定速抽水蓄能機組工況轉(zhuǎn)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(yīng)靈敏以及可應(yīng)調(diào)度要求在短時間內(nèi)迅速轉(zhuǎn)換為發(fā)電、抽水或調(diào)相等所需工況等特點，在系統(tǒng)電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用及黑起動等諸多任務(wù)，因此日平均起停次數(shù)較多，且工況轉(zhuǎn)換頻繁。這對于工況轉(zhuǎn)換的時間、可靠性和控制流程的質(zhì)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(diào)節(jié)機組的機械轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)換、控制流程以及相關(guān)電氣設(shè)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(zhuǎn)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(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)以及國內(nèi)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(zhuǎn)熱備工況

機組以發(fā)電工況起動，機組達到額定轉(zhuǎn)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(nèi)響應(yīng)電網(wǎng)的調(diào)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(qū)動機組水泵水輪機轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動，將水的勢能轉(zhuǎn)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(diào)相工況

轉(zhuǎn)輪室壓水后轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)，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(guān)閉導(dǎo)葉和進水閥，執(zhí)行轉(zhuǎn)輪室壓水流程后，轉(zhuǎn)換為發(fā)電調(diào)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(yīng)的無功功率，以調(diào)節(jié)區(qū)域電網(wǎng)的無功功率及電壓質(zhì)量。

由于發(fā)電方向下的調(diào)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(diào)相需求，一般多采用發(fā)電調(diào)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(diào)相工況，主要是避免發(fā)電方向下的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)，更具有靈活性。

1.6 抽水調(diào)相工況

該工況與發(fā)電調(diào)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(diào)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(qū)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(yīng)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(qū)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(zhuǎn)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(nèi)的最后一臺機組不能被拖動，從所需增加的設(shè)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(chǎn)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(shè)備的投資和繁瑣的電氣閉鎖等問題。

隨著SFC設(shè)備的不斷升級完善和對于SFC拖動過程中產(chǎn)生的高次諧波的觀念更改，目前的設(shè)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(shè)計理念，設(shè)置至少1臺套SFC和相應(yīng)的背靠背拖動設(shè)備；若機組多于4臺，則設(shè)置至少兩套SFC，取消背靠背拖動功能及相應(yīng)的電氣設(shè)備，以節(jié)約投資，簡化設(shè)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(yīng)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(dāng)區(qū)域電網(wǎng)因故障自系統(tǒng)解列后，調(diào)度將會要求電站以黑起動工況起動機組，分片恢復(fù)區(qū)域電網(wǎng)，然后逐步恢復(fù)整個電網(wǎng)的供電，在最短時間內(nèi)使系統(tǒng)恢復(fù)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(zhuǎn)換及流程簡介

參考相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)[1]并結(jié)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(diào)相工況、抽水及抽水調(diào)相工況。過渡工況則指旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。

下文將以圖1為例，對于機組的工況轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換示意簡圖Figure 1 Mode change diagram

2.1 停機至發(fā)電工況（SR1-G1）

當(dāng)機組處于停機工況，無事故，且相關(guān)設(shè)備和條件滿足機組發(fā)電方向運行的要求時，可由調(diào)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(diào)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(guān)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(dǎo)葉誤關(guān)閉，致使機組從電網(wǎng)吸收有功功率。而在抽水或調(diào)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(shù)供水系統(tǒng)，復(fù)歸機組的機械制動和主軸檢修密封，然后將換向開關(guān)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(dāng)進水閥開度達到某一定值（如40%，根據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)定，下文相同）時，即可打開導(dǎo)葉。導(dǎo)葉一般分為兩段開啟，第一段將導(dǎo)葉開度快速開啟至空載開度+10%左右，以使機組轉(zhuǎn)速快速攀升；當(dāng)機組轉(zhuǎn)速上升至75%額定轉(zhuǎn)速（Nr）時，按照第二段導(dǎo)葉開啟曲線，將導(dǎo)葉回關(guān)至空載開度+3%左右，使轉(zhuǎn)速平緩上升，便于之后同期并網(wǎng)階段對于轉(zhuǎn)頻的控制。

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

在抽水工況下，為了維持主變壓器及機組側(cè)的電壓穩(wěn)定，一般會給主變壓器配置有載調(diào)壓開關(guān)（OLTC）。當(dāng)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(diào)節(jié)轉(zhuǎn)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(cè)的電壓。而當(dāng)機組停機后，若廠用變壓器取自主變壓器低壓側(cè)，此時也可投入OLTC以穩(wěn)定主變壓器低壓側(cè)電壓穩(wěn)定。為避免機組同期并網(wǎng)期間OLTC投入工作調(diào)節(jié)電壓造成干擾，應(yīng)在所有工況下機組進入同期并網(wǎng)前退出OLTC。

當(dāng)機組在發(fā)電方向同期并網(wǎng)成功后，一般將調(diào)速器設(shè)置為功率調(diào)節(jié)模式，以跟隨調(diào)度給定的有功設(shè)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(diào)度要求，帶一定的無功功率運行。

2.2 停機至發(fā)電調(diào)相工況（SFC2）/ 停機至抽水調(diào)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(diào)相運行，可通過以下兩種方式進行工況轉(zhuǎn)換：

（1）進水閥和導(dǎo)葉保持關(guān)閉，轉(zhuǎn)輪室壓水至轉(zhuǎn)輪以下水位，然后通過SFC拖動至發(fā)電或抽水調(diào)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(diào)相工況，拖動機組則正常停機。

在調(diào)相工況下，由于轉(zhuǎn)輪在空氣中高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生大量熱量，需要用水來冷卻轉(zhuǎn)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(diào)試的電站就存在這種技術(shù)供水的取水口與排水口距離過近的問題。因此，在調(diào)相工況開始前，存在這種情況的機組應(yīng)將技術(shù)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(shù)供水。

將調(diào)速器、勵磁以及其他輔助設(shè)備設(shè)置在對應(yīng)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(dāng)機組運行在抽水或發(fā)電/抽水調(diào)相工況時，若機組突然掉電或低電壓，為防止電源恢復(fù)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(diào)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(shè)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(diào)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(diào)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(guān)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(guān)為分位。

下文將對機組內(nèi)部以及機組之間和SFC、勵磁、調(diào)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(zhuǎn)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(zhuǎn)輪室壓水流程，將高壓氣體通入轉(zhuǎn)輪室，將水壓至轉(zhuǎn)輪以下，使轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)輪在空氣中高速旋轉(zhuǎn)，摩擦產(chǎn)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(shè)計之初是壓水流程開始的前提之一。但筆者在現(xiàn)場調(diào)試時也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機組從停機工況走向調(diào)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(zhuǎn)調(diào)相工況時，由于此時上下迷宮環(huán)和轉(zhuǎn)輪之間的壓力高于技術(shù)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(dǎo)葉全關(guān)后，則可打開壓水主閥，向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)注入高壓空氣。壓水主閥的關(guān)閉條件，可以通過尾水管上裝設(shè)的水位開關(guān)來判斷，也可通過設(shè)置延時時間來關(guān)閉。根據(jù)筆者現(xiàn)場的調(diào)試經(jīng)驗，尾水管的水位開關(guān)工作并不十分可靠，特別是在動態(tài)工況轉(zhuǎn)換時（如發(fā)電或抽水轉(zhuǎn)調(diào)相運行），尾水管內(nèi)水力條件復(fù)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(zhuǎn)換時多測試幾次，記錄從壓水主閥打開，到水壓到轉(zhuǎn)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(nèi)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(zhuǎn)輪室壓水成功后，則可開啟蝸殼泄壓閥，在將工況轉(zhuǎn)換時蝸殼內(nèi)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(zhuǎn)輪室內(nèi)因迷宮環(huán)密封冷卻水形成的水環(huán)從導(dǎo)葉間隙引入蝸殼并排至尾水，這樣既可以避免由調(diào)相工況轉(zhuǎn)抽水或發(fā)電時，在上庫或下庫產(chǎn)生“放炮”的現(xiàn)象，又可以避免在轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)過程中由于水環(huán)太大，導(dǎo)致與轉(zhuǎn)輪邊緣接觸所產(chǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)輪室中的氣體排出，水位上升后會對轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)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(shè)計，若多臺機組共用一條起動母線，應(yīng)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(guān)輔機和控制閥門等，以縮短SFC的準(zhǔn)備時間。

如圖2所示，SFC先將三位選擇開關(guān)Q切到Y(jié)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(dāng)前的轉(zhuǎn)速為0 r/min。

接下來SFC將三位選擇開關(guān)Q切到X位，接入旁路起動回路，然后通知勵磁系統(tǒng)向轉(zhuǎn)子內(nèi)注入勵磁電流。通過測定在定子內(nèi)相應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，可以確定轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動。

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

當(dāng)SFC將機組拖動至5Hz以后，則將三位選擇開關(guān)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(zhuǎn)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(nèi)兩臺機組背靠背同步起動，相關(guān)的電氣接線可參考圖4。

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

被拖動機組的保護工況設(shè)定如本節(jié)內(nèi)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(guān)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(shè)置對應(yīng)的工作模式，然后啟動輔機系統(tǒng)。

（2）被拖動機將換向開關(guān)置為抽水方向。拖動機保持換向開關(guān)為分位，并將中性點接地開關(guān)置于分位，以保證電氣軸建立后，系統(tǒng)內(nèi)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(chǎn)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(guān)，拖動機合上拖動開關(guān)。

（5）被拖動機組開始轉(zhuǎn)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(fù)歸兩臺機組的機械制動。

（8）當(dāng)拖動機組的進水閥開度到達設(shè)定開度（如40%）時，拖動機退接力器鎖定并打開導(dǎo)葉。導(dǎo)葉開啟規(guī)律可參見圖5，導(dǎo)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(zhuǎn)動。待兩臺機組轉(zhuǎn)動同步后，導(dǎo)葉打開并保持至空載開度+5%左右，兩臺機組的轉(zhuǎn)速迅速同步上升。

（9）兩臺機組的轉(zhuǎn)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(shè)置為AVR模式，同期裝置同時發(fā)出脈沖調(diào)節(jié)電壓。被拖動機組的轉(zhuǎn)速則由拖動機組的調(diào)速系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)節(jié)。

（10）當(dāng)兩臺機組的轉(zhuǎn)速同步上升至95%Nr左右時，拖動機的導(dǎo)葉回關(guān)至空載開度，并根據(jù)同期并網(wǎng)的需求調(diào)節(jié)拖動機組的導(dǎo)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(guān)，然后再分被拖動機組的起動開關(guān)，被拖動機組的背靠背起動流程結(jié)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(zhuǎn)速開始下降，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于起勵轉(zhuǎn)速后，勵磁系統(tǒng)開始逆變滅磁。

（14）當(dāng)轉(zhuǎn)速低于起勵轉(zhuǎn)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(guān)。

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(jié)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(nèi)處于失磁狀態(tài)。由于被拖動機組的電樞反應(yīng)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(chǎn)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(guān)設(shè)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(guān)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(zhuǎn)速低于額定），不同廠家的產(chǎn)品分斷能力存在差異。例如Alstom的產(chǎn)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(yīng)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(dǎo)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(zhuǎn)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(shè)計以分斷工頻電流為基準(zhǔn)，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(shè)置硬線和軟閉鎖，保證當(dāng)機組處于背靠背拖動工況且出口斷路器已合，轉(zhuǎn)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(guān)，然后待拖動機停機完成后，再行分斷路器；若轉(zhuǎn)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(guān)。

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

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

（1）將技術(shù)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(shè)其為自動調(diào)節(jié)模式，以維持主變壓器低壓側(cè)電壓的穩(wěn)定。轉(zhuǎn)其他工況前，需退出OLTC。

（3）將調(diào)速器設(shè)置為調(diào)相工況模式，調(diào)速器將開始關(guān)閉導(dǎo)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(diào)相工況模式。有些電站需要導(dǎo)葉在調(diào)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(dǎo)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(dǎo)葉全關(guān)后，可同時執(zhí)行球閥關(guān)閉流程和轉(zhuǎn)輪室壓水流程，以縮短流程轉(zhuǎn)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(guān)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(diào)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(diào)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(diào)相工況至發(fā)電工況（GC2）/抽水調(diào)相工況至抽水工況（PC2）

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

（1）將技術(shù)取水或排水切回至本機流道。

（2）若轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換時間，同時執(zhí)行進水閥開啟流程和轉(zhuǎn)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(guān)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(diào)相轉(zhuǎn)向發(fā)電方向，在進水閥開至設(shè)定開度（如40%）且轉(zhuǎn)輪室回水完成后，則可通知調(diào)速器打開導(dǎo)葉進行回水。

若抽水調(diào)相轉(zhuǎn)向抽水方向，除需判斷進水閥開至設(shè)定開度（如40%）且轉(zhuǎn)輪室回水完成外，還需判斷濺水功率和/或啟動壓力達到設(shè)定值。濺水功率是指轉(zhuǎn)輪室空氣排盡，轉(zhuǎn)輪在水中旋轉(zhuǎn)造壓時從電網(wǎng)吸收的有功功率。啟動壓力是指轉(zhuǎn)輪和活動導(dǎo)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(shè)定值，均標(biāo)志著轉(zhuǎn)輪室回水造壓完成，可打開導(dǎo)葉向上庫抽水。

（7）發(fā)電調(diào)相至發(fā)電轉(zhuǎn)換過程中，導(dǎo)葉打開至空載開度后，將調(diào)速器設(shè)置為功率調(diào)節(jié)模式，跟隨調(diào)度給定的有功功率設(shè)定值，工況轉(zhuǎn)換完成。

（8）抽水調(diào)相至抽水轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)導(dǎo)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(cè)電壓穩(wěn)定。同時可將勵磁系統(tǒng)設(shè)置為功率因數(shù)控制模式，工況轉(zhuǎn)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(fù)流程，起動柴油發(fā)電機或備用進線電源，恢復(fù)機組黑起動或線路充電工況下必需設(shè)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(guān)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(guān)站的不同設(shè)置另行討論。

（3）確認所有機組的主變壓器低壓側(cè)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(shè)置調(diào)速器和勵磁系統(tǒng)工作在發(fā)電方向。

（6）設(shè)置調(diào)速器工作在黑起動模式，即轉(zhuǎn)頻控制模式。設(shè)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(dǎo)葉接力器。

（8）機組轉(zhuǎn)速上升至起勵轉(zhuǎn)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(guān)，勵磁起勵。同時設(shè)置保護系統(tǒng)為對應(yīng)的工作模式。

（10）勵磁起勵后，會將機端電壓上升至設(shè)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(shè)定值后，手動合起動機組的主變壓器高壓側(cè)斷路器，對高壓電纜及開關(guān)站進行充電。

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

（13）當(dāng)開關(guān)站站內(nèi)及站外電壓與頻率之差小于設(shè)定值時，可手動合開關(guān)站的出線斷路器。

若開關(guān)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(diào)度要求，繼續(xù)轉(zhuǎn)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(diào)相工況下需要轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(zhuǎn)速的降低而變化，在機組轉(zhuǎn)頻降低后仍保持在較高值。為避免機組低轉(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(zhuǎn)子注入電流，形成與機組旋轉(zhuǎn)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(guān)電氣開關(guān)的控制回路中設(shè)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(shè)備。

（4）SFC輔助設(shè)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(dāng)機組轉(zhuǎn)速下降至電氣制動投入設(shè)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(guān)Q切到Y(jié)位，接入SFC輸出升壓變壓器SFCTR2，并控制勵磁設(shè)備向轉(zhuǎn)子中注入電流，以測定機組當(dāng)前轉(zhuǎn)速。

（7）轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速下降。

（8）若機組配置有機械制動設(shè)備，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速下降至機械制動投入設(shè)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(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比，機組在越低的轉(zhuǎn)速可以獲得更大的制動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dǎo)致跳機。

（10）機組停止轉(zhuǎn)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(guān)輔機，停止工作后，分SFC進出線隔離開關(guān)，SFC制動流程結(jié)束。

2.6.2 勵磁電制動隔離開關(guān)制動

勵磁制動是在機組解列、轉(zhuǎn)子滅磁后，合上電氣制動開關(guān)使定子三相短路，同時給轉(zhuǎn)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(guān)制動。

（2）當(dāng)機組轉(zhuǎn)速下降至電氣制動投入設(shè)定值（如50%）時，合電氣制動開關(guān)。

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

（4）若機組配置有機械制動設(shè)備，當(dāng)機組轉(zhuǎn)速下降至機械制動投入設(shè)定值（如5%）時，投入機械制動。

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

（6）機組停止轉(zhuǎn)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(guān)內(nèi)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(dǎo)致機組在低轉(zhuǎn)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(dāng)提高機械制動的投入轉(zhuǎn)速（如15%Nr）。

（2）若機組在抽水及發(fā)電/抽水調(diào)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(diào)相工況下，可考慮將停機方式統(tǒng)一為ESD，不使用QSD。

3 結(jié)束語

本文根據(jù)定速抽水蓄能機組電氣二次系統(tǒng)的設(shè)計，并結(jié)合筆者在現(xiàn)場參與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程中的經(jīng)驗和教訓(xùn)，歸納和總結(jié)了機組在工況轉(zhuǎn)換時的關(guān)鍵節(jié)點以及各個系統(tǒng)之間的配合。本文所述內(nèi)容主要基于筆者所經(jīng)歷的項目，不排除國內(nèi)及國際上其他設(shè)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(shè)計工作有所借鑒。