理，资金获取。陈迪毅：撰写-审阅与编辑，监督，资源。周叶：撰写-审阅与编辑，监督，资源。李方芳：撰写-审阅与编辑，监督，

**利益冲突声明** 作者声明他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争经济利益或个人关系。

**致谢** 本研究得到国家自然科学基金（批准号52479088、U2340210）和陕西省创新能力支撑计划-青年科技之星（2025ZC-KJXX-10）的支持。

王思博 | 张文浩 | 陈德子 | 徐贝贝 | 陈迪毅 | 周叶 | 李方芳 | 邹军旭
西北农林科技大学海南研究院，三亚，海南，572025，中国