潮汐电站的机组控制

吕惠青

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州 310014）

潮汐电站的机组控制

吕惠青

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州 310014）

针对潮汐电站机组运行的不同工况，并结合现有电站运行经验对潮汐电站的机组控制过程进行介绍；特别是抽水运行工况在潮汐电站中应用，不仅增加电站运行的灵活性，促进潮汐能的利用，也提高电站经济效益。

潮汐电站；机组控制；运行工况；正向；反向；抽水

0 引言

潮涨潮落，往复不歇，潮汐能是一种可再生的绿色能源。利用潮汐发电，不会受枯水期和洪水期的影响，电量稳定而且还可以做到精确预报；不会造成建坝的淹没损失和人口迁移，不受燃料的开采和运输条件的制约，具有良好的综合效益。潮汐能的利用因其无比的优越性和宽广的前途，已为世界各国所关注。

1 潮汐电站的控制特点

潮汐电站一般根据海水潮位的周期性变化进行发电，水流从水库流向海洋进行的运行工况定为正向运行工况、海洋流向水库进行的运行工况定为反向运行工况。潮汐电站与常规水电站控制相比，主要有以下几个特点：

（1）运行工况多

常规水轮发电机组的运行工况不外乎停机、发电和调相三种；而潮汐电站机组的工况一般有停机、发电、泄水、抽水四种，并且有正反向之分，即正反向发电、正反向泄水和正反向抽水等工况。

目前国内的潮汐能机组容量不大，且为灯泡贯流式机组，均未考虑调相工况。就抽水工况而言，潮汐电站机组似乎与抽水蓄能机组相似，但实际有区别。潮汐电站机组的抽水工况有正反两个方向，即库侧向海侧抽水（正向）和海侧向库侧抽水（反向），而抽水蓄能机组只有一个方向，即永远是下库向上库抽水。另一个区别是，抽水蓄能机组抽水的目的是削峰填谷，利用用电低谷时富裕电能抽水，在用电高峰时发电；而潮汐电站机组的抽水，是在潮汐运动过程中，当两侧水位差处于相对较小的特定时段，进行抽水，以较少的电能获得更大的水位落差，以使下阶段发电时获得更多的电能。

（2）潮汐电站一般会有泄水闸参与水位控制，机组泄水运行可提高发电量，但也增加了机组控制的复杂性。

（3）由于潮汐电站利用海水的潮汐能源，每天一般会有两次潮涨潮落，所以机组的开停机操作比较频繁、复杂。特别是具有双向发电和抽水运行工况机组，由于被控对象多，切换操作复杂，其控制系统较常规水电机组要复杂得多。机组顺序控制需按严格和周密的闭锁自动进行，要求采用最优的操作路径，且操作时间最短。

（4）潮汐电站的机组台数相对较多，而且各机组的运行方式在同一时间内又是一致的，所以全站须配置一套公用工况控制系统，以便对各机组的运行方式进行统一的切换和闭锁。每一工况启动条件是水头值的大小和方向，它们由一套公用的水位发送器、水位差接收器组成的水头信号装置发出。

2 潮汐电站的机组控制过程

潮汐能过程变化很快，水量又无法储存，如果不及时利用，将很快消失，只有机组运行正常，潮汐能量才能转化成电能。因此机组的运行工况、控制方式是否合理会直接影响电站发电量和效益。下面借鉴国内某潮汐电站6号机组实践经验，对双向运行方式中含抽水运行工况的机组控制过程进行简要介绍。

根据潮位的周期性变化，6号机组运行的工况顺序正常情况下为：停机→正向发电→正向泄水→正向抽水→停机→反向发电→反向泄水→反向抽水→停机。机组的运行工况参见下图1。其控制过程如下：

图1 机组运行工况图

正向发电：落潮时，当海侧潮位消落至低于库水位H1时，同时机组具备自动开机条件即可启动运行发电，此时为正向发电工况。正向发电时海水从库侧流向海侧。由于海侧潮位消落速度比库水位降落速度快，工作水头不断提高，机组出力亦随之增加，直到海侧开始涨潮，而库水位随着发电运行仍继续下降，工作水头便开始不断下降，机组出力亦随之降低。直到发电水头降低至设定值H2时，机组减负荷至空载并跳发电机断路器，此时机组正向发电运行工况结束转正向泄水流程。

正向泄水：解列后机组仍空载运行，海水继续通过机组从库侧流向海侧，称为正向泄水运行工况。此时机组处于空转状态。同时开启泄水闸门加快库水排向海侧的速度以进一步加快降低库水位，为反向发电做准备。当库海侧水位差为零时（即平潮），泄水闸门关闭，即正向泄水运行工况完毕。

正向抽水：在泄水运行过程中，当水头降低使机组转速降至60%Ne转速时，合上发电机断路器，在调速器和励磁系统的配合下，机组转入抽水运行工况。海水从库侧抽向海侧，当水头至H3时，跳发电机断路器，正向抽水运行工况完毕转停机流程。

反向发电：机组停转、泄水闸门关闭后，库水位保持不变，但海侧潮位不断升高，至海侧潮位高于库水位H4时，机组即可启动运行发电，此时为反向发电运行工况。反向发电时海水从海侧流向库侧。由于海侧潮位升高速度比库侧水位上升速度快，工作水头不断提高，机组出力亦随之增加，直至海侧开始落潮，而库水位随着发电运行仍继续上升，工作水头便开始不断下降，机组出力亦随之降低。直至水头降至H5时，机组减负荷至空载并跳发电机断路器，此时机组反向发电运行工况结束转反向泄水流程。

反向泄水：解列后机组仍在空载运行，海水继续通过机组从海侧流向库侧，称为反向泄水工况。同时开启泄水闸门加快向水库充水的速度，以进一步提高库水位，为正向发电做准备。当库海侧水位差为零时（即平潮），泄水闸门关闭，即反向泄水运行工况完毕。

反向抽水：同正向抽水运行工况相似，只是海水从海侧抽向库侧，当水头至H6时，跳发电机断路器，反向抽水运行工况完毕转停机流程。

3 潮汐电站的机组控制流程

正常情况下，机组工况的流转遵循如下顺序：停机→正向发电→正向泄水→正向抽水→停机→反向发电→反向泄水→反向抽水→停机。随着潮涨潮落，库水位和潮位发生往复周期性变化，机组按上述顺序循环往复地运行，前一步工况完成后，开放下一步工况。正向、反向工况取决于库水位和潮位，库水位高于潮位，为正向，正向条件满足时，闭锁一切可能发生的反向工况，反之亦然。事故情况下，则无论机组处于何种运行工况，均执行事故停机流程。

现以6号机组为例，介绍潮汐电站的机组控制流程，下述流程均通过计算机监控系统实现。

3.1 停机→发电流程

（1）第一步：开机准备

机组开机准备状态如下：机组无事故、发电机断路器分位、制动闸复归位、机械制动腔无压、正向或反向断路器合位。当以上开机条件具备后，程序自动解除对第二步的闭锁，为第二步操作做准备。一旦值班人员发出开机令，则开始执行第二步操作。

（2）第二步：开辅机

a.开启轴承供油自保持球阀，命令发出后经延时，检测到轴承回油管油流正常后，执行后续流程。否则发故障信号，停止执行后续流程。

b.开启主轴密封水自保持球阀，命令发出后经延时，检测到密封水流正常后，执行后续流程。否则发故障信号，停止执行后续流程。

c.投高压油顶起油泵。两台高压油泵互相轮换，当其中作为工作油泵出现故障或该油泵启动后高压顶起油泵管路压力还是偏低，经过延时后，启动另一台油泵，如果两台油泵均故障，或两台都启动延时后管路压力还是偏低，则报警并停止执行后续流程。

d.如果灭磁开关未在合位，则合灭磁开关。

当以上条件满足后，程序自动解除对第三步操作的闭锁。

（3）第三步：启动调速器

启动调速器，将导叶和轮叶开启至空载开度。

（4）第四步：停高压顶起油泵

当机组转速上升至95%Ne转速时，切除高压油顶起油泵。

（5）第五步：投励磁装置

当机组转速上升至95%Ne转速时，投入励磁装置，给发电机建压。

（6）第六步：投准同期装置

当发电机机端电压至90%额定电压以上时，投入准同期装置。

（7）第七步：合发电机断路器

准同期装置检测到机组并列条件满足后，机组以准同步方式并入系统。

3.2 发电→泄水→抽水→停机流程

（1）第一步：减负载

处于发电运行的机组，发电水头和有功功率降低至设定值，自动降有功和无功功率至最小。当机组有功和无功功率至设定值时，程序自动解除对第二步操作的闭锁。

（2）第二步：跳开发电机断路器

跳开发电机断路器，使机组与系统解列。当发电机断路器在开断位置时，程序自动解除对第三步操作的闭锁。

（3）第三步：励磁灭磁

给励磁装置发灭磁令，降低发电机机端电压。

（4）第四步：给调速器发泄水命令

给调速器发泄水命令，将导叶和轮叶开度调至泄水角度，机组转入泄水工况，同时开启泄水闸门。当库海侧水位差为零时，泄水闸门关闭。

（5）第五步：向励磁调节器发出抽水指令

当机组在泄水工况下，转速降低至90%Ne转速，向励磁调节器发出抽水指令，程序自动解除对第六步操作的闭锁。

（6）第六步：向调速器发抽水指令

在泄水工况下，当转速降低至80%Ne转速，向调速器发出抽水指令，将导叶和轮叶开度调至抽水角度。

（7）第七步：合发电机断路器

当机组转速降至60%Ne转速的时候和以上条件执行完成，合发电机断路器。

（8）第八步：投入励磁

当断路器合上后，电机转子阻尼绕组产生的感应电流与定子绕组产生的旋转磁场相互作用形成电磁转矩，使电机像感应电动机一样启动起来，待机组转速接近同步转速（95%Ne）时投入励磁，机组即纳入同步，机组转入抽水工况。

（9）第九步：跳发电机断路器

机组在抽水工况下，当水头至设定值(H3或H6)时，跳发电机断路器，转入停机流程。程序自动解除对第十步的闭锁，为第十步操作作准备。

（10）第十步：给调速器发停机令

给调速器发停机令，关闭导叶和轮叶开度至全关位置。

（11）第十一步：投入机械制动

当机组转速降至20%Ne转速时，开启制动电磁阀，转速降至5%Ne转速以下并经过延时后，程序自动解除第十二步操作的闭锁。

（12）第十二步：停辅机

复归制动电磁阀、关闭轴承供油自保持球阀、关闭主轴密封水自保持球阀、切除高压油顶起装置、投入调速器锁锭、切除冷却风机、投入除湿器、投入加热器。

3.3 机组事故停机流程

无论机组处于何种运行工况，一旦发生事故，立即执行事故停机流程。事故分电气事故和水机事故。

（1）电气事故

当继电保护动作，则跳闸、灭磁和停机。

（2）水机事故

当发生以下水机事故：轴承过热、高位油箱油位过低、润滑油中断时，则首先作用于紧急停机电磁阀，负荷卸至空载后，再跳闸、灭磁和停机。

当发生以下水机事故：机组过速、事故停机过程中导叶弯曲连杆弯曲、调速器主配拒动时，则首先作用于卸压阀，使重锤动作关导叶，负荷卸至空载后，再跳闸、灭磁和停机。

4 潮汐电站机组控制的特殊要求

潮汐电站机组控制对辅机设备的可靠性、灵活性要求较高。潮汐电站的机组容量较小，但运行复杂，随着涨潮落潮，每天的负荷变化大，这就要求励磁系统和调速器系统适应性强，调节速度快，精度高。同时由于机组正、反向运行时，电气主回路的相序要作变换，这就需要调速器和励磁系统能正确识别工况信号并提前做好准备。

潮汐电站的机组控制，要求合理选择抽水工况的起动方式。针对抽水工况，启动方式的选择十分重要，采用变频起动、全电压异步起动还是降压异步起动等方式需要针对具体情况作论证。从本文介绍的6号机组来看，采用低转速时直接合断路器异步启动方式，此时发电机内部阻尼绕组产生的异步力矩适中，启动效果比较理想，可以在较短时间内把机组牵入同步，转入同步之前机组运行、振动摆度等参数满足设计要求。

潮汐电站的机组启动控制过程中，有必要采用高压油顶转子装置。这在机组刚启动时，减少静摩擦力矩有较明显的作用，同时对推力轴承形成油膜起到重要作用。对于常规的水轮发电机组，推力瓦是靠偏心支撑使机组在启动过程中形成锲形油膜，而对于有两个旋转方向的可逆机组是不可能利用这种方法形成油膜，需要靠高压油顶转子装置在推力瓦和镜板间注入高压油，在机组启动过程中，如果高压油顶起失败，则转入事故停机，以免烧坏推力轴瓦。

潮汐电站的机组控制方式要求具有灵活性。一年之中，一月之中，最高涨潮潮位是变化的，电站实际的开机水头、停机水头也将随之修正，要根据潮位、投入运行的机组台数等因素进行调整。当最高涨潮潮位很低时，可能改双向发电为单向正向发电，总发电量反而比双向发电量多，此时，反向不发电，仅仅开启泄水闸门对水库充水，至海侧和库侧水位相等时关闭闸门，然后等落潮时正向发电运行。因此电站操作人员要根据实际情况选择不同的运行方式，机组控制系统要能适应这种方式变化。

5 结束语

我国拥有漫长的海岸线，海岸曲折，港湾众多，潮汐能源非常丰富。与风能、太阳能一样，潮汐能也是一种可再生的新能源，建设潮汐电站，开发利用潮汐能，大有可为。

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1672-5387（2010）03-0044-03

2010-04-28

吕惠青（1973-），女，工程师，主要从事电气二次设计。（E-mail：lu_hq@ecidi.com）