清远抽水蓄能机组工况转换与控制方式浅析

杨 帆，彭煜民，季 忠，刘晓波，白剑飞

（1.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020；2.调峰调频发电公司清远抽水蓄能发电有限公司，广东 清远 511853；3.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

清远抽水蓄能机组工况转换与控制方式浅析

杨 帆1，彭煜民2，季 忠1，刘晓波3，白剑飞3

（1.东芝水电设备（杭州）有限公司，浙江 杭州 310020；
2.调峰调频发电公司清远抽水蓄能发电有限公司，广东 清远 511853；
3.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

介绍清远抽水蓄能电站的主要工况状态和工况转换，并着重对其中抽水工况的转换及流程进行分析，从而更好的了解抽水蓄能机组的工况转换控制流程。

抽水蓄能；工况转换；流程控制；抽水工况

1 前言

广东清远抽水蓄能电站是一座日调节的纯抽水蓄能电站，厂内安装4台立式单级混流可逆式水泵水轮机——发电电动机机组，发电工况下单机容量320MW，总装机容量1280MW。额定转速428.6r/min，电站最大毛水头504.5m。

电站主要任务是调峰、填谷、调频、调相和事故备用等。具备有发电和抽水两种主要运行方式，在两种运行方式之间又有多种从一个工况转到另一工况的运行转换方式。为了实现抽水蓄能电站的安全运行，机组工况转换的顺序控制就显得相当重要。本文针对清远抽水蓄能电站的机组工况转换及控制做一个简单介绍，并着重介绍抽水工况下的工况转换和控制流程。

2 机组的工况与转换

清远抽水蓄能机组有停机（S）、旋转备用（SR）、发电（G）、发电调相（GC）、抽水（P）、抽水调相（PC）等6个稳态，线路充电（LC）、背靠背拖动（L）和黑启动（BS）等3个暂态。如图1所示。

工况转换流程共计18个，工况转换控制程序主要由机组现地控制单元完成，具体转换流程见表1。

从图1和表1可以看出，机组从停机到发电的转换流程，必须先经过旋转备用工况；机组从停机到抽水的转换流程，必须先经过抽水调相工况。

机组从停机到抽水调相的转换，有SFC（变频启动装置）和背靠背（BTB）两种启动方式，这两种方式互为备用。跳机流程有快速停机和紧急停机两种。3个暂态工况的停机与发电转旋转备用及旋转备用转停机相同。

图1 机组各工况的转换关系图

表1 工况转换流程

3 工况转换的控制流程

6个稳态和3个暂态之间的转换，存在相互的关联、条件和顺序。在这些转换中，大部分转换是直接可逆的。发电和抽水为机组的主要运行工况。

3.1 停机转发电工况

在抽水蓄能的机组顺序控制流程中，停机转发电的工况转换实际上分成两个转换过程，一个是停机转旋转备用工况，一个是旋转备用转并网发电工况。旋转备用是在发电机出口断路器（GCB）不闭合的情况下，达到以额定转速空载转动，目的是机组达到额定转速及额定电压，可随时快速并网，并实现调节出力至额定容量的功能，可体现抽蓄机组的快速启动性。因为发电工况与常规机组类似，所以本文着重介绍抽水蓄能特有的抽水工况。

3.2 停机转抽水工况

停机转抽水的工况转换分为两个转换流程，一个是停机转抽水调相工况，一个是抽水调相转抽水工况。停机转抽水调相工况又分为SFC静止变频拖动和机组背靠背拖动两种启动方式。在SFC静止变频拖动中，通过启动刀闸，把SFC输出的启动电流输入到被拖动机（被拖动的机组）中；在背靠背拖动中，拖动机通过自身的拖动刀闸和被拖动机的启动刀闸把启动电流送到被拖动机。

下面结合流程图详细介绍SFC静止变频拖动下的抽水控制流程。

3.2.1 停机至抽水调相工况（S→PC）

在机组处于停机状态时，如果机组接收到需要SFC启动进行抽水调相的操作指令，需要判断SFC模式下抽水调相的开机准备条件。开机准备条件主要包含：SFC装置、SFC输入输出断路器、启动刀闸、启动母线联络刀闸和空压机处于可用状态，压水储气罐压力正常，机组静止态机械及电气准备条件处于正常。

确认满足SFC模式下的抽水调相条件后，监控系统开始启动SFC模式下的抽水调相流程。首先测试直流高顶油泵正常后，启动各辅机设备（启动冷却水泵、轴承循环油泵和高顶交流油泵，目的是建立机组的供水回路和供油回路）；在各辅机均已启动，且水路和油路均已建立后，闭合机组的启动刀闸和抽水方向隔离开关，同时将调速器（打开紧急停机阀和抽水方向模式选择阀）、励磁装置（励磁操作由SFC装置来控制）、继电保护装置设定为抽水调相模式和投入机械制动；打开压水补气阀，对转轮室进行充气压水控制。此时，闭合SFC的输入断路器，同时通过机械制动来防止转轮的转动；在SFC装置启动前，退出机械制动；通过启动SFC装置经由启动刀闸输出电流来拖动机组（SFC装置同时控制励磁装置输出）。当机端电压达到90%、转速达到95%以上后，开始进行自动同期控制（目的是在与电网并网前，通过同期装置调整SFC装置和励磁的输出,保证机组的频率、电压和相位与电网相同）。同期条件满足后，投入GCB，实现机组并网运行。通过监控系统操作停止SFC装置，断开SFC输入断路器和启动刀闸，当导叶在最小开度和励磁做无功控制时，机组进入抽水调相稳态（图2）。

图2 停机转抽水调相工况控制流程图

3.2.2 抽水调相至抽水工况（PC→P）

确认机组已在抽水调相稳态，监控系统发出抽水指令。在进行抽水调相转抽水工况前，先用抽水工况选择令复归抽水调相工况中的调速器、励磁和保护模式；导叶全关，关闭压水补气阀，同时打开排气阀，释放转轮室的空气，让水完全淹没转轮，使转轮室内压力达到抽水模式设定值；在进水阀全开和排气阀全关后，调速器根据上下库的水头打开并调节导叶到稳定开度，励磁做功率因数一定控制，在机组吸收的有功功率达到设定值后，机组进入抽水稳态（图3）。

图3 抽水调相转抽水工况控制流程图

以上即为SFC模式下从停机至抽水调相，再到抽水工况的控制流程。停机转抽水工况，BTB模式与SFC模式的区别为，BTB模式需考虑两台机之间的拖动和被拖动关系，及两台机间的发电机出口断路器、启动刀闸、拖动刀闸的状态和闭锁关系。

4 控制流程的特点和完善

上述清远抽水蓄能电站的发电工况和抽水工况的控制流程存在如下特点：

（1）机组的启动、停止及转换是各个设备逻辑关联性很强的系统控制，采用可编程控制器的顺序功能图来实现。

（2）控制程序采用顺序控制，只有在所有操作均得到正确执行并反馈使得跨步转换条件满足后，才能继续执行下一步，执行逻辑控制准确。

（3）顺序控制中每一步都设置了监控时间，如果超过监控时间仍不满足跨步条件，则执行跳机程序，逻辑控制可靠性高。

（4）系统设备控制主要采用硬布线逻辑及软件逻辑两者结合实现控制，无论程序执行到哪一步，均可在单步和自动之间进行切换，对机组的安全启动和提高机组的开机成功率十分重要。

（5）系统程序执行具有故障诊断功能，在机组启停失败时为运行及检修人员进行故障诊断及事故追述提供了很大的帮助。

抽水蓄能电站主要的运行工况是发电工况和抽水工况，但仅有上述两个工况是不够的，还需要其他一些工况和程序的补充，来提高抽蓄电站的功能和价值。

其中机组的黑启动（BS）是不可或缺的。所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后，系统全部停电(不排除孤立小电网仍维持运行)，处于全“黑”状态，电站可以不依赖别的电网帮助，通过系统中具备自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统供电恢复的过程。控制流程思路主要为以启动柴油发电机去带动10 kV厂用电的Ⅰ段母线或Ⅱ段母线，进而去带动0.4 kV母线上的设备及配电恢复供电，从而达到满足机组启动的准备条件，进而通过启动机组来恢复全厂供电系统。

除了黑启动，线路充电（LC）过程也很重要。线路充电主要是检验线路的绝缘强度，试验两侧断路器、隔离开关、电流互感器和继电保护的可靠性。一般采用发电机侧通过初期起励30%升压后采用手动控制方式对线路充电。

5 结束语

清远抽水蓄能机组的工况转换与顺序控制是紧密联系在一起的，无论是发电工况、抽水工况等各自内部的转换，还是抽水转发电的工况间的转换，都是伴随着控制流程程序而进行，两者是相辅相成的。控制流程要保证设计思路清晰、处理过程实用和修改调试便捷，同时辅以各种情况下的保护，能极大的保证工况转换的顺利进行，实现提高工况转换流程的时效性、完整性和安全性，从而达到满足抽水蓄能电站和电网调峰调频的需求。

[1]陈 坚，徐艳茹，叶渊杰，等.抽水蓄能电站首机首次水泵工况起动分析[J].水力发电，2009，35（10）：76-78.

[2]郑小刚，谷振富.抽水蓄能机组调相压水过程的控制[J].水电站机电技术，2009，32（4）：5-9.

TV743

：B

：1672-5387（2017）03-0044-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.03.014

2016-10-17

杨 帆（1982-），男，工程师，从事水轮发电机组的自动化设计，抽水蓄能水电站和水力试验台的全厂设备的电气及控制设计工作。