抽水蓄能电站逆功率现象的浅析与认识

王瑞栋+刘龙飞+李鹏

摘 要：某抽水蓄能电站发电工况并网初期向系统吸收较大有功功率，发生逆功率现象。按照逆功率及逆功率保护的定义及原理，通过分析确认该异常现象发生的原因以及对设备产生的影响。为今后对抽水蓄能电站机组逆功率现象的认识及应对提供帮助和借鉴。

关键词：抽水蓄能电站；逆功率；逆功率保护；导叶开度；分析

1 概述

某大型抽水蓄能电站机组发电工况并网初期出现逆功率现象，故障现象为：最高逆功率达到190MW，逆功率保护未动作，监控系统未收到调速器根据静水头将导叶开限控制到17%至25.67%之间信号（DI1230 77W-ma2），随后机组功率逐渐上升至设定范围，机组带负荷运行正常。对于抽水蓄能电站来说，逆功率保护属于工况保护，仅设置于发电工况，所以针对该异常情况，根据逆功率及逆功率保护的原理，分析可能发生原因，影响及后果。

2 逆功率产生原因分析

抽水蓄能电站机组一般水头较高对调速器系统的控制精度要求高。机组并网后，导叶异常摆动、关闭（或导叶持续保持空载开度）或打开较慢，可能会造成短时逆功率。电网频率偏高或同期机组频率低，导叶开度无法维持机组额定转速，机组需要吸收部分有功来维持50Hz的频率。球阀异常关闭，断路器未跳开，发电机运行维持额定转速，会向系统吸收功率。同期瞬间导叶开度小于设定开度，导致机组吸收负荷，可能出现逆功率现象。同期并网时间较短，转速惯性上升后，导叶开度回调过快，导致机组吸收负荷保持额定转速。发电机失磁引发振荡，造成功率变化，可能吸收有功出现逆功率现象。当发电机电压互感器（VT）二次回路出现异常情况，由于输入到逆功率元件的电压、电流相位角发生变化，可能引起逆功率保护误动。机组事故的情况下突然甩负荷使导叶全关后，断路器没有跳开，而机组转速下降较慢，就会使机组吸收电网功率变为电动机运行而引起逆功率现象。

3 逆功率的影响

当抽水蓄能电站机组发生逆功率现象，即发电工况转为电动工况运行，从电磁力矩、水流流向、电网潮流等方面就会发生影响变化。发生后可能会短时恢复，也可能引发逆功率保护动作，具体不同情况下可能会对发电电动机、水泵水轮机及附属设备造成造成以下影响。

发电机逆功率情况下，低水流量的微观水击作用会产生气蚀现象，最终致导叶损伤，对原动机造成损害；机组的振动、摆度会增大（会跟机组抽水启动过程从调相转抽水时，排气完成后相当）；逆功率就是机组由发电机变为电动机运行，即吸收系统的有功，来克服水轮机的阻力，可能对水导瓦、下导及推力瓦会有磨损；大的逆功率变化可能引起系统潮流改变、频率下降。当电网薄弱或发生异常时甚至会拖垮电网；对于发电机短时间逆功率运行是不会有任何影响的。但是因为从电网倒吸有功及无功，同时会造成电机发热等现象。当发电机长时间逆功率运行时，励磁的无功从网上倒吸，等于是进相运行，这时候定子磁场在端部磁密最大，有可能会造成端部发热。

4 逆功率现象的分析

4.1 电站逆功率保护设置

该电站逆功率保护电压量取自机端VT，电流量取自机端CT。共设置机组电气保护和机组机械保护（程序跳闸），机组机械保护做为机组电气保护的补充保护配置。

4.1.1 机组电气保护。为防止发电电动机在发电工况下出现深度反水泵运行状态并向系统吸收有功功率而装设电气逆功率保护，即检测发电工况时由系统流向发电电动机的有功功率大于90MW，导叶开度大于30%时，保护延时60s动作紧急停机。在电动工况时闭锁该保护。

4.1.2 机组机械保护。为防止逆功率现场吸收有功过大，而长时间逆功率运行，故设置机组机械保护。发电工况下机组向吸收有功功率大于120MW、导叶开度大于30%（74P-ma3）、机组开关GCB合闸位、球阀在中间开位（21-ma），监控系统延时10s，发91G动作紧急停机。

4.2 现象分析

4.2.1 保护未动作逻辑解释。经查阅监控信息发现，本次异常现象发生过程中，球阀中间位置（21-ma）信号满足，机组吸收功率190MW大于120MW且持续时间大于60s，但导叶开度导叶开度>30%（74P-ma3）不满足条件，对比保护动作逻辑图，说明机组逆功率电气保护（32G）与机组机械逆功率保护（91G）动作条件不满足，故说明该次异常现象保护未动作符合逻辑。

4.2.2 监控信号异常分析。经检查发现机组启机过程中监控未收到DI1230 77W-ma2信号（根据静水头调速器空载开度将导叶开限控制到17%至25.67%之间），经检查发现调速器回路相应信号上送继电器D024故障，导致77W-ma2信号未能上送至监控系统。监控不能收到DI1230 77W-ma2信号，则监控系统不会发降低导叶开限令至调速器系统。所以，调速器系统导叶开限77保持发电工况导叶初始开限（根据静水头调速器开机开度将导叶开限控制到22.49%至30.88%之间）。但导叶开限仅用于控制导叶开度上限，不会控制导叶开度的关闭，故该继电器故障并不能引起逆功率现象的发生，而本该继电器故障与本次逆功率现象同时发生，属于偶然情况。

4.2.3 导叶开度控制的说明。机组在发电工况开机过程中，对于导叶开度的调节主要分为三个间段。第一间段即从开机至同期装置启动，由速率调节65F完成，设定调节目标范围为99.6%至99.8%额定转速；第二间段即同期过程中，由同期装置根据系统频率调节机组转速；第三间段即机组并网以后，由功率调节65P和速率调节65F共同完成。当导叶开度大于60%时，再次由监控令对65F进行调节，至在99.8%与100.2%范围内。机组开关合上并网以后，当发电功率小于15MW时，调速器根据监控令（65PR）调节65P增加功率；当发电功率大于15MW，同时执行AGC命令后，65P跟随AGC功率设定值进行调节。

4.2.4 导叶开度控制对比。结合异常现象发生间段，符合第三间段调速器导叶开度控制控制。当导叶开度小于60%，由监控系统发令对65F进行调节，但设定调节目标范围仍然为99.6%至99.8%额定转速。对比转速曲线并网过程中瞬时转速达100.1%额定转速，转速满足并网条件即机网瞬间频差小于Δf=0.15Hz，机组快速并网正常，而65F未及时参与调节转速至目标范围。并网后65F才受初始调节要求关闭导叶，将转速控制在目标范围。同时，65P根据监控指令增加导叶开度，满足负荷增加要求。但65F调节直接通过电调发出，而65P则在电调接收监控指令后才执行，所以65F调节降低导叶开度较65P调节增加导叶开度更早执行，所以导致逆功率现象发生，而之后负荷增加至AGC设定值。

故本次异常逆功率异常情况属于偶发现象，即在发电工况同期装置启动短时间内机组同期并网条件满足（相角相同、电压相同、频率相同），而同期装置未对机组转速调节至100%额定转速。导致并网初期转速下调导叶关闭量较大，而维持额定转速向系统吸收有功功率，发生逆功率现象。

5 结束语

发电机在并网的瞬间，或者电网可能存在波动等原因，暂时出现逆功率现象。如果负荷增加太慢，就可能会扩大逆功率现象，过延时造成逆功率跳闸。应根据机组特性及固有保护设定，设定机组逆功率长时间运行的大小及时长，密切监视机组功率负荷情况，若发现长时间逆功率且保护未动作，应考虑手动停机。同时对可能影响的部件全面检查。通过文章的分析简述，希望从理论和实践方面，为今后抽水蓄能机组逆功率现象发生的分析提供一定的借鉴意义。

参考文献

[1]陈延枫.电力系统继电保护系统[M].中国电力出版社，2011.

[2]贺家李.电力系统机电保护原理[M].中国电力出版社，2010.

[3]王维俭.发电机变压器继电保护应用[M].中国电力出版社，2005.

作者简介：王瑞栋（1983-），男，山西省忻州市人，机电运维班长，工程师，本科，主要研究方向：抽水蓄能电站电气控制运维检修。