基于抽水蓄能机组黑启动特性的调速系统设计

蔡卫江，许 栋，孙永宾，徐宋成

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211106）

基于抽水蓄能机组黑启动特性的调速系统设计

蔡卫江，许 栋，孙永宾，徐宋成

（国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司，江苏省南京市 211106）

本文通过研究抽水蓄能机组黑启动对调速器液压控制系统的要求，指出了目前进口调速系统设备存在的问题和国内设计上的不足，讨论了大型抽水蓄能机组调速系统液压装置的配置及设计原则，提出了油压装置压力罐容积计算方法、直流油泵的配置、主配压阀的液压控制回路设计、分段关闭装置设计等，可以为我国大型蓄能电站调速系统的设计及改造提供有益借鉴。

抽水蓄能；黑启动；调速系统；压力罐容积；主配压阀；分段关闭

0 引言

所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后系统全部停电，处于全“黑”状态，不依赖别的网络帮助，通过系统中具有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，最终实现整个系统的恢复。

抽水蓄能机组启动迅速，运行灵活，负荷调整速度快、调整范围大，是电力系统最理想的备用电源。在电网发生故障和负荷快速增长时，抽水蓄能机组的快速响应能力可以起到紧急事故备用作用。可在无外界帮助的情况下，迅速自启动，并通过输电线路输送启动功率带动其他机组，从而使电力系统在最短时间内恢复供电能力。黑启动已成为电网崩溃后系统恢复正常运行的重要措施之一。近年来，发生在几个国家的几次大停电事故使得电网崩溃后系统快速恢复正常运行引起了高度重视。而抽水蓄能电站的黑启动已成为电网崩溃后系统恢复正常运行的重要措施之一[1-2]。

然而，我国在抽水蓄能电站调速系统设计方面缺乏经验，一直沿用常规混流式机组的设计，在压力罐容积、油泵、分段关闭装置的配置方面往往没有针对蓄能机组黑启动等特点进行充分考虑[3]。早期由于大型蓄能电站一直采用国外设备，并不一定适应中国国情，如进口主配压阀的控制往往没有设计纯机械液压操作回路，在电调柜发生故障情况下导叶无法手动操作，不能保证机组黑启动功能的可靠实现[4]。

近年来，我国已经实现了大型抽水蓄能电站调速系统的自主化，本文充分考虑蓄能机组黑启动对调速器的要求，总结在大型蓄能机组调速系统国产化方面取得的实践经验，对调速器液压系统的设计提出了一些有益探讨。

1 调速系统油压装置

1.1 压力油罐

抽水蓄能机组在电力系统中承担着调峰填谷、调频调相和事故备用的任务，特别是在电网事故情况下还承担着黑启动的重要任务，该情况下电厂厂用电消失，需要依靠电站自身的储能装置将导叶开启，启动机组，带动厂用电，同时启动控制设备，控制机组并网，恢复电网供电，因此需要的蓄能器容量比常规机组要更大一些。按照常规设计，依据GB/T 9652.1—2007《水轮机控制系统技术条件》及国际标准IEC 61362—2012《水轮机调节系统规范指南》推荐：在正常工作油压下限和油泵不打油时，压力罐的容积至少应能在压力降不超过正常工作油压下限和最低操作油压之差的条件下提供规定的各接力器行程数，一般按照3个导叶接力器行程，这里推荐蓄能机组应该按照4.5～6个导叶接力器行程放大考虑。

按波义耳定律PVn=Const，n=1.3设计，压力罐容积V0可按下式计算进行选择：压力罐容积计算如图1所示。

式中Vu——压力罐可用油的体积；

p0min——正常工作油压下限；

pR——水泵水轮机接力器最低操作油压；

VRES——剩余油量容积。剩余油量容积按下述方法决定：低油压机组紧急停机后压力罐内剩余油的油面应比出油管管口高2倍，防止压力罐内空气进入压力管道；如压力罐装在回油箱上，其油面的高低还应能便于油面显示。

图1 压力罐容积计算示意图Fig. 1 The diagram of calculation for pressune oil tank volume

与常规机组比较，蓄能机组压力罐容积考虑增加了1.5～3个接力器全行程的操作，成本会稍有上升，但由于蓄能机组接力器容积并不是很大，一般不超过0.5m3，压力罐只需增加2～ 3m3，成本增加并不大，但可以对机组承担黑启动和恢复电网供电起到重要保障作用。

1.2 油泵及电机

考虑机组黑启动过程中，交流电源消失，交流电机油泵不能正常运转，建议在主备用两台大泵基础上，单独设置一台小直流泵。直流油泵在火电厂已得到了广泛应用，主要在事故状态下，保证机组润滑需要的油压。在水电站方面，直流油泵可以作为事故油泵，黄河上游班多水电站主机为大型轴流转桨式水轮机，采用直流油泵取代事故压力油罐，用于事故情况下导叶紧急关闭提供油压[5]。可见直流泵在交流消失情况下，为系统油压的维持起到重要作用。但由于直流电机的控制系统较复杂，整体价格较贵，主要与容量有关，所以建议泵容量不必设置过大。机组启动时导叶较大动作靠压力油罐的储能来保证，直流泵只需要满足机组启动到额定转速附近后，调速器的空载调节直至并网即可。

一般蓄能机组导叶接力器容积在250～350L （取300L），按照机组空载导叶1min最快摆动10次，摆动范围一般不超过导叶接力器3%计算，计算油泵流量约为90L/min（300×10×0.03），电机功率按公式Pu=PiQin/（3.6η） 计算，其中：Pi为油泵出口压力，一般为6.3MPa。Qin为油泵的流量，单位：m3/h，η为电机效率，一般取0.85，计算可得直流电机功率约为11kW。

因此在成本允许的条件下，建议配置1台11kW的直流电机和90L左右的油泵，补充机组在空载调节及带厂用电或向线路充电时的油耗，确保蓄能机组黑启动功能的可靠性。

2 液压控制装置

2.1 主配压阀的先导控制功能设计

考虑极端情况下，若调速器电气部分故障，黑启动仍然需要开启机组，这就需要调速器配置机械手动操作主配压阀的机构。目前抽水蓄能电站大多采用法国ALSTOM、美国GE、德国安德里茨公司的主配，均不具备纯液压手动操作功能。国内引进后，往往需要外部增加附属机械机构来实现，但容易出现漂移，控制效果并不好。

根据抽蓄蓄能电站黑启动的特殊需求，南瑞集团公司采用了相应的改进设计，在主配控制方式上，采用了单端控制腔、另一端恒压腔方式。针对主配压阀复位方式，采用了液压油缸复位设计，不仅可以较好地实现掉电关闭，满足蓄能电站事故关闭的需求，而且可以实现纯液压手动操作，非常实用方便。同时针对主配压阀的先导控制回路，设计有自动操作、电手动操作、纯液压手动操作、紧急停机关闭、失电自动关闭五大功能，且失电情况下，可以灵活选用主配自动关闭或自动复中，目前在很多水电站已得到广泛应用。图2为南瑞公司生产的MDV系列主配压阀液压回路图。

图中FC为主配压阀，采用单端控制，DZ为复中控制油缸。SV1、SV2为比例伺服阀，S1、S2为梭阀，EV2为选择切换阀，上述阀组成自动控制时的双冗余先导回路，EV3、EV6为电磁阀组成双冗余紧急停机回路，任一电磁阀动作将直接关闭主配，EV1电磁阀和HV1液控阀组成复中油缸控制回路，可以在掉电和手动切换方式下控制复中油缸的投入，实现掉电关闭主配或自动复中。EV4、EV5阀可以在复中油缸投入时实现主配压阀的开启、关闭操作，用于纯液压手动操作回路。

上述液压回路不仅具备上述五大控制功能，还具有如下特点：①可根据需要灵活设置成掉电关机或保持自复中；②选用梭阀和液控阀作为控制选择回路，克服了常规采用电磁阀做掉电监视存在的长期带电问题，提高了设备可靠性。③可设计成纯液压机械手动，便于检修维护和紧急控制（如黑启动）时操作。与进口设备相比，该液压控制回路及主配压阀设计具有更灵活、更可靠的特点。

2.2 分段关闭装置配置

机组黑启动及向线路送电过程中，若出现机组事故需要快速关闭导叶，快速关闭将引起蜗壳流量的极大变化，而使管道产生较大的水力震荡，所以要采取合适的关闭规律，一般采用两段关闭规律。另外考虑到此时的供电系统不一定可靠，采用电磁阀作为先导驱动可能动作不了分段关闭装置，所以先导控制部分需要考虑纯机械液压设计。此外由于蓄能机组具有水轮机工况和水泵工况，采用的分段关闭规律不同，所以设计时还需要考虑两个问题，一是水轮机工况的分段关闭点设置和分段关闭速度调节，二是水泵工况的分段关闭点设置和分段关闭速度调节。

根据上述要求，南瑞集团公司针对抽水蓄能电站研制了专门的纯机械式分段关闭装置，该装置可在不同机组工况下，根据调节保证计算要求，以不同速率、不同拐点来调节导水机构的关闭速率。由于在水泵和水轮机两个方向的关闭调节规律均独立可调，它有效地实现了蓄能机组两个旋转方向的关机控制，解决了机组任意工况下紧急停机导叶关闭时的转速上升和水压上升两者之间的平衡问题，保护了机组的安全。

图2 MDV系列主配压阀液压控制原理图Fig. 2 The hydraulic control diagram of the MDV type of main distributing valve

图3 响水涧分段关闭装置液压原理Fig. 3 The hydraulic control diagram of the two-step closing device for the Xiangshuijian power station

图3为安徽响水涧蓄能电站分段关闭装置液压原理图。该装置先导驱动部分由两个行程换向阀和两个电磁切换阀及一个液控阀组成，其中行程阀分别用于纯机械模式下水泵及水轮机工况下分段点的选择，切换阀主要用于电气模式下上述两种工况的选择，液控阀则主要驱动主阀（插装阀C5、C6、C7），分别用于两种工况下的回路选择和速度调节。该装置可以灵活实现两种工况下的导叶关闭分段点和关闭速度调节，且导叶开启不受影响，满足机组黑启过程中万一机组发生故障需要紧急关闭导叶的要求。

3 结束语

近年来抽水蓄能电站的建设发展迅速，国外产品在大型抽水蓄能电站还有不少应用，然而其技术发展迟缓，不愿适应中国的国情而更改，迫切需要我们研究相应的设计方案和针对性产品。目前我国已经实现了大型抽水蓄能电站调速系统的自主化，本文充分考虑蓄能机组黑启动对调速器的要求，总结在大型蓄能机组调速系统国产化方面取得的实践经验，对调速器压力油罐容量计算、主配压阀的液压控制回路设计、分段关闭设计等方面提出了建设性思路，可供大型抽水蓄能电站调速器液压系统设计参考。

[1] 何灵子，徐佩刚.浅谈抽水蓄能电站的黑启动试验方案[J]. 水电站机电技术，2012，35（4）：26-28.HE Linzi，XU Peigang. Talk about the Black Start-up Test for Pumped Storage Power Station [J]. Mechanical and Electronic Technology of Hydropower Station，2012，35（4）：26-28.

[2] 张家坤. 抽水蓄能电站黑启动应用研究[D]. 华北电力大学硕士学位论文，2010，1-3.ZHANG Jiakun. The Research on Black Start-up Application of Pumped Storage Power Station [D]. Master’s Thesis of North China Electric Power University，2010，1-3.

[3] 曾继伦等. 抽水蓄能机组调速器液压系统设计[J]. 第一届水力发电技术国际会议论文集，2006，1239-1243.ZENG Jilun. The Hydraulic Design of Hydro-turbine governor for Pumped Storage Unit [J]. The 2th on International Conference Hydropower Technology and Equipment Proceedings，2006，1239-1243.

[4] 刘淑娟等. 抽水蓄能机组单导叶控制调速器常见故障模式及维护策略 [J]. 水力发电，2014，40（11），71-74.LIU Shujuan. The Common Failure Mode and Maintenance Strategy of Hydro-turbine Governor for Individual Guide-vane Pumped Storage Unit[J]. Hydroelectric Power，2014，40（11），71-74.

[5] 魏强，魏勇，班多水电站事故油泵替代事故压力油罐浅析 [J].青海电力，2011，30（1），28-30.WEI Qiang，WEI Yong. A Brief Analysis of the Replace of Using Accident Pump for Accident Tank on Banduo Hydro-Power Station [J]. Electric Power in Qinghai Province，2011，30（1），28-30.

2017-01-09

2017-04-18

蔡卫江（1970—），男，高级工程师，主要研究方向：水电站水轮机调速系统、综合自动化控制装置的研究和设计等。E-mail：13913826369@139.com

许 栋（1984—），男，工程师，主要研究方向：水电站水轮机调速系统、综合自动化控制装置的研究和设计等。E-mail：xudong@sgepri.sgcc.com.cn

孙永宾 （1985—） 男，助理工程师，主要研究方向：水电厂综合自动化系统、水轮机控制系统的技术支持和营销。E-mail：sunyongbin@sgepri.sgcc.com.cn

徐宋成（1983—），男，助理工程师，主要研究方向：水电厂综合自动化系统、水轮机控制系统的技术支持和营销。E-mail：xusongcheng@sgepri.sgcc.com.cn

Design of Turbine Governor for Pumped-Storage Units Based on Black Start

CAI Weijiang，XU Dong，SUN Yongbin，XU Songcheng
（State Grid Electric Power Research Institute，Nanjing 211106，China）

On the base of the black start of pumped-storage units，the requirements of turbine governor are developed.Currently domestic imported governors still remain some problems and shortages in design. The principle of configure and design for hydraulic system of governor are discussed in this paper. The calculating method of Pressure tank volume，the configure of DC motor，hydraulic circuit design of main distributing valve and the design of two-step closing device are proposed. It can provide the useful references for the design of governor of large pumpedstorage stations in our country.

pumped-storage；black start；turbine governor；Pressure tank volume； main distributing valve；two-step closing device

TM312

A学科代码：470.40

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.03.017