定速抽水蓄能機組工況轉換及控制流程綜述

孫 凱，舒 瓊，薛 峰

［福伊特智能控制（上海）有限公司，上海市 200240］

0 引言

抽水蓄能機組具有起停迅速、反應靈敏以及可應調度要求在短時間內迅速轉換為發(fā)電、抽水或調相等所需工況等特點，在系統(tǒng)電網(wǎng)中承擔調峰、填谷、調頻、調相、事故備用及黑起動等諸多任務，因此日平均起停次數(shù)較多，且工況轉換頻繁。這對于工況轉換的時間、可靠性和控制流程的質量有著嚴格的要求。

近年來，由于采用交流勵磁的可變速抽水蓄能機組具有在抽水工況下也可以通過調節(jié)機組的機械轉速以改變水泵入力，從而擴大水泵水輪機最佳運行范圍，并可參與電網(wǎng)頻率的自動控制等特點，在國內開始小規(guī)模試驗和興建，例如在建的豐寧二期抽水蓄能電站機組等。

但由于變速機組具備自起動這一特有的起動方式，因此工況轉換、控制流程以及相關電氣設備等與定速機組存在不小差異。本文主要基于筆者所參與的數(shù)個抽水蓄能項目的經(jīng)驗等介紹定速機組的工況轉換與控制流程，對變速機組不做涉及。

1 工況簡介

抽水蓄能機組的運行工況，依照相應國家標準以及國內各抽水蓄能電站的實際運行情況，總體來說可以歸納為10種，并簡要羅列如下[1]：

1.1 停機工況

機組處于靜止停機狀態(tài)。

1.2 旋轉熱備工況

機組以發(fā)電工況起動，機組達到額定轉速、電壓達到額定電壓而不并網(wǎng)運行的一種工況，也稱空載工況。

在這種工況下，機組能在最短時間內響應電網(wǎng)的調度，并入電網(wǎng)。

機組在空載工況下的水力特性和振擺情況等決定了在該工況下機組的最長運行時間。

1.3 發(fā)電工況

從上水庫放水流向下水庫，驅動機組水泵水輪機轉輪轉動，將水的勢能轉化為電能的運行狀態(tài)。這也是水電站最為普遍的工況。

1.4 發(fā)電調相工況

轉輪室壓水后轉輪在空氣中旋轉，機組發(fā)電方向并網(wǎng)運行的狀態(tài)。

一般是機組走發(fā)電工況方向直至同期并網(wǎng)，并在機組出口斷路器合上后，關閉導葉和進水閥，執(zhí)行轉輪室壓水流程后，轉換為發(fā)電調相工況運行，從電網(wǎng)吸收少量有功功率，并同時發(fā)出或吸收相應的無功功率，以調節(jié)區(qū)域電網(wǎng)的無功功率及電壓質量。

由于發(fā)電方向下的調相運行不需要變頻起動器或其他機組拖動，消耗較少。若機組處于停機工況時，電網(wǎng)如有調相需求，一般多采用發(fā)電調相工況運行。

國際上也有實例采用靜止變頻器（SFC）將機組由停機工況經(jīng)壓水后拖動至發(fā)電調相工況，主要是避免發(fā)電方向下的轉輪室壓水對于主軸密封的振動影響，本文不予展開。

1.5 抽水工況

機組從下水庫向上水庫抽水，將電能轉化為水的勢能的運行狀態(tài)。

在抽水工況下，若上下庫揚程變化很小，定速抽水蓄能機組從電網(wǎng)吸收的有功功率可視為幾乎不變，一般在電網(wǎng)有填谷的需求時運行。而變速機組從電網(wǎng)吸收的有功功率可調，更具有靈活性。

1.6 抽水調相工況

該工況與發(fā)電調相工況除了運行方向以外，其他基本一致。

由于抽水方向下機組的起動需要SFC或需另一臺機組進行拖動，一般多用于機組運行在抽水工況時電網(wǎng)有調相需求。

1.7 靜止變頻起動

利用SFC，從電網(wǎng)吸收有功功率，通過起動回路驅動機組以發(fā)電或抽水方向起動的方式。

如上文所提及，實際工程應用中，一般多用于抽水方向的機組起動。

1.8 背靠背起動/拖動

背靠背起動是指一臺機組以拖動工況起動，通過起動回路驅動另一臺機組以抽水方向起動的同步起動方式。

背靠背拖動是指機組以背靠背方式起動，拖動機運行在發(fā)電方向并提供變頻電流將被拖動機拖至額定轉速并且并網(wǎng)的一種工況。

背靠背起動方式因為需要占用一臺機組作為拖動機，且電站內的最后一臺機組不能被拖動，從所需增加的設備以及電廠機組可用狀態(tài)的角度來說不是最優(yōu)選擇，但由于受到SFC可靠性和SFC拖動過程中產生的高次諧波等的影響，為保證隨時備用的要求，以往的抽水蓄能電站不得不采用SFC起動為主、背靠背起動為輔的策略，從而不可避免地帶來了高額的拖動設備的投資和繁瑣的電氣閉鎖等問題。

隨著SFC設備的不斷升級完善和對于SFC拖動過程中產生的高次諧波的觀念更改，目前的設計理念是若廠房中機組少于或等于4臺，則仍沿用SFC起動為主、背靠背起動為輔的設計理念，設置至少1臺套SFC和相應的背靠背拖動設備；若機組多于4臺，則設置至少兩套SFC，取消背靠背拖動功能及相應的電氣設備，以節(jié)約投資，簡化設計。[2-3]

1.9 黑起動工況

在廠用電源及外部電網(wǎng)供電消失后，用廠用自備應急電源作為起動電源，用直流系統(tǒng)或備用交流系統(tǒng)整流作為起勵電源，機組以零起升壓方式給主變壓器、線路充電的一種運行狀態(tài)。

當區(qū)域電網(wǎng)因故障自系統(tǒng)解列后，調度將會要求電站以黑起動工況起動機組，分片恢復區(qū)域電網(wǎng)，然后逐步恢復整個電網(wǎng)的供電，在最短時間內使系統(tǒng)恢復帶負荷的能力。

1.10 線路充電工況

電站廠用電源正常時，由機組帶主變壓器、線路以零起升壓方式給主變壓器、線路充電的一種運行方式，與黑起動工況較為相似。

2 工況轉換及流程簡介

參考相關國家標準[1]并結合筆者所參與項目的實際運行要求，本文把工況分為穩(wěn)態(tài)工況、過渡工況及特殊工況。其中，穩(wěn)態(tài)工況包括停機工況、發(fā)電及發(fā)電調相工況、抽水及抽水調相工況。過渡工況則指旋轉熱備工況。特殊工況包括線路充電、黑起動、SFC拖動、背靠背起動及拖動等工況。而機組從其中某一工況到另一工況的過程則稱為工況轉換。

下文將以圖1為例，對于機組的工況轉換及流程控制做逐一介紹。限于篇幅，對于一般性流程不做具體介紹。[4-6]

圖1 工況轉換示意簡圖Figure 1 Mode change diagram

2.1 停機至發(fā)電工況（SR1-G1）

當機組處于停機工況，無事故，且相關設備和條件滿足機組發(fā)電方向運行的要求時，可由調度遠方或電站以自動或手動控制的方式起動機組。

首先由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令，將調速器、勵磁等主要的子系統(tǒng)置為發(fā)電方向，同時需投入或閉鎖相關保護功能。

例如，需在發(fā)電工況下投入發(fā)電機逆功率保護，防止機組在發(fā)電工況時導葉誤關閉，致使機組從電網(wǎng)吸收有功功率。而在抽水或調相等工況下需閉鎖該保護功能。

主要子系統(tǒng)的工況給定后，投入機組輔助系統(tǒng)和技術供水系統(tǒng)，復歸機組的機械制動和主軸檢修密封，然后將換向開關置為發(fā)電方向，打開進水閥的旁通閥或工作密封進行進水閥上下游的平壓，待平壓后開啟進水閥。

為了縮短開機時間，當進水閥開度達到某一定值（如40%，根據(jù)工程經(jīng)驗設定，下文相同）時，即可打開導葉。導葉一般分為兩段開啟，第一段將導葉開度快速開啟至空載開度+10%左右，以使機組轉速快速攀升；當機組轉速上升至75%額定轉速（Nr）時，按照第二段導葉開啟曲線，將導葉回關至空載開度+3%左右，使轉速平緩上升，便于之后同期并網(wǎng)階段對于轉頻的控制。

當機組轉速上升至95%Nr時，合滅磁開關，勵磁起勵建壓。當機組機端電壓上升到80%以后，則可開始同期并網(wǎng)流程，調速器此時工作在轉頻控制模式，調節(jié)機組頻率轉速；勵磁此時工作在自動電壓閉環(huán)控制（AVR）模式，調節(jié)機端電壓。

在抽水工況下，為了維持主變壓器及機組側的電壓穩(wěn)定，一般會給主變壓器配置有載調壓開關（OLTC）。當發(fā)電電動機并網(wǎng)后或者電網(wǎng)電壓發(fā)生波動時，可以通過調節(jié)轉換分接頭的擋位以改變主變壓器的變比，從而穩(wěn)定主變壓器低壓側的電壓。而當機組停機后，若廠用變壓器取自主變壓器低壓側，此時也可投入OLTC以穩(wěn)定主變壓器低壓側電壓穩(wěn)定。為避免機組同期并網(wǎng)期間OLTC投入工作調節(jié)電壓造成干擾，應在所有工況下機組進入同期并網(wǎng)前退出OLTC。

當機組在發(fā)電方向同期并網(wǎng)成功后，一般將調速器設置為功率調節(jié)模式，以跟隨調度給定的有功設定值；勵磁則保持為AVR模式，以維持機端電壓穩(wěn)定，或者根據(jù)調度要求，帶一定的無功功率運行。

2.2 停機至發(fā)電調相工況（SFC2）/ 停機至抽水調相（SFC1/BP）

若機組處于停機工況時，需進行發(fā)電或抽水方向的調相運行，可通過以下兩種方式進行工況轉換：

（1）進水閥和導葉保持關閉，轉輪室壓水至轉輪以下水位，然后通過SFC拖動至發(fā)電或抽水調相工況。

（2）起動另一臺機組，在壓水流程完成后，通過背靠背方式拖動至抽水調相工況，拖動機組則正常停機。

在調相工況下，由于轉輪在空氣中高速旋轉，產生大量熱量，需要用水來冷卻轉輪。排出后的冷卻水溫度較高，若直接排入尾水，且如果機組冷卻水也是從尾水取水，則會對機組的冷卻水循環(huán)造成不利影響。筆者所參與調試的電站就存在這種技術供水的取水口與排水口距離過近的問題。因此，在調相工況開始前，存在這種情況的機組應將技術供水的取水口和排水口全部或至少兩者之一切換至其他流道。不存在上述情況的電站則無需切換技術供水。

將調速器、勵磁以及其他輔助設備設置在對應的工況下，同時根據(jù)不同的起動方式或工況，以及各個電站自身的運行條件，投入或閉鎖以下保護功能[7-11]。

（1）機組低電壓保護：當機組運行在抽水或發(fā)電/抽水調相工況時，若機組突然掉電或低電壓，為防止電源恢復時，機組異步啟動損傷機組，需將機組立刻從電網(wǎng)解列。

需在機組抽水及發(fā)電/抽水調相工況下投入低電壓保護。機組拖動過程中是否需要閉鎖該功能以避免誤跳，需要綜合考慮機組和拖動設備的電氣特性。

（2）機組低頻保護：防止機組在系統(tǒng)頻率低情況下，還作為電動機運行吸收有功功率。

需在SFC拖動、背靠背起動或拖動過程中閉鎖，在機組處于抽水工況或調相工況時投入。

（3）主變壓器差動（大差）保護和發(fā)電機縱差保護：根據(jù)縱差保護的配置范圍，需在SFC起動和背靠背拖動過程中閉鎖主變壓器大差和發(fā)電機縱差保護。

（4）機組低頻過流保護：在SFC拖動和背靠背拖動過程中，若發(fā)電機縱差保護被閉鎖，為彌補這一失去保護的頻率段，需投入低頻過流保護。

（5）主變壓器、機組過勵磁保護：抽水及抽水調相工況起動過程中機組處于低頻狀態(tài)，易發(fā)生過勵磁，需在SFC起動或者背靠背被拖動過程中閉鎖機組和主變壓器的過勵磁保護。

（6）機組20Hz-100%注入式定子接地保護：在機組被拖動過程中，流過定子的少量低頻不平衡電流會通過低通濾波器，造成保護誤動，因此需在SFC拖動時閉鎖；在背靠背拖動時，被拖動機的接地保護繼續(xù)保持運行且中性點接地開關保持在合位，而拖動機組需閉鎖該保護且置中性點接地開關為分位。

下文將對機組內部以及機組之間和SFC、勵磁、調速器、保護在SFC拖動及背靠背拖動過程中的配合進行簡要介紹。

2.2.1 轉輪室壓水

若機組通過SFC或者背靠背的方式進行起動，兩者均首先需執(zhí)行轉輪室壓水流程，將高壓氣體通入轉輪室，將水壓至轉輪以下，使轉輪處于空氣之中，可大為降低機組被拖動時的阻力和振動，同時也相應減少了從電網(wǎng)吸收的有功功率或者上庫水量的損耗。

由于轉輪在空氣中高速旋轉，摩擦產生大量熱量，因此還需要對機組的上下迷宮環(huán)通水，從而起到冷卻和密封的作用。上下迷宮環(huán)冷卻密封水流量正常，設計之初是壓水流程開始的前提之一。但筆者在現(xiàn)場調試時也發(fā)現(xiàn)，當機組從停機工況走向調相工況時，迷宮環(huán)的流量較容易建立；而從抽水或發(fā)電工況轉調相工況時，由于此時上下迷宮環(huán)和轉輪之間的壓力高于技術供水壓力，流量無法建立，需要等待壓水完成后，流量才能建立。因此，將迷宮水流量正常從壓水流程開始的前提條件中刪除。

在確認機組尾水閘門開啟和導葉全關后，則可打開壓水主閥，向轉輪室內注入高壓空氣。壓水主閥的關閉條件，可以通過尾水管上裝設的水位開關來判斷，也可通過設置延時時間來關閉。根據(jù)筆者現(xiàn)場的調試經(jīng)驗，尾水管的水位開關工作并不十分可靠，特別是在動態(tài)工況轉換時（如發(fā)電或抽水轉調相運行），尾水管內水力條件復雜紊亂，非常容易誤動作或者不動作。因此，建議可以在靜態(tài)和動態(tài)工況轉換時多測試幾次，記錄從壓水主閥打開，到水壓到轉輪以下某一停止位置的時間。這個停止位置可以通過觀察和記錄機組在壓水完成后，有功功率在可接受范圍內保持穩(wěn)定運行且機組振擺正常的水位來判斷。然后，便可以用延時時間來控制壓水主閥的開啟時長。

轉輪室壓水成功后，則可開啟蝸殼泄壓閥，在將工況轉換時蝸殼內可能殘留的氣體排往尾水管的同時，對蝸殼壓力和尾水壓力進行平壓，將轉輪室內因迷宮環(huán)密封冷卻水形成的水環(huán)從導葉間隙引入蝸殼并排至尾水，這樣既可以避免由調相工況轉抽水或發(fā)電時，在上庫或下庫產生“放炮”的現(xiàn)象，又可以避免在轉輪旋轉過程中由于水環(huán)太大，導致與轉輪邊緣接觸所產生的發(fā)熱、吸入功率變大及振擺加劇等不利工況。在此過程中，有些電站會選擇同時將導葉打開一小開度，以加快水的排出。

壓水過程中，如遇機組壓水失敗，或者其他故障需要停機，則先需要立刻終止壓水流程，然后啟動回水流程，將轉輪室中的氣體排出，水位上升后會對轉輪的旋轉產生阻力，可顯著縮短機組事故停機時間。

2.2.2 SFC拖動（SFC1/ SFC2）

根據(jù)電站電氣主接線的設計，若多臺機組共用一條起動母線，應首先確保無其他機組正在占用起動母線進行拖動或者SFC電氣制動。SFC拖動的典型電氣接線可參考圖2。

對于采用去離子水冷卻方式的SFC系統(tǒng)，可提前投入相關輔機和控制閥門等，以縮短SFC的準備時間。

如圖2所示，SFC先將三位選擇開關Q切到Y位，接入SFC輸出升壓變壓器SFCTR2，然后通過勵磁和滅磁，測量并確認機組當前的轉速為0 r/min。

接下來SFC將三位選擇開關Q切到X位，接入旁路起動回路，然后通知勵磁系統(tǒng)向轉子內注入勵磁電流。通過測定在定子內相應產生的感應電壓，可以確定轉子的初始位置，從而確定最合適的起動加速力矩，緩速拖動機組開始轉動。

圖2 SFC電氣接線示意簡圖Figure 2 SFC Single line diagram

當SFC將機組拖動至5Hz以后，則將三位選擇開關Q再次切回至Y位，接入SFC輸出升壓變壓器SFCTR2，拖動機組快速升速至額定轉速后，開始同期并網(wǎng)。并網(wǎng)成功后，機組從電網(wǎng)吸收少量有功功率，進相或滯相運行。

在拖動過程中，機組與SFC和勵磁系統(tǒng)之間的配合可參考圖3。

圖3 SFC起動示意簡圖Figure 3 SFC start flow diagram

2.2.3 背靠背拖動（BP/ BG1）

背靠背拖動有多種起動方式，如同軸小電動機拖動、異步拖動、半同步拖動、同步拖動乃至跨電站拖動等。本節(jié)主要闡述同一電站內兩臺機組背靠背同步起動，相關的電氣接線可參考圖4。

首先將拖動機和被拖動機的調速器和勵磁等子系統(tǒng)設置為對應的模式。對于技術供水系統(tǒng)，若被拖動機僅是工作于抽水調相工況而不需要繼續(xù)轉換為抽水工況，則需要考慮被拖動機組的技術取水和排水的切換。

被拖動機組的保護工況設定如本節(jié)內所述，拖動機組的保護工況可參照發(fā)電工況執(zhí)行。

對于多臺機組共用一條起動母線的情況，還需考慮機組本身以及機組與機組之間涉及的電氣開關的硬線閉鎖和軟閉鎖，避免形成短路或環(huán)流，造成嚴重事故。限于本文篇幅，在此不做贅述。

背靠背拖動流程簡要介紹如下：

（1）拖動機和被拖動機向各自的子系統(tǒng)設置對應的工作模式，然后啟動輔機系統(tǒng)。

（2）被拖動機將換向開關置為抽水方向。拖動機保持換向開關為分位，并將中性點接地開關置于分位，以保證電氣軸建立后，系統(tǒng)內只有一個接地點。

（3）被拖動機投入機械制動并提前打開進水閥，以縮短拖動流程的時間；拖動機也同時投入機械制動，防止兩臺機組由于漏水等原因產生蠕動，從而影響拖動時的同步性。

（4）被拖動機合上起動開關，拖動機合上拖動開關。

（5）被拖動機組開始轉輪室壓水流程。

（6）壓水成功之后，合拖動機出口斷路器，兩臺機組之間正式建立電氣連接，然后兩臺機組開始勵磁，建立同步電磁力矩。

（7）同時復歸兩臺機組的機械制動。

（8）當拖動機組的進水閥開度到達設定開度（如40%）時，拖動機退接力器鎖定并打開導葉。導葉開啟規(guī)律可參見圖5，導葉先打開一個適合的小開度并緩慢上升，保證拖動機組和被拖動機組能夠克服慣性和阻力，開始同步轉動。待兩臺機組轉動同步后，導葉打開并保持至空載開度+5%左右，兩臺機組的轉速迅速同步上升。

（9）兩臺機組的轉速同步上升到90%Nr時，被拖動機組的同期裝置開始工作，此時將被拖動機組的勵磁系統(tǒng)設置為AVR模式，同期裝置同時發(fā)出脈沖調節(jié)電壓。被拖動機組的轉速則由拖動機組的調速系統(tǒng)統(tǒng)一調節(jié)。

（10）當兩臺機組的轉速同步上升至95%Nr左右時，拖動機的導葉回關至空載開度，并根據(jù)同期并網(wǎng)的需求調節(jié)拖動機組的導葉開度。

（11）被拖動機組同期并網(wǎng)的同時分拖動機組的出口斷路器。

（12）兩臺機組間的電氣連接斷開后，可以先分拖動機組的拖動開關，然后再分被拖動機組的起動開關，被拖動機組的背靠背起動流程結束。

圖4 背靠背拖動電氣接線示意簡圖Figure 4 BTB Start single line diagram

（13）拖動機組的出口斷路器分閘之后，機組轉速開始下降，當轉速低于起勵轉速后，勵磁系統(tǒng)開始逆變滅磁。

（14）當轉速低于起勵轉速且機端電壓小于5%后，且確認兩臺機組之間的電氣連接斷開后，合拖動機組的發(fā)電機中性點接地開關。

接下來拖動機組走正常停機流程，停機完成后，拖動機組的背靠背拖動流程結束。

在背靠背拖動過程中，若發(fā)生事故，必須注意兩臺機組勵磁退出時間的配合。若被拖動機組的勵磁先退出，拖動機的勵磁后退出，那么被拖動機組將在此期間內處于失磁狀態(tài)。由于被拖動機組的電樞反應消除，電磁制動力矩也將消失，其定子繞組阻抗將呈現(xiàn)非常低的狀態(tài)，拖動機組的定子三相電流在被拖動機組定子中三相短路，會在起動回路中產生遠大于額定電流的短路電流，嚴重時將燒毀起動回路相關設備。[11]因此，若在拖動過程中發(fā)生事故需要同時切除拖動機組和被拖動機組，必須保證兩臺機組的勵磁系統(tǒng)同時退出?？梢酝ㄟ^添加機組間的硬件跳閘回路以確保拖動機組和被拖動機組的滅磁開關同時分閘。

在發(fā)生事故跳機后，除需要保證同時退出兩臺機組的勵磁外，還需要正確的分斷拖動機的出口斷路器。此時需要注意，在低于工頻時（即機組轉速低于額定），不同廠家的產品分斷能力存在差異。例如Alstom的產品不允許在45Hz以下的分斷。ABB及其他品牌允許25Hz以上分斷，但此時應選用低頻特性好的TPY型電流互感器，避免低頻段的測量誤差。

圖5 背靠背，拖動機組導葉開啟規(guī)律Figure 5 BTB mode， Guide vane opening curve of drag-unit

根據(jù)不同廠家斷路器的低頻分斷能力，若機組發(fā)生跳機事故時的轉頻在要求值以下，是不允許分拖動機的出口斷路器的。因為斷路器的設計以分斷工頻電流為基準，低頻和直流的分斷能力較差。而機組若在起動過程中的低頻區(qū)段發(fā)生故障，此時的短路電流并不會比工頻時小，而且以直流分量為主。在這種情況下分閘，很有可能會損壞斷路器。因此，可在斷路器的控制回路、監(jiān)控或保護系統(tǒng)中設置硬線和軟閉鎖，保證當機組處于背靠背拖動工況且出口斷路器已合，轉頻低于要求值時，若發(fā)生事故跳機，則先同時分拖動機和被拖動機的滅磁開關，然后待拖動機停機完成后，再行分斷路器；若轉頻高于要求值，則可先分出口斷路器，然后再同時分兩臺機組的滅磁開關。

2.3 發(fā)電工況至發(fā)電調相工況（GC1）/抽水工況至抽水調相工況（PC1）

當調度要求機組發(fā)電/抽水調相運行時，若機組正處于發(fā)電或抽水工況，可將轉輪室中的水壓至轉輪以下，然后便可進入調相工況。GC1和PC1的轉換流程大致相同，主要步驟簡介如下：

（1）將技術取水或排水切換至其他流道。

（2）抽水工況下，配置有OLTC的機組會設其為自動調節(jié)模式，以維持主變壓器低壓側電壓的穩(wěn)定。轉其他工況前，需退出OLTC。

（3）將調速器設置為調相工況模式，調速器將開始關閉導葉，卸除機組所帶的有功負荷。

（4）將勵磁系統(tǒng)置為自動無功控制模式（MVAR），進行零無功控制，卸除機組所帶的無功負荷。

（5）將保護置為調相工況模式。有些電站需要導葉在調相工況下小角度開啟的機組會投入過功率保護功能，防止導葉因誤操作等原因打開過大，致使機組從電網(wǎng)吸收有功功率。

（6）待導葉全關后，可同時執(zhí)行球閥關閉流程和轉輪室壓水流程，以縮短流程轉換時間。

（7）壓水成功后，對于采取旁通閥進行平壓的進水閥，必須等旁通閥關閉或工作密封投入后，方可打開蝸殼泄壓閥，以避免高水頭的壓力水進入并破壞蝸殼泄壓閥和尾水管之間的管路。

（8）機組從抽水工況到進入抽水調相穩(wěn)態(tài)工況后，將保護系統(tǒng)的低功率保護閉鎖，防止保護因機組在調相工況下從電網(wǎng)吸收少量有功功率而誤動作。

2.4 發(fā)電調相工況至發(fā)電工況（GC2）/抽水調相工況至抽水工況（PC2）

發(fā)電調相至發(fā)電以及抽水調相至抽水的轉換流程也大致相同，主要步驟簡介如下：

（1）將技術取水或排水切回至本機流道。

（2）若轉向發(fā)電工況，需投入2.1節(jié)中所述的發(fā)電機逆功率保護；若轉向抽水工況，為防止電動機運行時突然失電或入力過低，需投入電動機低功率保護。

（3）將勵磁系統(tǒng)置為MVAR模式，并進行零無功控制，卸除機組所帶的無功負荷。

（4）為壓縮流程轉換時間，同時執(zhí)行進水閥開啟流程和轉輪室回水流程。

（5）為避免高水頭的壓力水進入蝸殼排氣和泄壓管路，必須等待機組蝸殼排氣閥和蝸殼泄壓閥完全關閉后，才可以打開進水閥旁通閥或工作密封進行平壓。

（6）若發(fā)電調相轉向發(fā)電方向，在進水閥開至設定開度（如40%）且轉輪室回水完成后，則可通知調速器打開導葉進行回水。

若抽水調相轉向抽水方向，除需判斷進水閥開至設定開度（如40%）且轉輪室回水完成外，還需判斷濺水功率和/或啟動壓力達到設定值。濺水功率是指轉輪室空氣排盡，轉輪在水中旋轉造壓時從電網(wǎng)吸收的有功功率。啟動壓力是指轉輪和活動導葉之間的造壓壓力已經(jīng)達到向上庫抽水的水頭要求。濺水功率和啟動壓力其一或兩者到達設定值，均標志著轉輪室回水造壓完成，可打開導葉向上庫抽水。

（7）發(fā)電調相至發(fā)電轉換過程中，導葉打開至空載開度后，將調速器設置為功率調節(jié)模式，跟隨調度給定的有功功率設定值，工況轉換完成。

（8）抽水調相至抽水轉換過程中，當導葉開至抽水開度，達到穩(wěn)態(tài)抽水工況后，投入OLTC，保持主變低壓側電壓穩(wěn)定。同時可將勵磁系統(tǒng)設置為功率因數(shù)控制模式，工況轉換完成。

2.5 線路充電/黑起動工況（L1/BS1）

線路充電工況和黑起動工況較為相似，在此一并簡介。在線路充電/黑起動工況下，需閉鎖以下（不限于）主要保護功能：

（1）發(fā)電機負序過流保護。

（2）發(fā)電機逆功率保護。

（3）發(fā)電機失磁保護。

（4）發(fā)電機低頻保護。

（5）發(fā)電機低電壓保護。

（6）發(fā)電機失步保護。

（7）發(fā)電機過頻保護等。

主要控制流程如下：

（1）在黑起動工況下，通過廠用電自動恢復流程，起動柴油發(fā)電機或備用進線電源，恢復機組黑起動或線路充電工況下必需設備的供電電源。

以下流程黑起動和線路充電基本相同。

（2）確認開關站的進、出線斷路器全部斷開，所有母線段無電壓，或者根據(jù)開關站的不同設置另行討論。

（3）確認所有機組的主變壓器低壓側無電壓。

（4）禁用廠用電的自動切換功能，禁用同期裝置自動同期功能，將OLTC的分接頭保持在中間位（即維持主變本身的變比保持不變）。

（5）設置調速器和勵磁系統(tǒng)工作在發(fā)電方向。

（6）設置調速器工作在黑起動模式，即轉頻控制模式。設置勵磁工作在線路充電/黑起動模式（即FCR電流閉環(huán)控制）。

（7）機組開機流程同正常發(fā)電開機流程，打開進水閥和導葉接力器。

（8）機組轉速上升至起勵轉速（如95%Nr），合發(fā)電機出口斷路器。

（9）出口斷路器閉合后，合滅磁開關，勵磁起勵。同時設置保護系統(tǒng)為對應的工作模式。

（10）勵磁起勵后，會將機端電壓上升至設定值（如30%），同時機組開始對主變壓器進行充電。

（11）機端電壓上升至設定值后，手動合起動機組的主變壓器高壓側斷路器，對高壓電纜及開關站進行充電。

（12）根據(jù)實際情況手動將機端電壓升到設定值，然后將勵磁系統(tǒng)設置為AVR模式，維持機端出口電壓不變。

（13）當開關站站內及站外電壓與頻率之差小于設定值時，可手動合開關站的出線斷路器。

若開關站外系統(tǒng)電網(wǎng)無電壓，亦可合上出線斷路器，繼續(xù)對線路進行充電。

（14）線路充電/黑起動工況完成。也可根據(jù)調度要求，繼續(xù)轉為發(fā)電工況或者機組停機。

2.6 普通停機（G2-SR2/GC3/P2/PC2/BG2/L2/BS2）

抽水蓄能機組的普通停機流程和常規(guī)機組相比，除了抽水和調相工況下需要轉輪室回水以外，其他基本一致，因此下文主要介紹普通停機過程中的兩種電氣制動方式：SFC制動和勵磁電制動隔離開關制動。這兩種電氣制動方式僅在機組沒有電氣事故時方可投入。

在進行電氣制動前，需投入或閉鎖以下保護功能。各個電站因運行條件不同而有所差異。

（1）主變壓器差動（大差）保護和發(fā)電機縱差保護：如果相關差動保護的配置范圍包括電氣制動回路，而制動過程中，低頻電流流向不同的電氣分支，容易引起差動誤動。因此需在電氣制動時閉鎖。

（2）機組20Hz-100%注入式定子接地保護：在機組電氣制動過程中，流過定子的少量低頻不平衡電流會通過低通濾波器，造成保護誤動，因此需在電氣制動時閉鎖。

（3）機組低頻過流保護：根據(jù)電氣制動原理，在制動過程中，定子繞組的短路電流為一恒定值，不隨機組轉速的降低而變化，在機組轉頻降低后仍保持在較高值。為避免機組低轉頻時保護勿動，需在電氣制動時閉鎖。[13]

（4）機組低頻保護，需在電氣制動時閉鎖。

（5）機組失磁保護，需在電氣制動時閉鎖。

（6）機組失步保護，需在電氣制動時閉鎖。

（7）發(fā)電機電流不平衡保護：若在勵磁電制動隔離開關制動時，由于定子繞組端頭短接（電氣制動短路斷路器）接觸不良故障，需立刻逆變滅磁。所以，需在勵磁電制動隔離開關制動時投入保護。

2.6.1 SFC制動

SFC制動是由SFC向定子注入電流，并同時控制勵磁向轉子注入電流，形成與機組旋轉的慣性力矩相反向的電磁制動力矩。SFC制動速率比勵磁制動更快，但需要占用電站的起動母線。

SFC制動主要流程如下：

（1）確認起動回路沒有被占用?？稍诒O(jiān)控和相關電氣開關的控制回路中設置軟/硬件閉鎖。

（2）通知SFC和勵磁、保護等，機組執(zhí)行SFC電氣制動。

（3）在機組開始停機流程時，為縮短等待時間，可提前投入SFC的輔助設備。

（4）SFC輔助設備投入，具備上電條件后，合上發(fā)電機起動斷路器，形成SFC制動電氣回路。

（5）當機組轉速下降至電氣制動投入設定值（如50%）時，SFC上電并開始工作。

（6）參見圖2，SFC將三位選擇開關Q切到Y位，接入SFC輸出升壓變壓器SFCTR2，并控制勵磁設備向轉子中注入電流，以測定機組當前轉速。

（7）轉速確認后，則SFC與勵磁配合，形成反向的電氣制動力矩，機組轉速下降。

（8）若機組配置有機械制動設備，當機組轉速下降至機械制動投入設定值（如5%）時，可投入機械制動。

（9）根據(jù)電氣制動的原理，電氣制動的轉矩與轉速成反比，機組在越低的轉速可以獲得更大的制動轉矩，可顯著縮短機組在低速階段的停機時間。因此，建議在機組轉速接近停止時（如＜1Hz）再退出電氣制動。同時，也需要綜合考慮此時定子的三相電流不平衡是否會導致跳機。

（10）機組停止轉動后，分發(fā)電機起動斷路器，同時通知SFC退出。

（11）SFC退出相關輔機，停止工作后，分SFC進出線隔離開關，SFC制動流程結束。

2.6.2 勵磁電制動隔離開關制動

勵磁制動是在機組解列、轉子滅磁后，合上電氣制動開關使定子三相短路，同時給轉子重新勵磁，形成反向的電磁制動力矩，主要流程如下：

（1）通知勵磁及保護，機組執(zhí)行勵磁電制動隔離開關制動。

（2）當機組轉速下降至電氣制動投入設定值（如50%）時，合電氣制動開關。

（3）電氣制動開關閉合后，合滅磁開關，勵磁起勵，在發(fā)電機定子形成三相短路電流，機組的轉速加速下降。

（4）若機組配置有機械制動設備，當機組轉速下降至機械制動投入設定值（如5%）時，投入機械制動。

（5）與SFC制動類似，建議在機組轉速接近停止時（如＜1Hz）再退出電氣制動。此時應注意定子三相繞組的平衡。

（6）機組停止轉動后，通知勵磁逆變壓器滅磁，勵磁電氣制動完成。

2.7 事故停機（ESD/QSD）

根據(jù)事故的原因，一般都可以分成電氣事故和機械事故。而根據(jù)停機方式，可以分成ESD（緊急停機）和QSD（快速停機）。[5]相關內容本文不做贅述。

在事故停機過程中，以下情況可以考慮：

（1）若機組因為電氣事故停機，則不允許投入電氣制動，以避免事故擴大。這將導致機組在低轉速階段的停機時間大為延長，加速了軸瓦及潤滑油的磨損。為縮短機組停機時間，可考慮在此情況下，適當提高機械制動的投入轉速（如15%Nr）。

（2）若機組在抽水及發(fā)電/抽水調相工況下，發(fā)生事故跳機時，可以先分發(fā)電機出口斷路器，使機組失去動力源，能更快地將機組停下來。因此，在抽水和發(fā)電/抽水調相工況下，可考慮將停機方式統(tǒng)一為ESD，不使用QSD。

3 結束語

本文根據(jù)定速抽水蓄能機組電氣二次系統(tǒng)的設計，并結合筆者在現(xiàn)場參與系統(tǒng)聯(lián)調過程中的經(jīng)驗和教訓，歸納和總結了機組在工況轉換時的關鍵節(jié)點以及各個系統(tǒng)之間的配合。本文所述內容主要基于筆者所經(jīng)歷的項目，不排除國內及國際上其他設計單位及廠家有不同的解決方案，在此一并說明，希望能對各位同行的設計工作有所借鑒。