潮汐電站的機(jī)組控制

呂惠青

（中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院，浙江杭州 310014）

潮汐電站的機(jī)組控制

呂惠青

（中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院，浙江杭州 310014）

針對潮汐電站機(jī)組運(yùn)行的不同工況，并結(jié)合現(xiàn)有電站運(yùn)行經(jīng)驗對潮汐電站的機(jī)組控制過程進(jìn)行介紹；特別是抽水運(yùn)行工況在潮汐電站中應(yīng)用，不僅增加電站運(yùn)行的靈活性，促進(jìn)潮汐能的利用，也提高電站經(jīng)濟(jì)效益。

潮汐電站；機(jī)組控制；運(yùn)行工況；正向；反向；抽水

0 引言

潮漲潮落，往復(fù)不歇，潮汐能是一種可再生的綠色能源。利用潮汐發(fā)電，不會受枯水期和洪水期的影響，電量穩(wěn)定而且還可以做到精確預(yù)報；不會造成建壩的淹沒損失和人口遷移，不受燃料的開采和運(yùn)輸條件的制約，具有良好的綜合效益。潮汐能的利用因其無比的優(yōu)越性和寬廣的前途，已為世界各國所關(guān)注。

1 潮汐電站的控制特點

潮汐電站一般根據(jù)海水潮位的周期性變化進(jìn)行發(fā)電，水流從水庫流向海洋進(jìn)行的運(yùn)行工況定為正向運(yùn)行工況、海洋流向水庫進(jìn)行的運(yùn)行工況定為反向運(yùn)行工況。潮汐電站與常規(guī)水電站控制相比，主要有以下幾個特點：

（1）運(yùn)行工況多

常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況不外乎停機(jī)、發(fā)電和調(diào)相三種；而潮汐電站機(jī)組的工況一般有停機(jī)、發(fā)電、泄水、抽水四種，并且有正反向之分，即正反向發(fā)電、正反向泄水和正反向抽水等工況。

目前國內(nèi)的潮汐能機(jī)組容量不大，且為燈泡貫流式機(jī)組，均未考慮調(diào)相工況。就抽水工況而言，潮汐電站機(jī)組似乎與抽水蓄能機(jī)組相似，但實際有區(qū)別。潮汐電站機(jī)組的抽水工況有正反兩個方向，即庫側(cè)向海側(cè)抽水（正向）和海側(cè)向庫側(cè)抽水（反向），而抽水蓄能機(jī)組只有一個方向，即永遠(yuǎn)是下庫向上庫抽水。另一個區(qū)別是，抽水蓄能機(jī)組抽水的目的是削峰填谷，利用用電低谷時富裕電能抽水，在用電高峰時發(fā)電；而潮汐電站機(jī)組的抽水，是在潮汐運(yùn)動過程中，當(dāng)兩側(cè)水位差處于相對較小的特定時段，進(jìn)行抽水，以較少的電能獲得更大的水位落差，以使下階段發(fā)電時獲得更多的電能。

（2）潮汐電站一般會有泄水閘參與水位控制，機(jī)組泄水運(yùn)行可提高發(fā)電量，但也增加了機(jī)組控制的復(fù)雜性。

（3）由于潮汐電站利用海水的潮汐能源，每天一般會有兩次潮漲潮落，所以機(jī)組的開停機(jī)操作比較頻繁、復(fù)雜。特別是具有雙向發(fā)電和抽水運(yùn)行工況機(jī)組，由于被控對象多，切換操作復(fù)雜，其控制系統(tǒng)較常規(guī)水電機(jī)組要復(fù)雜得多。機(jī)組順序控制需按嚴(yán)格和周密的閉鎖自動進(jìn)行，要求采用最優(yōu)的操作路徑，且操作時間最短。

（4）潮汐電站的機(jī)組臺數(shù)相對較多，而且各機(jī)組的運(yùn)行方式在同一時間內(nèi)又是一致的，所以全站須配置一套公用工況控制系統(tǒng)，以便對各機(jī)組的運(yùn)行方式進(jìn)行統(tǒng)一的切換和閉鎖。每一工況啟動條件是水頭值的大小和方向，它們由一套公用的水位發(fā)送器、水位差接收器組成的水頭信號裝置發(fā)出。

2 潮汐電站的機(jī)組控制過程

潮汐能過程變化很快，水量又無法儲存，如果不及時利用，將很快消失，只有機(jī)組運(yùn)行正常，潮汐能量才能轉(zhuǎn)化成電能。因此機(jī)組的運(yùn)行工況、控制方式是否合理會直接影響電站發(fā)電量和效益。下面借鑒國內(nèi)某潮汐電站6號機(jī)組實踐經(jīng)驗，對雙向運(yùn)行方式中含抽水運(yùn)行工況的機(jī)組控制過程進(jìn)行簡要介紹。

根據(jù)潮位的周期性變化，6號機(jī)組運(yùn)行的工況順序正常情況下為：停機(jī)→正向發(fā)電→正向泄水→正向抽水→停機(jī)→反向發(fā)電→反向泄水→反向抽水→停機(jī)。機(jī)組的運(yùn)行工況參見下圖1。其控制過程如下：

圖1 機(jī)組運(yùn)行工況圖

正向發(fā)電：落潮時，當(dāng)海側(cè)潮位消落至低于庫水位H1時，同時機(jī)組具備自動開機(jī)條件即可啟動運(yùn)行發(fā)電，此時為正向發(fā)電工況。正向發(fā)電時海水從庫側(cè)流向海側(cè)。由于海側(cè)潮位消落速度比庫水位降落速度快，工作水頭不斷提高，機(jī)組出力亦隨之增加，直到海側(cè)開始漲潮，而庫水位隨著發(fā)電運(yùn)行仍繼續(xù)下降，工作水頭便開始不斷下降，機(jī)組出力亦隨之降低。直到發(fā)電水頭降低至設(shè)定值H2時，機(jī)組減負(fù)荷至空載并跳發(fā)電機(jī)斷路器，此時機(jī)組正向發(fā)電運(yùn)行工況結(jié)束轉(zhuǎn)正向泄水流程。

正向泄水：解列后機(jī)組仍空載運(yùn)行，海水繼續(xù)通過機(jī)組從庫側(cè)流向海側(cè)，稱為正向泄水運(yùn)行工況。此時機(jī)組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)。同時開啟泄水閘門加快庫水排向海側(cè)的速度以進(jìn)一步加快降低庫水位，為反向發(fā)電做準(zhǔn)備。當(dāng)庫海側(cè)水位差為零時（即平潮），泄水閘門關(guān)閉，即正向泄水運(yùn)行工況完畢。

正向抽水：在泄水運(yùn)行過程中，當(dāng)水頭降低使機(jī)組轉(zhuǎn)速降至60%Ne轉(zhuǎn)速時，合上發(fā)電機(jī)斷路器，在調(diào)速器和勵磁系統(tǒng)的配合下，機(jī)組轉(zhuǎn)入抽水運(yùn)行工況。海水從庫側(cè)抽向海側(cè)，當(dāng)水頭至H3時，跳發(fā)電機(jī)斷路器，正向抽水運(yùn)行工況完畢轉(zhuǎn)停機(jī)流程。

反向發(fā)電：機(jī)組停轉(zhuǎn)、泄水閘門關(guān)閉后，庫水位保持不變，但海側(cè)潮位不斷升高，至海側(cè)潮位高于庫水位H4時，機(jī)組即可啟動運(yùn)行發(fā)電，此時為反向發(fā)電運(yùn)行工況。反向發(fā)電時海水從海側(cè)流向庫側(cè)。由于海側(cè)潮位升高速度比庫側(cè)水位上升速度快，工作水頭不斷提高，機(jī)組出力亦隨之增加，直至海側(cè)開始落潮，而庫水位隨著發(fā)電運(yùn)行仍繼續(xù)上升，工作水頭便開始不斷下降，機(jī)組出力亦隨之降低。直至水頭降至H5時，機(jī)組減負(fù)荷至空載并跳發(fā)電機(jī)斷路器，此時機(jī)組反向發(fā)電運(yùn)行工況結(jié)束轉(zhuǎn)反向泄水流程。

反向泄水：解列后機(jī)組仍在空載運(yùn)行，海水繼續(xù)通過機(jī)組從海側(cè)流向庫側(cè)，稱為反向泄水工況。同時開啟泄水閘門加快向水庫充水的速度，以進(jìn)一步提高庫水位，為正向發(fā)電做準(zhǔn)備。當(dāng)庫海側(cè)水位差為零時（即平潮），泄水閘門關(guān)閉，即反向泄水運(yùn)行工況完畢。

反向抽水：同正向抽水運(yùn)行工況相似，只是海水從海側(cè)抽向庫側(cè)，當(dāng)水頭至H6時，跳發(fā)電機(jī)斷路器，反向抽水運(yùn)行工況完畢轉(zhuǎn)停機(jī)流程。

3 潮汐電站的機(jī)組控制流程

正常情況下，機(jī)組工況的流轉(zhuǎn)遵循如下順序：停機(jī)→正向發(fā)電→正向泄水→正向抽水→停機(jī)→反向發(fā)電→反向泄水→反向抽水→停機(jī)。隨著潮漲潮落，庫水位和潮位發(fā)生往復(fù)周期性變化，機(jī)組按上述順序循環(huán)往復(fù)地運(yùn)行，前一步工況完成后，開放下一步工況。正向、反向工況取決于庫水位和潮位，庫水位高于潮位，為正向，正向條件滿足時，閉鎖一切可能發(fā)生的反向工況，反之亦然。事故情況下，則無論機(jī)組處于何種運(yùn)行工況，均執(zhí)行事故停機(jī)流程。

現(xiàn)以6號機(jī)組為例，介紹潮汐電站的機(jī)組控制流程，下述流程均通過計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)。

3.1 停機(jī)→發(fā)電流程

（1）第一步：開機(jī)準(zhǔn)備

機(jī)組開機(jī)準(zhǔn)備狀態(tài)如下：機(jī)組無事故、發(fā)電機(jī)斷路器分位、制動閘復(fù)歸位、機(jī)械制動腔無壓、正向或反向斷路器合位。當(dāng)以上開機(jī)條件具備后，程序自動解除對第二步的閉鎖，為第二步操作做準(zhǔn)備。一旦值班人員發(fā)出開機(jī)令，則開始執(zhí)行第二步操作。

（2）第二步：開輔機(jī)

a.開啟軸承供油自保持球閥，命令發(fā)出后經(jīng)延時，檢測到軸承回油管油流正常后，執(zhí)行后續(xù)流程。否則發(fā)故障信號，停止執(zhí)行后續(xù)流程。

b.開啟主軸密封水自保持球閥，命令發(fā)出后經(jīng)延時，檢測到密封水流正常后，執(zhí)行后續(xù)流程。否則發(fā)故障信號，停止執(zhí)行后續(xù)流程。

c.投高壓油頂起油泵。兩臺高壓油泵互相輪換，當(dāng)其中作為工作油泵出現(xiàn)故障或該油泵啟動后高壓頂起油泵管路壓力還是偏低，經(jīng)過延時后，啟動另一臺油泵，如果兩臺油泵均故障，或兩臺都啟動延時后管路壓力還是偏低，則報警并停止執(zhí)行后續(xù)流程。

d.如果滅磁開關(guān)未在合位，則合滅磁開關(guān)。

當(dāng)以上條件滿足后，程序自動解除對第三步操作的閉鎖。

（3）第三步：啟動調(diào)速器

啟動調(diào)速器，將導(dǎo)葉和輪葉開啟至空載開度。

（4）第四步：停高壓頂起油泵

當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至95%Ne轉(zhuǎn)速時，切除高壓油頂起油泵。

（5）第五步：投勵磁裝置

當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至95%Ne轉(zhuǎn)速時，投入勵磁裝置，給發(fā)電機(jī)建壓。

（6）第六步：投準(zhǔn)同期裝置

當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓至90%額定電壓以上時，投入準(zhǔn)同期裝置。

（7）第七步：合發(fā)電機(jī)斷路器

準(zhǔn)同期裝置檢測到機(jī)組并列條件滿足后，機(jī)組以準(zhǔn)同步方式并入系統(tǒng)。

3.2 發(fā)電→泄水→抽水→停機(jī)流程

（1）第一步：減負(fù)載

處于發(fā)電運(yùn)行的機(jī)組，發(fā)電水頭和有功功率降低至設(shè)定值，自動降有功和無功功率至最小。當(dāng)機(jī)組有功和無功功率至設(shè)定值時，程序自動解除對第二步操作的閉鎖。

（2）第二步：跳開發(fā)電機(jī)斷路器

跳開發(fā)電機(jī)斷路器，使機(jī)組與系統(tǒng)解列。當(dāng)發(fā)電機(jī)斷路器在開斷位置時，程序自動解除對第三步操作的閉鎖。

（3）第三步：勵磁滅磁

給勵磁裝置發(fā)滅磁令，降低發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓。

（4）第四步：給調(diào)速器發(fā)泄水命令

給調(diào)速器發(fā)泄水命令，將導(dǎo)葉和輪葉開度調(diào)至泄水角度，機(jī)組轉(zhuǎn)入泄水工況，同時開啟泄水閘門。當(dāng)庫海側(cè)水位差為零時，泄水閘門關(guān)閉。

（5）第五步：向勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)出抽水指令

當(dāng)機(jī)組在泄水工況下，轉(zhuǎn)速降低至90%Ne轉(zhuǎn)速，向勵磁調(diào)節(jié)器發(fā)出抽水指令，程序自動解除對第六步操作的閉鎖。

（6）第六步：向調(diào)速器發(fā)抽水指令

在泄水工況下，當(dāng)轉(zhuǎn)速降低至80%Ne轉(zhuǎn)速，向調(diào)速器發(fā)出抽水指令，將導(dǎo)葉和輪葉開度調(diào)至抽水角度。

（7）第七步：合發(fā)電機(jī)斷路器

當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至60%Ne轉(zhuǎn)速的時候和以上條件執(zhí)行完成，合發(fā)電機(jī)斷路器。

（8）第八步：投入勵磁

當(dāng)斷路器合上后，電機(jī)轉(zhuǎn)子阻尼繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電流與定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用形成電磁轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)像感應(yīng)電動機(jī)一樣啟動起來，待機(jī)組轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速（95%Ne）時投入勵磁，機(jī)組即納入同步，機(jī)組轉(zhuǎn)入抽水工況。

（9）第九步：跳發(fā)電機(jī)斷路器

機(jī)組在抽水工況下，當(dāng)水頭至設(shè)定值(H3或H6)時，跳發(fā)電機(jī)斷路器，轉(zhuǎn)入停機(jī)流程。程序自動解除對第十步的閉鎖，為第十步操作作準(zhǔn)備。

（10）第十步：給調(diào)速器發(fā)停機(jī)令

給調(diào)速器發(fā)停機(jī)令，關(guān)閉導(dǎo)葉和輪葉開度至全關(guān)位置。

（11）第十一步：投入機(jī)械制動

當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至20%Ne轉(zhuǎn)速時，開啟制動電磁閥，轉(zhuǎn)速降至5%Ne轉(zhuǎn)速以下并經(jīng)過延時后，程序自動解除第十二步操作的閉鎖。

（12）第十二步：停輔機(jī)

復(fù)歸制動電磁閥、關(guān)閉軸承供油自保持球閥、關(guān)閉主軸密封水自保持球閥、切除高壓油頂起裝置、投入調(diào)速器鎖錠、切除冷卻風(fēng)機(jī)、投入除濕器、投入加熱器。

3.3 機(jī)組事故停機(jī)流程

無論機(jī)組處于何種運(yùn)行工況，一旦發(fā)生事故，立即執(zhí)行事故停機(jī)流程。事故分電氣事故和水機(jī)事故。

（1）電氣事故

當(dāng)繼電保護(hù)動作，則跳閘、滅磁和停機(jī)。

（2）水機(jī)事故

當(dāng)發(fā)生以下水機(jī)事故：軸承過熱、高位油箱油位過低、潤滑油中斷時，則首先作用于緊急停機(jī)電磁閥，負(fù)荷卸至空載后，再跳閘、滅磁和停機(jī)。

當(dāng)發(fā)生以下水機(jī)事故：機(jī)組過速、事故停機(jī)過程中導(dǎo)葉彎曲連桿彎曲、調(diào)速器主配拒動時，則首先作用于卸壓閥，使重錘動作關(guān)導(dǎo)葉，負(fù)荷卸至空載后，再跳閘、滅磁和停機(jī)。

4 潮汐電站機(jī)組控制的特殊要求

潮汐電站機(jī)組控制對輔機(jī)設(shè)備的可靠性、靈活性要求較高。潮汐電站的機(jī)組容量較小，但運(yùn)行復(fù)雜，隨著漲潮落潮，每天的負(fù)荷變化大，這就要求勵磁系統(tǒng)和調(diào)速器系統(tǒng)適應(yīng)性強(qiáng)，調(diào)節(jié)速度快，精度高。同時由于機(jī)組正、反向運(yùn)行時，電氣主回路的相序要作變換，這就需要調(diào)速器和勵磁系統(tǒng)能正確識別工況信號并提前做好準(zhǔn)備。

潮汐電站的機(jī)組控制，要求合理選擇抽水工況的起動方式。針對抽水工況，啟動方式的選擇十分重要，采用變頻起動、全電壓異步起動還是降壓異步起動等方式需要針對具體情況作論證。從本文介紹的6號機(jī)組來看，采用低轉(zhuǎn)速時直接合斷路器異步啟動方式，此時發(fā)電機(jī)內(nèi)部阻尼繞組產(chǎn)生的異步力矩適中，啟動效果比較理想，可以在較短時間內(nèi)把機(jī)組牽入同步，轉(zhuǎn)入同步之前機(jī)組運(yùn)行、振動擺度等參數(shù)滿足設(shè)計要求。

潮汐電站的機(jī)組啟動控制過程中，有必要采用高壓油頂轉(zhuǎn)子裝置。這在機(jī)組剛啟動時，減少靜摩擦力矩有較明顯的作用，同時對推力軸承形成油膜起到重要作用。對于常規(guī)的水輪發(fā)電機(jī)組，推力瓦是靠偏心支撐使機(jī)組在啟動過程中形成鍥形油膜，而對于有兩個旋轉(zhuǎn)方向的可逆機(jī)組是不可能利用這種方法形成油膜，需要靠高壓油頂轉(zhuǎn)子裝置在推力瓦和鏡板間注入高壓油，在機(jī)組啟動過程中，如果高壓油頂起失敗，則轉(zhuǎn)入事故停機(jī)，以免燒壞推力軸瓦。

潮汐電站的機(jī)組控制方式要求具有靈活性。一年之中，一月之中，最高漲潮潮位是變化的，電站實際的開機(jī)水頭、停機(jī)水頭也將隨之修正，要根據(jù)潮位、投入運(yùn)行的機(jī)組臺數(shù)等因素進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)最高漲潮潮位很低時，可能改雙向發(fā)電為單向正向發(fā)電，總發(fā)電量反而比雙向發(fā)電量多，此時，反向不發(fā)電，僅僅開啟泄水閘門對水庫充水，至海側(cè)和庫側(cè)水位相等時關(guān)閉閘門，然后等落潮時正向發(fā)電運(yùn)行。因此電站操作人員要根據(jù)實際情況選擇不同的運(yùn)行方式，機(jī)組控制系統(tǒng)要能適應(yīng)這種方式變化。

5 結(jié)束語

我國擁有漫長的海岸線，海岸曲折，港灣眾多，潮汐能源非常豐富。與風(fēng)能、太陽能一樣，潮汐能也是一種可再生的新能源，建設(shè)潮汐電站，開發(fā)利用潮汐能，大有可為。

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1672-5387（2010）03-0044-03

2010-04-28

呂惠青（1973-），女，工程師，主要從事電氣二次設(shè)計。（E-mail：lu_hq@ecidi.com）