抽水蓄能電站逆功率現(xiàn)象的淺析與認(rèn)識(shí)

王瑞棟+劉龍飛+李鵬

摘 要：某抽水蓄能電站發(fā)電工況并網(wǎng)初期向系統(tǒng)吸收較大有功功率，發(fā)生逆功率現(xiàn)象。按照逆功率及逆功率保護(hù)的定義及原理，通過分析確認(rèn)該異常現(xiàn)象發(fā)生的原因以及對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的影響。為今后對(duì)抽水蓄能電站機(jī)組逆功率現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)及應(yīng)對(duì)提供幫助和借鑒。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；逆功率；逆功率保護(hù)；導(dǎo)葉開度；分析

1 概述

某大型抽水蓄能電站機(jī)組發(fā)電工況并網(wǎng)初期出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象，故障現(xiàn)象為：最高逆功率達(dá)到190MW，逆功率保護(hù)未動(dòng)作，監(jiān)控系統(tǒng)未收到調(diào)速器根據(jù)靜水頭將導(dǎo)葉開限控制到17%至25.67%之間信號(hào)（DI1230 77W-ma2），隨后機(jī)組功率逐漸上升至設(shè)定范圍，機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行正常。對(duì)于抽水蓄能電站來說，逆功率保護(hù)屬于工況保護(hù)，僅設(shè)置于發(fā)電工況，所以針對(duì)該異常情況，根據(jù)逆功率及逆功率保護(hù)的原理，分析可能發(fā)生原因，影響及后果。

2 逆功率產(chǎn)生原因分析

抽水蓄能電站機(jī)組一般水頭較高對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)的控制精度要求高。機(jī)組并網(wǎng)后，導(dǎo)葉異常擺動(dòng)、關(guān)閉（或?qū)~持續(xù)保持空載開度）或打開較慢，可能會(huì)造成短時(shí)逆功率。電網(wǎng)頻率偏高或同期機(jī)組頻率低，導(dǎo)葉開度無法維持機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，機(jī)組需要吸收部分有功來維持50Hz的頻率。球閥異常關(guān)閉，斷路器未跳開，發(fā)電機(jī)運(yùn)行維持額定轉(zhuǎn)速，會(huì)向系統(tǒng)吸收功率。同期瞬間導(dǎo)葉開度小于設(shè)定開度，導(dǎo)致機(jī)組吸收負(fù)荷，可能出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象。同期并網(wǎng)時(shí)間較短，轉(zhuǎn)速慣性上升后，導(dǎo)葉開度回調(diào)過快，導(dǎo)致機(jī)組吸收負(fù)荷保持額定轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)失磁引發(fā)振蕩，造成功率變化，可能吸收有功出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓互感器（VT）二次回路出現(xiàn)異常情況，由于輸入到逆功率元件的電壓、電流相位角發(fā)生變化，可能引起逆功率保護(hù)誤動(dòng)。機(jī)組事故的情況下突然甩負(fù)荷使導(dǎo)葉全關(guān)后，斷路器沒有跳開，而機(jī)組轉(zhuǎn)速下降較慢，就會(huì)使機(jī)組吸收電網(wǎng)功率變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行而引起逆功率現(xiàn)象。

3 逆功率的影響

當(dāng)抽水蓄能電站機(jī)組發(fā)生逆功率現(xiàn)象，即發(fā)電工況轉(zhuǎn)為電動(dòng)工況運(yùn)行，從電磁力矩、水流流向、電網(wǎng)潮流等方面就會(huì)發(fā)生影響變化。發(fā)生后可能會(huì)短時(shí)恢復(fù)，也可能引發(fā)逆功率保護(hù)動(dòng)作，具體不同情況下可能會(huì)對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)、水泵水輪機(jī)及附屬設(shè)備造成造成以下影響。

發(fā)電機(jī)逆功率情況下，低水流量的微觀水擊作用會(huì)產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，最終致導(dǎo)葉損傷，對(duì)原動(dòng)機(jī)造成損害；機(jī)組的振動(dòng)、擺度會(huì)增大（會(huì)跟機(jī)組抽水啟動(dòng)過程從調(diào)相轉(zhuǎn)抽水時(shí)，排氣完成后相當(dāng)）；逆功率就是機(jī)組由發(fā)電機(jī)變?yōu)殡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行，即吸收系統(tǒng)的有功，來克服水輪機(jī)的阻力，可能對(duì)水導(dǎo)瓦、下導(dǎo)及推力瓦會(huì)有磨損；大的逆功率變化可能引起系統(tǒng)潮流改變、頻率下降。當(dāng)電網(wǎng)薄弱或發(fā)生異常時(shí)甚至?xí)峡咫娋W(wǎng)；對(duì)于發(fā)電機(jī)短時(shí)間逆功率運(yùn)行是不會(huì)有任何影響的。但是因?yàn)閺碾娋W(wǎng)倒吸有功及無功，同時(shí)會(huì)造成電機(jī)發(fā)熱等現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間逆功率運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁的無功從網(wǎng)上倒吸，等于是進(jìn)相運(yùn)行，這時(shí)候定子磁場(chǎng)在端部磁密最大，有可能會(huì)造成端部發(fā)熱。

4 逆功率現(xiàn)象的分析

4.1 電站逆功率保護(hù)設(shè)置

該電站逆功率保護(hù)電壓量取自機(jī)端VT，電流量取自機(jī)端CT。共設(shè)置機(jī)組電氣保護(hù)和機(jī)組機(jī)械保護(hù)（程序跳閘），機(jī)組機(jī)械保護(hù)做為機(jī)組電氣保護(hù)的補(bǔ)充保護(hù)配置。

4.1.1 機(jī)組電氣保護(hù)。為防止發(fā)電電動(dòng)機(jī)在發(fā)電工況下出現(xiàn)深度反水泵運(yùn)行狀態(tài)并向系統(tǒng)吸收有功功率而裝設(shè)電氣逆功率保護(hù)，即檢測(cè)發(fā)電工況時(shí)由系統(tǒng)流向發(fā)電電動(dòng)機(jī)的有功功率大于90MW，導(dǎo)葉開度大于30%時(shí)，保護(hù)延時(shí)60s動(dòng)作緊急停機(jī)。在電動(dòng)工況時(shí)閉鎖該保護(hù)。

4.1.2 機(jī)組機(jī)械保護(hù)。為防止逆功率現(xiàn)場(chǎng)吸收有功過大，而長(zhǎng)時(shí)間逆功率運(yùn)行，故設(shè)置機(jī)組機(jī)械保護(hù)。發(fā)電工況下機(jī)組向吸收有功功率大于120MW、導(dǎo)葉開度大于30%（74P-ma3）、機(jī)組開關(guān)GCB合閘位、球閥在中間開位（21-ma），監(jiān)控系統(tǒng)延時(shí)10s，發(fā)91G動(dòng)作緊急停機(jī)。

4.2 現(xiàn)象分析

4.2.1 保護(hù)未動(dòng)作邏輯解釋。經(jīng)查閱監(jiān)控信息發(fā)現(xiàn)，本次異?，F(xiàn)象發(fā)生過程中，球閥中間位置（21-ma）信號(hào)滿足，機(jī)組吸收功率190MW大于120MW且持續(xù)時(shí)間大于60s，但導(dǎo)葉開度導(dǎo)葉開度>30%（74P-ma3）不滿足條件，對(duì)比保護(hù)動(dòng)作邏輯圖，說明機(jī)組逆功率電氣保護(hù)（32G）與機(jī)組機(jī)械逆功率保護(hù)（91G）動(dòng)作條件不滿足，故說明該次異常現(xiàn)象保護(hù)未動(dòng)作符合邏輯。

4.2.2 監(jiān)控信號(hào)異常分析。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)組啟機(jī)過程中監(jiān)控未收到DI1230 77W-ma2信號(hào)（根據(jù)靜水頭調(diào)速器空載開度將導(dǎo)葉開限控制到17%至25.67%之間），經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)調(diào)速器回路相應(yīng)信號(hào)上送繼電器D024故障，導(dǎo)致77W-ma2信號(hào)未能上送至監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控不能收到DI1230 77W-ma2信號(hào)，則監(jiān)控系統(tǒng)不會(huì)發(fā)降低導(dǎo)葉開限令至調(diào)速器系統(tǒng)。所以，調(diào)速器系統(tǒng)導(dǎo)葉開限77保持發(fā)電工況導(dǎo)葉初始開限（根據(jù)靜水頭調(diào)速器開機(jī)開度將導(dǎo)葉開限控制到22.49%至30.88%之間）。但導(dǎo)葉開限僅用于控制導(dǎo)葉開度上限，不會(huì)控制導(dǎo)葉開度的關(guān)閉，故該繼電器故障并不能引起逆功率現(xiàn)象的發(fā)生，而本該繼電器故障與本次逆功率現(xiàn)象同時(shí)發(fā)生，屬于偶然情況。

4.2.3 導(dǎo)葉開度控制的說明。機(jī)組在發(fā)電工況開機(jī)過程中，對(duì)于導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)主要分為三個(gè)間段。第一間段即從開機(jī)至同期裝置啟動(dòng)，由速率調(diào)節(jié)65F完成，設(shè)定調(diào)節(jié)目標(biāo)范圍為99.6%至99.8%額定轉(zhuǎn)速；第二間段即同期過程中，由同期裝置根據(jù)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速；第三間段即機(jī)組并網(wǎng)以后，由功率調(diào)節(jié)65P和速率調(diào)節(jié)65F共同完成。當(dāng)導(dǎo)葉開度大于60%時(shí)，再次由監(jiān)控令對(duì)65F進(jìn)行調(diào)節(jié)，至在99.8%與100.2%范圍內(nèi)。機(jī)組開關(guān)合上并網(wǎng)以后，當(dāng)發(fā)電功率小于15MW時(shí)，調(diào)速器根據(jù)監(jiān)控令（65PR）調(diào)節(jié)65P增加功率；當(dāng)發(fā)電功率大于15MW，同時(shí)執(zhí)行AGC命令后，65P跟隨AGC功率設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.2.4 導(dǎo)葉開度控制對(duì)比。結(jié)合異?，F(xiàn)象發(fā)生間段，符合第三間段調(diào)速器導(dǎo)葉開度控制控制。當(dāng)導(dǎo)葉開度小于60%，由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令對(duì)65F進(jìn)行調(diào)節(jié)，但設(shè)定調(diào)節(jié)目標(biāo)范圍仍然為99.6%至99.8%額定轉(zhuǎn)速。對(duì)比轉(zhuǎn)速曲線并網(wǎng)過程中瞬時(shí)轉(zhuǎn)速達(dá)100.1%額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)條件即機(jī)網(wǎng)瞬間頻差小于Δf=0.15Hz，機(jī)組快速并網(wǎng)正常，而65F未及時(shí)參與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至目標(biāo)范圍。并網(wǎng)后65F才受初始調(diào)節(jié)要求關(guān)閉導(dǎo)葉，將轉(zhuǎn)速控制在目標(biāo)范圍。同時(shí)，65P根據(jù)監(jiān)控指令增加導(dǎo)葉開度，滿足負(fù)荷增加要求。但65F調(diào)節(jié)直接通過電調(diào)發(fā)出，而65P則在電調(diào)接收監(jiān)控指令后才執(zhí)行，所以65F調(diào)節(jié)降低導(dǎo)葉開度較65P調(diào)節(jié)增加導(dǎo)葉開度更早執(zhí)行，所以導(dǎo)致逆功率現(xiàn)象發(fā)生，而之后負(fù)荷增加至AGC設(shè)定值。

故本次異常逆功率異常情況屬于偶發(fā)現(xiàn)象，即在發(fā)電工況同期裝置啟動(dòng)短時(shí)間內(nèi)機(jī)組同期并網(wǎng)條件滿足（相角相同、電壓相同、頻率相同），而同期裝置未對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至100%額定轉(zhuǎn)速。導(dǎo)致并網(wǎng)初期轉(zhuǎn)速下調(diào)導(dǎo)葉關(guān)閉量較大，而維持額定轉(zhuǎn)速向系統(tǒng)吸收有功功率，發(fā)生逆功率現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

發(fā)電機(jī)在并網(wǎng)的瞬間，或者電網(wǎng)可能存在波動(dòng)等原因，暫時(shí)出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象。如果負(fù)荷增加太慢，就可能會(huì)擴(kuò)大逆功率現(xiàn)象，過延時(shí)造成逆功率跳閘。應(yīng)根據(jù)機(jī)組特性及固有保護(hù)設(shè)定，設(shè)定機(jī)組逆功率長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的大小及時(shí)長(zhǎng)，密切監(jiān)視機(jī)組功率負(fù)荷情況，若發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間逆功率且保護(hù)未動(dòng)作，應(yīng)考慮手動(dòng)停機(jī)。同時(shí)對(duì)可能影響的部件全面檢查。通過文章的分析簡(jiǎn)述，希望從理論和實(shí)踐方面，為今后抽水蓄能機(jī)組逆功率現(xiàn)象發(fā)生的分析提供一定的借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介：王瑞棟（1983-），男，山西省忻州市人，機(jī)電運(yùn)維班長(zhǎng)，工程師，本科，主要研究方向：抽水蓄能電站電氣控制運(yùn)維檢修。