抽水蓄能電站保安電源配置分析

李璟延

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司基建部，北京市 100761)

抽水蓄能電站保安電源配置分析

李璟延

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司基建部，北京市 100761)

抽水蓄能電站能為電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)的大容量清潔電力儲(chǔ)備，很好地滿足了電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求，更是吸納新型綠色能源穩(wěn)定入網(wǎng)的關(guān)鍵保障。為了使抽蓄電站更好地服務(wù)電網(wǎng)，本文介紹了我國(guó)在運(yùn)、在建抽蓄電站典型樞紐結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹了抽蓄電站保安電源配置及負(fù)荷分配原則，統(tǒng)計(jì)分析了現(xiàn)行抽蓄電站事故保安電源配置情況和主要影響因素，明確了保安負(fù)荷確定原則以及保安容量的計(jì)算方法。研究不僅為從事抽蓄建設(shè)管理的人員提供技術(shù)指導(dǎo)和幫助，也為我國(guó)抽蓄電站未來的設(shè)計(jì)規(guī)劃提供重要的參考和依據(jù)。

抽水蓄能電站；樞紐結(jié)構(gòu)；廠用電；保安負(fù)荷；保安電源

0 引言

作為電力系統(tǒng)的特殊電源，抽水蓄能電站具有調(diào)峰、填谷、事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能，不同運(yùn)行方式間啟停、轉(zhuǎn)換靈活迅捷，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要支撐，也是目前電網(wǎng)最經(jīng)濟(jì)的大規(guī)模儲(chǔ)能設(shè)施[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，用電負(fù)荷和峰谷差持續(xù)加大，電力用戶對(duì)供電質(zhì)量要求不斷提高；此外隨機(jī)性、間歇性綠色新能源大規(guī)模開發(fā)，抽蓄發(fā)展對(duì)保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、緩解電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻矛盾、增加新能源電力消納、促進(jìn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[2]。

研究表明，抽水蓄能容量在電力系統(tǒng)中所占最佳比例應(yīng)為總裝機(jī)容量的5%～10%。而我國(guó)抽水蓄能僅占不到2%，未來仍有巨大發(fā)展空間[3]。抽蓄電站面臨歷史上最好的發(fā)展時(shí)期，未來具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的發(fā)展空間。當(dāng)前智能電網(wǎng)建設(shè)飛速發(fā)展，電力儲(chǔ)能技術(shù)要求日益提高，可以說未來智能電網(wǎng)的核心應(yīng)該是電力儲(chǔ)能技術(shù)智能化的發(fā)展，因此抽水蓄能電站建設(shè)顯得日益重要和迫切。

由于抽水蓄能電站在電網(wǎng)中承擔(dān)的特殊功能，要求其必須配置事故保安電源，用以應(yīng)對(duì)抽蓄電站可能與電力系統(tǒng)和外來電源失去聯(lián)系而無法啟動(dòng)或可能影響人身、電站、設(shè)備安全的事故應(yīng)急工況。正確選取抽蓄電站保安負(fù)荷，合理配置抽蓄電站保安電源關(guān)系到抽蓄電站設(shè)計(jì)的科學(xué)性和經(jīng)濟(jì)性[4-6]。

1 抽蓄電站的發(fā)展

最早以蓄水為目的的抽蓄電站發(fā)展至今，已有近百年歷史[7]。截至2014年底，我國(guó)建成并投運(yùn)的大中型抽蓄電站三十多座，極大優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)。目前，世界各國(guó)政府紛紛降低化石能源比例，努力推進(jìn)綠色能源開發(fā)和終端用戶電力替代，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)和諧共處[8]。2014年，電網(wǎng)帶頭落實(shí)“一帶一路”戰(zhàn)略，構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，極大促進(jìn)了風(fēng)能、太陽能、潮汐能及生物等可再生清潔能源的開發(fā)與利用。抽蓄電站具有獨(dú)特的運(yùn)行特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)形式，立足于常規(guī)水電，運(yùn)行理念和管理方式又不同于常規(guī)水電。實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能和發(fā)電的自由轉(zhuǎn)換，是目前運(yùn)行環(huán)境最優(yōu)良的物理儲(chǔ)能方式[9]。

2 抽蓄電站的典型樞紐結(jié)構(gòu)

抽蓄電站樞紐建筑物主要由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等組成。輸水系統(tǒng)位于上、下水庫(kù)間的山體內(nèi)，主要包括：上水庫(kù)進(jìn)出水口、上水庫(kù)閘門井、上平洞、引水調(diào)壓室、上斜井、中平洞、下斜井、下平洞、引水鋼管等[9]。

由于兼顧抽水和發(fā)電需要，機(jī)組需要有一定的淹沒深度，因而主設(shè)備大都布置在山體內(nèi)。地下廠房洞群主要包括主副廠房、主變洞、尾水閘門洞、母線洞、進(jìn)場(chǎng)交通洞、通風(fēng)兼安全洞等附屬洞室。主副廠房洞與主變洞、尾水閘門洞依次平行布置。典型抽蓄電站水道系統(tǒng)引水部分為一洞兩機(jī)供水方式，尾水部分采用兩機(jī)一洞布置。中央集控室布置在地面，機(jī)組開停機(jī)操作主要在地面控制室內(nèi)進(jìn)行，設(shè)備巡檢和維修則在地下廠房?jī)?nèi)進(jìn)行，運(yùn)維人員配置較分散。某抽蓄電站典型地下引水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 抽蓄電站廠用電系統(tǒng)介紹

抽水蓄能電站為地下廠房，主要電氣設(shè)備布置在地下洞室內(nèi)，廠房?jī)?nèi)的通風(fēng)、供排水、消防、照明等廠用電負(fù)荷較常規(guī)水電站大；地面建筑物如上水庫(kù)、下水庫(kù)、開關(guān)站、中控樓等生產(chǎn)用電均取自廠用電系統(tǒng)。因此抽水蓄能電站要求廠用電有較高的供電可靠性和靈活性，以確保電站安全可靠運(yùn)行[10]。

廠用電接線取自兩個(gè)聯(lián)合單元的發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)端換相開關(guān)與主變壓器低壓側(cè)之間。當(dāng)機(jī)組發(fā)電時(shí)由機(jī)端取得電源；當(dāng)機(jī)組停機(jī)或作水泵工況運(yùn)行時(shí)，可以從500kV系統(tǒng)倒送廠用電。

為確保廠用電可靠，從地區(qū)電網(wǎng)另引接一回電源進(jìn)入電站作為備用電源，該備用電源一般是在電站施工期之初完成引接，主要擔(dān)負(fù)電站施工期用電運(yùn)行需求。以四段廠用電母線為例，某抽蓄電站廠用電接線如圖2所示。

由圖2可知，電站廠用電電源有四種獲取方式：①?gòu)陌l(fā)電電動(dòng)機(jī)出口引接一臺(tái)廠用變壓器；②500kV系統(tǒng)倒送電；③從地區(qū)電網(wǎng)引接一回廠用備用電源；④事故保安電源。各段母線之間設(shè)置母聯(lián)開關(guān)，各段母線負(fù)荷平均分配，保證抽蓄電站各用電負(fù)荷供電電源安全可靠。

圖1 抽蓄電站典型地下引水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 某抽蓄電站廠用電接線圖

4 抽蓄電站事故保安電源配置

4.1 事故保安電源配置原則

除了從發(fā)電電動(dòng)機(jī)出口引接一臺(tái)廠用變壓器，以及500kV系統(tǒng)倒送廠用電兩路電源外，抽水蓄能電站在施工期會(huì)從地區(qū)電網(wǎng)引接一至兩回電源作為施工供電電源，施工期結(jié)束后自行轉(zhuǎn)為電站運(yùn)行備用電源，但因?yàn)樵撾娫礊榈貐^(qū)電源，可靠性難以保證。抽水蓄能電站是地下廠房，作為電網(wǎng)的重要緊急事故備用電源，必須保證在緊急情況下電站地下廠房、大壩的安全和系統(tǒng)的緊急事故備用，故需要設(shè)置事故保安電源[11]。

相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于擔(dān)任系統(tǒng)峰荷、經(jīng)常全廠停機(jī)的特別重要的大型水電廠或抽水蓄能電廠，如有可能與系統(tǒng)失去聯(lián)系，又無其他可靠的廠用電外來電源，致使機(jī)組無法啟動(dòng)，影響大壩度汛安全或廠房可能被淹沒及人身或設(shè)備安全時(shí)，經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后，可設(shè)置應(yīng)急電源[11]。應(yīng)急電源，也稱事故保安電源，主要用于滿足保安負(fù)荷要求。

事故保安電源設(shè)置應(yīng)遵循以下原則[12]設(shè)置：抽水蓄能電站設(shè)置保安電源，容量配置及電能質(zhì)量應(yīng)滿足保安負(fù)荷要求。當(dāng)抽水蓄能機(jī)組承擔(dān)黑啟動(dòng)功能時(shí)，保安電源宜兼作黑啟動(dòng)電源，其容量應(yīng)保證黑啟動(dòng)機(jī)組安全啟動(dòng)必要的附屬和輔助設(shè)備電源負(fù)荷需求。保安電源與廠用電工作電源應(yīng)獨(dú)立，且應(yīng)有防止兩種電源并列運(yùn)行的措施。需要時(shí)，保安電源應(yīng)能自動(dòng)啟動(dòng)投入運(yùn)行。當(dāng)供電距離較遠(yuǎn)時(shí)，可將保安電源布置在壩區(qū)附近。保安電源應(yīng)包括廠房保安電源、黑啟動(dòng)機(jī)組及其他。蓄能電站宜設(shè)置專用的保安電源母線。當(dāng)保安電源與電站廠用電備用電源共用一段母線時(shí)，應(yīng)設(shè)置閉鎖裝置。此外保安負(fù)荷應(yīng)由兩回獨(dú)立電源供電，分別取自廠用電電源和保安電源。

4.2 事故保安電源裝置選取原則

近年來由于柴油發(fā)電機(jī)性價(jià)比的日益提高，已經(jīng)成為抽蓄電站常用的事故保安電源選擇之一，尤其是北方抽蓄電站，常常采用柴油發(fā)電機(jī)作為事故保安電源。南方因?yàn)楹恿饔晁渑妫＿x用小水電作為事故保安電源。此外也可采用逆變直流電源作為保安電源。統(tǒng)計(jì)分析了全國(guó)29個(gè)抽水蓄能電站的事故保安電源選取類別，如圖3所示。其中，采用小水電的占6%，采用直流蓄電池的占6%，絕大多數(shù)抽蓄電站采用柴油發(fā)電機(jī)，約占88%。

圖3 抽蓄電站事故保安電源選取統(tǒng)計(jì)

柴油發(fā)電機(jī)組作為保安電源時(shí)，應(yīng)具備快速啟動(dòng)功能，當(dāng)廠用電系統(tǒng)電源恢復(fù)正常后，應(yīng)能自動(dòng)切換和自動(dòng)延時(shí)停機(jī)。由于柴油發(fā)電機(jī)一般布置在靠近負(fù)荷端，且10kV額定電壓柴油發(fā)電機(jī)價(jià)格較高，故宜優(yōu)選額定電壓0.4kV，中性點(diǎn)直接接地的柴油發(fā)電機(jī)組做事故保安電源。由于柴油發(fā)電機(jī)需要定期維護(hù)檢修，故不宜布置在地下廠房。

當(dāng)電站專設(shè)小水電機(jī)組作為保安電源時(shí)，為保證保安電源的可靠性，宜配置兩臺(tái)小水電機(jī)組，且單臺(tái)機(jī)組的容量應(yīng)能滿足電站保安負(fù)荷所需。此外，為滿足黑啟動(dòng)功能，小水電機(jī)組應(yīng)具備孤網(wǎng)運(yùn)行能力。因?yàn)樾∷姸嘣谒畮?kù)附近，遠(yuǎn)離中控室，故小水電機(jī)組應(yīng)具備遠(yuǎn)方啟停功能，當(dāng)廠用電電源恢復(fù)正常后，應(yīng)能自動(dòng)切換和自動(dòng)停機(jī)。

4.3 事故保安負(fù)荷確定原則

事故保安電源負(fù)荷主要包括：廠房保安負(fù)荷、黑啟動(dòng)機(jī)組所需負(fù)荷以及上下水庫(kù)大壩泄洪設(shè)施用電負(fù)荷三部分[13]。其中廠房保安負(fù)荷主要包括：滲漏排水用負(fù)荷；電站消防水泵、消防排煙風(fēng)機(jī)、消防電梯等消防用設(shè)施用電負(fù)荷；以及應(yīng)急照明、疏散指示等負(fù)荷。黑啟動(dòng)機(jī)組所需負(fù)荷主要包括：機(jī)組啟停和正常運(yùn)行時(shí)所需要用電負(fù)荷；主變壓器空載冷卻系統(tǒng)等電氣設(shè)備所需用電負(fù)荷。

當(dāng)抽水蓄能機(jī)組承擔(dān)黑啟動(dòng)功能時(shí)，事故保安負(fù)荷應(yīng)當(dāng)包括機(jī)組黑啟動(dòng)機(jī)組所必須的附屬和輔助設(shè)備負(fù)荷要求，保安電源負(fù)荷應(yīng)當(dāng)能涵蓋廠房保安負(fù)荷和黑啟動(dòng)機(jī)組所需的負(fù)荷。

此外，如果上、下水庫(kù)大壩承擔(dān)泄洪任務(wù)時(shí)，由于與地下廠房距離相隔較遠(yuǎn)，需要單獨(dú)加裝保安電源以滿足泄洪設(shè)施用電負(fù)荷需求。統(tǒng)計(jì)分析了29個(gè)抽蓄電站，其中擔(dān)負(fù)泄洪功能的有11個(gè)，約占38%。為滿足泄洪功能需求，抽蓄電站根據(jù)泄洪用電負(fù)荷，均單獨(dú)在大壩附近加裝了保安電源。

4.4 事故保安電源容量確定原則

事故保安電源容量一般應(yīng)同時(shí)滿足幾種負(fù)荷的需要。根據(jù)保安負(fù)荷特征，確定保安電源容量。如抽蓄電站具有黑啟動(dòng)功能，保安電源容量按電站事故時(shí)可能的最大運(yùn)行方式，最低的黑啟動(dòng)負(fù)荷容量加上廠房保安電源容量等綜合計(jì)算比較確定。

廠房保安電源容量應(yīng)滿足相應(yīng)保安負(fù)荷用電的需要，主要包括電站全部工作滲漏排水泵運(yùn)行容量。如當(dāng)滲漏排水泵所需的保安電源容量過大時(shí)，可與其他保安電源分開單獨(dú)設(shè)置。調(diào)研統(tǒng)計(jì)分析了29個(gè)抽蓄電站，在保安電源容量選取中，滲漏排水泵的運(yùn)行容量對(duì)保安電源容量的確定起了關(guān)鍵決定作用。7個(gè)具有自流排水洞的抽蓄電站，其地下廠房所需的保安電源容量大大減小，可見滲漏排水是影響抽蓄電站保安電源容量非常重要的因素。滲漏排水泵與柴油發(fā)電機(jī)的容量比統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

由圖4可知，18個(gè)需要安裝滲漏排水泵的抽蓄電站，滲漏排水泵容量占事故保安電源容量60%以上的有12個(gè)，也即12個(gè)電站事故保安電源60%以上的容量分給了滲漏排水泵使用。故滲漏排水泵是事故保安電源的重要負(fù)荷，抽蓄電站地下廠房的特點(diǎn)決定了滲漏排水防范是廠房安保的第一要?jiǎng)?wù)。

此外廠房保安電源還需滿足消防系統(tǒng)用電負(fù)荷，包括消防水泵、事故排煙風(fēng)機(jī)、消防電梯等的最低需要。滿足無交、直流逆變電源的應(yīng)急照明需要。滿足最大單臺(tái)電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)容量，并進(jìn)行校驗(yàn)。滿足啟動(dòng)最大單臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)母線允許電壓降校驗(yàn)電源容量。當(dāng)最大電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，廠用電母線上的電壓水平不應(yīng)低于額定電壓的80%。

黑啟動(dòng)機(jī)組負(fù)荷容量應(yīng)滿足一臺(tái)機(jī)組黑啟動(dòng)、運(yùn)行時(shí)所需的最低用電負(fù)荷。當(dāng)兼作黑啟動(dòng)電源時(shí)，其容量按廠房保安負(fù)荷、黑啟動(dòng)負(fù)荷兩者的最大值確定。

其他事故保安電源容量應(yīng)滿足上、下水庫(kù)大壩防汛設(shè)施等所需的用電負(fù)荷要求。

4.5 事故保安電源容量計(jì)算

保安電源容量計(jì)算需要考慮穩(wěn)定負(fù)荷容量，以及保安電源啟動(dòng)負(fù)荷包含最大單臺(tái)容量電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)時(shí)的負(fù)荷計(jì)算，最后選取兩種計(jì)算的最大值[10]。

（1）保安電源的穩(wěn)定負(fù)荷計(jì)算，可采用式(1)計(jì)算。

式中：SJS1——計(jì)算負(fù)荷，kVA；

ηΣ——計(jì)算負(fù)荷的效率，一般取0.82～0.88；

cos?——計(jì)算負(fù)荷的功率因數(shù)，可取0.80。

（2）保安電源啟動(dòng)負(fù)荷包含最大單臺(tái)容量電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)時(shí)，保安電源計(jì)算負(fù)荷，可采用式（2）計(jì)算。

式中：SJS2—— 當(dāng)負(fù)荷包含最大單臺(tái)容量電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)時(shí)，保安電源計(jì)算負(fù)荷，kVA；

Pm—— 啟動(dòng)最大容量電動(dòng)機(jī)或成組電動(dòng)機(jī)的容量，kW；

cosφm——電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)功率因數(shù)，一般取0.4；

ηd·cosφd—— 電動(dòng)機(jī)的效率和額定功率因素乘積，簡(jiǎn)化計(jì)算時(shí)取0.80；

cosφG—— 當(dāng)保安電源為柴油發(fā)電機(jī)時(shí)的功率因素，可取0.80；

Kdq——電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)倍數(shù)；

C—— 按電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式確定的系數(shù)；全壓?jiǎn)?dòng)C=l.0，—△啟動(dòng)C=0.67；

PΣ、ηΣ——含義同式(1)說明。

（3）保安電源輸出容量最大計(jì)算負(fù)荷，可采用式（3）確定。

式中：SB1——保安電源的額定容量，kVA。

5 結(jié)論

抽蓄儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)在我國(guó)起步較晚，近幾年才開始大力發(fā)展。因?yàn)槌樾畋旧韮?yōu)良的儲(chǔ)能特性，對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行起到了至關(guān)重要的作用。隨著風(fēng)能、太陽能以及潮汐等新能源的開發(fā)和利用，反過來也催生了儲(chǔ)能技術(shù)，尤其是抽蓄儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步的發(fā)展和完善。目前，抽水蓄能領(lǐng)域有許多問題等待探索和規(guī)范。為了對(duì)以后抽水蓄能電站的建設(shè)和運(yùn)行提供指導(dǎo)和幫助，本文介紹了抽蓄電站的現(xiàn)狀和運(yùn)行特點(diǎn)，抽蓄電站典型樞紐結(jié)構(gòu)，以及電站廠用電系統(tǒng)，重點(diǎn)研究探討了蓄能電站事故保安電源的配置，統(tǒng)計(jì)分析了現(xiàn)行抽蓄電站事故保安電源的配置情況和主要影響因素。

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李璟延（1977—），女，博士，高級(jí)工程師，主要從事抽水蓄能電站電氣技術(shù)研究及管理工作。

The Design and Analysis on the Emergency Power Supply Configuration of Pumped Storage Power Plant

LI Jingyan
(State Grid Xinyuan Company LTD, Infrastructure Department,Beijing 100761, China)

Pumped storage power plant can provide high-quality and large-capacity clean power for the current power grid. It is good to meet the needs of grid security and stability. Besides,it is the stable storage guarantee for the new green energy accessed to the grid. To make the pumped storage power plants to better serve the grid, the paper elaborated on the development and the operating characteristics of the pumped storage power plants under construction and operation. It was described that the typical hub structure of pumped storage power plant, and the power and load distribution principle of their auxiliary power system. The research focused on the principles and requirements of emergency power supply, and determined the principles and calculation methods of the security load capacity. At last, the ideas had been put forward the future settings of the emergency power supply of pumped storage power plant. The study not only provides technical the guidance and assistance for the construction managers, but also provide the important reference and basis for our future pumped storage power plant design and planning.

pumped storage power plant; Hub structure; auxiliary power; security load; emergency power supply