清遠抽水蓄能機組工況轉(zhuǎn)換與控制方式淺析

楊 帆，彭煜民，季 忠，劉曉波，白劍飛

（1.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020；2.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠抽水蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠 511853；3.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

清遠抽水蓄能機組工況轉(zhuǎn)換與控制方式淺析

楊 帆1，彭煜民2，季 忠1，劉曉波3，白劍飛3

（1.東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020；
2.調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠抽水蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠 511853；
3.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京 100038）

介紹清遠抽水蓄能電站的主要工況狀態(tài)和工況轉(zhuǎn)換，并著重對其中抽水工況的轉(zhuǎn)換及流程進行分析，從而更好的了解抽水蓄能機組的工況轉(zhuǎn)換控制流程。

抽水蓄能；工況轉(zhuǎn)換；流程控制；抽水工況

1 前言

廣東清遠抽水蓄能電站是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站，廠內(nèi)安裝4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機——發(fā)電電動機機組，發(fā)電工況下單機容量320MW，總裝機容量1280MW。額定轉(zhuǎn)速428.6r/min，電站最大毛水頭504.5m。

電站主要任務是調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等。具備有發(fā)電和抽水兩種主要運行方式，在兩種運行方式之間又有多種從一個工況轉(zhuǎn)到另一工況的運行轉(zhuǎn)換方式。為了實現(xiàn)抽水蓄能電站的安全運行，機組工況轉(zhuǎn)換的順序控制就顯得相當重要。本文針對清遠抽水蓄能電站的機組工況轉(zhuǎn)換及控制做一個簡單介紹，并著重介紹抽水工況下的工況轉(zhuǎn)換和控制流程。

2 機組的工況與轉(zhuǎn)換

清遠抽水蓄能機組有停機（S）、旋轉(zhuǎn)備用（SR）、發(fā)電（G）、發(fā)電調(diào)相（GC）、抽水（P）、抽水調(diào)相（PC）等6個穩(wěn)態(tài)，線路充電（LC）、背靠背拖動（L）和黑啟動（BS）等3個暫態(tài)。如圖1所示。

工況轉(zhuǎn)換流程共計18個，工況轉(zhuǎn)換控制程序主要由機組現(xiàn)地控制單元完成，具體轉(zhuǎn)換流程見表1。

從圖1和表1可以看出，機組從停機到發(fā)電的轉(zhuǎn)換流程，必須先經(jīng)過旋轉(zhuǎn)備用工況；機組從停機到抽水的轉(zhuǎn)換流程，必須先經(jīng)過抽水調(diào)相工況。

機組從停機到抽水調(diào)相的轉(zhuǎn)換，有SFC（變頻啟動裝置）和背靠背（BTB）兩種啟動方式，這兩種方式互為備用。跳機流程有快速停機和緊急停機兩種。3個暫態(tài)工況的停機與發(fā)電轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)備用及旋轉(zhuǎn)備用轉(zhuǎn)停機相同。

圖1 機組各工況的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖

表1 工況轉(zhuǎn)換流程

3 工況轉(zhuǎn)換的控制流程

6個穩(wěn)態(tài)和3個暫態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，存在相互的關(guān)聯(lián)、條件和順序。在這些轉(zhuǎn)換中，大部分轉(zhuǎn)換是直接可逆的。發(fā)電和抽水為機組的主要運行工況。

3.1 停機轉(zhuǎn)發(fā)電工況

在抽水蓄能的機組順序控制流程中，停機轉(zhuǎn)發(fā)電的工況轉(zhuǎn)換實際上分成兩個轉(zhuǎn)換過程，一個是停機轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)備用工況，一個是旋轉(zhuǎn)備用轉(zhuǎn)并網(wǎng)發(fā)電工況。旋轉(zhuǎn)備用是在發(fā)電機出口斷路器（GCB）不閉合的情況下，達到以額定轉(zhuǎn)速空載轉(zhuǎn)動，目的是機組達到額定轉(zhuǎn)速及額定電壓，可隨時快速并網(wǎng)，并實現(xiàn)調(diào)節(jié)出力至額定容量的功能，可體現(xiàn)抽蓄機組的快速啟動性。因為發(fā)電工況與常規(guī)機組類似，所以本文著重介紹抽水蓄能特有的抽水工況。

3.2 停機轉(zhuǎn)抽水工況

停機轉(zhuǎn)抽水的工況轉(zhuǎn)換分為兩個轉(zhuǎn)換流程，一個是停機轉(zhuǎn)抽水調(diào)相工況，一個是抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況。停機轉(zhuǎn)抽水調(diào)相工況又分為SFC靜止變頻拖動和機組背靠背拖動兩種啟動方式。在SFC靜止變頻拖動中，通過啟動刀閘，把SFC輸出的啟動電流輸入到被拖動機（被拖動的機組）中；在背靠背拖動中，拖動機通過自身的拖動刀閘和被拖動機的啟動刀閘把啟動電流送到被拖動機。

下面結(jié)合流程圖詳細介紹SFC靜止變頻拖動下的抽水控制流程。

3.2.1 停機至抽水調(diào)相工況（S→PC）

在機組處于停機狀態(tài)時，如果機組接收到需要SFC啟動進行抽水調(diào)相的操作指令，需要判斷SFC模式下抽水調(diào)相的開機準備條件。開機準備條件主要包含：SFC裝置、SFC輸入輸出斷路器、啟動刀閘、啟動母線聯(lián)絡(luò)刀閘和空壓機處于可用狀態(tài)，壓水儲氣罐壓力正常，機組靜止態(tài)機械及電氣準備條件處于正常。

確認滿足SFC模式下的抽水調(diào)相條件后，監(jiān)控系統(tǒng)開始啟動SFC模式下的抽水調(diào)相流程。首先測試直流高頂油泵正常后，啟動各輔機設(shè)備（啟動冷卻水泵、軸承循環(huán)油泵和高頂交流油泵，目的是建立機組的供水回路和供油回路）；在各輔機均已啟動，且水路和油路均已建立后，閉合機組的啟動刀閘和抽水方向隔離開關(guān)，同時將調(diào)速器（打開緊急停機閥和抽水方向模式選擇閥）、勵磁裝置（勵磁操作由SFC裝置來控制）、繼電保護裝置設(shè)定為抽水調(diào)相模式和投入機械制動；打開壓水補氣閥，對轉(zhuǎn)輪室進行充氣壓水控制。此時，閉合SFC的輸入斷路器，同時通過機械制動來防止轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動；在SFC裝置啟動前，退出機械制動；通過啟動SFC裝置經(jīng)由啟動刀閘輸出電流來拖動機組（SFC裝置同時控制勵磁裝置輸出）。當機端電壓達到90%、轉(zhuǎn)速達到95%以上后，開始進行自動同期控制（目的是在與電網(wǎng)并網(wǎng)前，通過同期裝置調(diào)整SFC裝置和勵磁的輸出,保證機組的頻率、電壓和相位與電網(wǎng)相同）。同期條件滿足后，投入GCB，實現(xiàn)機組并網(wǎng)運行。通過監(jiān)控系統(tǒng)操作停止SFC裝置，斷開SFC輸入斷路器和啟動刀閘，當導葉在最小開度和勵磁做無功控制時，機組進入抽水調(diào)相穩(wěn)態(tài)（圖2）。

圖2 停機轉(zhuǎn)抽水調(diào)相工況控制流程圖

3.2.2 抽水調(diào)相至抽水工況（PC→P）

確認機組已在抽水調(diào)相穩(wěn)態(tài)，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出抽水指令。在進行抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況前，先用抽水工況選擇令復歸抽水調(diào)相工況中的調(diào)速器、勵磁和保護模式；導葉全關(guān)，關(guān)閉壓水補氣閥，同時打開排氣閥，釋放轉(zhuǎn)輪室的空氣，讓水完全淹沒轉(zhuǎn)輪，使轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壓力達到抽水模式設(shè)定值；在進水閥全開和排氣閥全關(guān)后，調(diào)速器根據(jù)上下庫的水頭打開并調(diào)節(jié)導葉到穩(wěn)定開度，勵磁做功率因數(shù)一定控制，在機組吸收的有功功率達到設(shè)定值后，機組進入抽水穩(wěn)態(tài)（圖3）。

圖3 抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況控制流程圖

以上即為SFC模式下從停機至抽水調(diào)相，再到抽水工況的控制流程。停機轉(zhuǎn)抽水工況，BTB模式與SFC模式的區(qū)別為，BTB模式需考慮兩臺機之間的拖動和被拖動關(guān)系，及兩臺機間的發(fā)電機出口斷路器、啟動刀閘、拖動刀閘的狀態(tài)和閉鎖關(guān)系。

4 控制流程的特點和完善

上述清遠抽水蓄能電站的發(fā)電工況和抽水工況的控制流程存在如下特點：

（1）機組的啟動、停止及轉(zhuǎn)換是各個設(shè)備邏輯關(guān)聯(lián)性很強的系統(tǒng)控制，采用可編程控制器的順序功能圖來實現(xiàn)。

（2）控制程序采用順序控制，只有在所有操作均得到正確執(zhí)行并反饋使得跨步轉(zhuǎn)換條件滿足后，才能繼續(xù)執(zhí)行下一步，執(zhí)行邏輯控制準確。

（3）順序控制中每一步都設(shè)置了監(jiān)控時間，如果超過監(jiān)控時間仍不滿足跨步條件，則執(zhí)行跳機程序，邏輯控制可靠性高。

（4）系統(tǒng)設(shè)備控制主要采用硬布線邏輯及軟件邏輯兩者結(jié)合實現(xiàn)控制，無論程序執(zhí)行到哪一步，均可在單步和自動之間進行切換，對機組的安全啟動和提高機組的開機成功率十分重要。

（5）系統(tǒng)程序執(zhí)行具有故障診斷功能，在機組啟停失敗時為運行及檢修人員進行故障診斷及事故追述提供了很大的幫助。

抽水蓄能電站主要的運行工況是發(fā)電工況和抽水工況，但僅有上述兩個工況是不夠的，還需要其他一些工況和程序的補充，來提高抽蓄電站的功能和價值。

其中機組的黑啟動（BS）是不可或缺的。所謂黑啟動，是指整個系統(tǒng)因故障停運后，系統(tǒng)全部停電(不排除孤立小電網(wǎng)仍維持運行)，處于全“黑”狀態(tài)，電站可以不依賴別的電網(wǎng)幫助，通過系統(tǒng)中具備自啟動能力的發(fā)電機組啟動，帶動無自啟動能力的發(fā)電機組，逐漸擴大系統(tǒng)恢復范圍，最終實現(xiàn)整個系統(tǒng)供電恢復的過程。控制流程思路主要為以啟動柴油發(fā)電機去帶動10 kV廠用電的Ⅰ段母線或Ⅱ段母線，進而去帶動0.4 kV母線上的設(shè)備及配電恢復供電，從而達到滿足機組啟動的準備條件，進而通過啟動機組來恢復全廠供電系統(tǒng)。

除了黑啟動，線路充電（LC）過程也很重要。線路充電主要是檢驗線路的絕緣強度，試驗兩側(cè)斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器和繼電保護的可靠性。一般采用發(fā)電機側(cè)通過初期起勵30%升壓后采用手動控制方式對線路充電。

5 結(jié)束語

清遠抽水蓄能機組的工況轉(zhuǎn)換與順序控制是緊密聯(lián)系在一起的，無論是發(fā)電工況、抽水工況等各自內(nèi)部的轉(zhuǎn)換，還是抽水轉(zhuǎn)發(fā)電的工況間的轉(zhuǎn)換，都是伴隨著控制流程程序而進行，兩者是相輔相成的。控制流程要保證設(shè)計思路清晰、處理過程實用和修改調(diào)試便捷，同時輔以各種情況下的保護，能極大的保證工況轉(zhuǎn)換的順利進行，實現(xiàn)提高工況轉(zhuǎn)換流程的時效性、完整性和安全性，從而達到滿足抽水蓄能電站和電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻的需求。

[1]陳 堅，徐艷茹，葉淵杰，等.抽水蓄能電站首機首次水泵工況起動分析[J].水力發(fā)電，2009，35（10）：76-78.

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TV743

：B

：1672-5387（2017）03-0044-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.014

2016-10-17

楊 帆（1982-），男，工程師，從事水輪發(fā)電機組的自動化設(shè)計，抽水蓄能水電站和水力試驗臺的全廠設(shè)備的電氣及控制設(shè)計工作。