定速抽水蓄能机组工况转换及控制流程综述

孙 凯，舒 琼，薛 峰

［福伊特智能控制（上海）有限公司，上海市 200240］

0 引言

抽水蓄能机组具有起停迅速、反应灵敏以及可应调度要求在短时间内迅速转换为发电、抽水或调相等所需工况等特点，在系统电网中承担调峰、填谷、调频、调相、事故备用及黑起动等诸多任务，因此日平均起停次数较多，且工况转换频繁。这对于工况转换的时间、可靠性和控制流程的质量有着严格的要求。

近年来，由于采用交流励磁的可变速抽水蓄能机组具有在抽水工况下也可以通过调节机组的机械转速以改变水泵入力，从而扩大水泵水轮机最佳运行范围，并可参与电网频率的自动控制等特点，在国内开始小规模试验和兴建，例如在建的丰宁二期抽水蓄能电站机组等。

但由于变速机组具备自起动这一特有的起动方式，因此工况转换、控制流程以及相关电气设备等与定速机组存在不小差异。本文主要基于笔者所参与的数个抽水蓄能项目的经验等介绍定速机组的工况转换与控制流程，对变速机组不做涉及。

1 工况简介

抽水蓄能机组的运行工况，依照相应国家标准以及国内各抽水蓄能电站的实际运行情况，总体来说可以归纳为10种，并简要罗列如下[1]：

1.1 停机工况

机组处于静止停机状态。

1.2 旋转热备工况

机组以发电工况起动，机组达到额定转速、电压达到额定电压而不并网运行的一种工况，也称空载工况。

在这种工况下，机组能在最短时间内响应电网的调度，并入电网。

机组在空载工况下的水力特性和振摆情况等决定了在该工况下机组的最长运行时间。

1.3 发电工况

从上水库放水流向下水库，驱动机组水泵水轮机转轮转动，将水的势能转化为电能的运行状态。这也是水电站最为普遍的工况。

1.4 发电调相工况

转轮室压水后转轮在空气中旋转，机组发电方向并网运行的状态。

一般是机组走发电工况方向直至同期并网，并在机组出口断路器合上后，关闭导叶和进水阀，执行转轮室压水流程后，转换为发电调相工况运行，从电网吸收少量有功功率，并同时发出或吸收相应的无功功率，以调节区域电网的无功功率及电压质量。

由于发电方向下的调相运行不需要变频起动器或其他机组拖动，消耗较少。若机组处于停机工况时，电网如有调相需求，一般多采用发电调相工况运行。

国际上也有实例采用静止变频器（SFC）将机组由停机工况经压水后拖动至发电调相工况，主要是避免发电方向下的转轮室压水对于主轴密封的振动影响，本文不予展开。

1.5 抽水工况

机组从下水库向上水库抽水，将电能转化为水的势能的运行状态。

在抽水工况下，若上下库扬程变化很小，定速抽水蓄能机组从电网吸收的有功功率可视为几乎不变，一般在电网有填谷的需求时运行。而变速机组从电网吸收的有功功率可调，更具有灵活性。

1.6 抽水调相工况

该工况与发电调相工况除了运行方向以外，其他基本一致。

由于抽水方向下机组的起动需要SFC或需另一台机组进行拖动，一般多用于机组运行在抽水工况时电网有调相需求。

1.7 静止变频起动

利用SFC，从电网吸收有功功率，通过起动回路驱动机组以发电或抽水方向起动的方式。

如上文所提及，实际工程应用中，一般多用于抽水方向的机组起动。

1.8 背靠背起动/拖动

背靠背起动是指一台机组以拖动工况起动，通过起动回路驱动另一台机组以抽水方向起动的同步起动方式。

背靠背拖动是指机组以背靠背方式起动，拖动机运行在发电方向并提供变频电流将被拖动机拖至额定转速并且并网的一种工况。

背靠背起动方式因为需要占用一台机组作为拖动机，且电站内的最后一台机组不能被拖动，从所需增加的设备以及电厂机组可用状态的角度来说不是最优选择，但由于受到SFC可靠性和SFC拖动过程中产生的高次谐波等的影响，为保证随时备用的要求，以往的抽水蓄能电站不得不采用SFC起动为主、背靠背起动为辅的策略，从而不可避免地带来了高额的拖动设备的投资和繁琐的电气闭锁等问题。

随着SFC设备的不断升级完善和对于SFC拖动过程中产生的高次谐波的观念更改，目前的设计理念是若厂房中机组少于或等于4台，则仍沿用SFC起动为主、背靠背起动为辅的设计理念，设置至少1台套SFC和相应的背靠背拖动设备；若机组多于4台，则设置至少两套SFC，取消背靠背拖动功能及相应的电气设备，以节约投资，简化设计。[2-3]

1.9 黑起动工况

在厂用电源及外部电网供电消失后，用厂用自备应急电源作为起动电源，用直流系统或备用交流系统整流作为起励电源，机组以零起升压方式给主变压器、线路充电的一种运行状态。

当区域电网因故障自系统解列后，调度将会要求电站以黑起动工况起动机组，分片恢复区域电网，然后逐步恢复整个电网的供电，在最短时间内使系统恢复带负荷的能力。

1.10 线路充电工况

电站厂用电源正常时，由机组带主变压器、线路以零起升压方式给主变压器、线路充电的一种运行方式，与黑起动工况较为相似。

2 工况转换及流程简介

参考相关国家标准[1]并结合笔者所参与项目的实际运行要求，本文把工况分为稳态工况、过渡工况及特殊工况。其中，稳态工况包括停机工况、发电及发电调相工况、抽水及抽水调相工况。过渡工况则指旋转热备工况。特殊工况包括线路充电、黑起动、SFC拖动、背靠背起动及拖动等工况。而机组从其中某一工况到另一工况的过程则称为工况转换。

下文将以图1为例，对于机组的工况转换及流程控制做逐一介绍。限于篇幅，对于一般性流程不做具体介绍。[4-6]

图1 工况转换示意简图Figure 1 Mode change diagram

2.1 停机至发电工况（SR1-G1）

当机组处于停机工况，无事故，且相关设备和条件满足机组发电方向运行的要求时，可由调度远方或电站以自动或手动控制的方式起动机组。

首先由监控系统发令，将调速器、励磁等主要的子系统置为发电方向，同时需投入或闭锁相关保护功能。

例如，需在发电工况下投入发电机逆功率保护，防止机组在发电工况时导叶误关闭，致使机组从电网吸收有功功率。而在抽水或调相等工况下需闭锁该保护功能。

主要子系统的工况给定后，投入机组辅助系统和技术供水系统，复归机组的机械制动和主轴检修密封，然后将换向开关置为发电方向，打开进水阀的旁通阀或工作密封进行进水阀上下游的平压，待平压后开启进水阀。

为了缩短开机时间，当进水阀开度达到某一定值（如40%，根据工程经验设定，下文相同）时，即可打开导叶。导叶一般分为两段开启，第一段将导叶开度快速开启至空载开度+10%左右，以使机组转速快速攀升；当机组转速上升至75%额定转速（Nr）时，按照第二段导叶开启曲线，将导叶回关至空载开度+3%左右，使转速平缓上升，便于之后同期并网阶段对于转频的控制。

当机组转速上升至95%Nr时，合灭磁开关，励磁起励建压。当机组机端电压上升到80%以后，则可开始同期并网流程，调速器此时工作在转频控制模式，调节机组频率转速；励磁此时工作在自动电压闭环控制（AVR）模式，调节机端电压。

在抽水工况下，为了维持主变压器及机组侧的电压稳定，一般会给主变压器配置有载调压开关（OLTC）。当发电电动机并网后或者电网电压发生波动时，可以通过调节转换分接头的挡位以改变主变压器的变比，从而稳定主变压器低压侧的电压。而当机组停机后，若厂用变压器取自主变压器低压侧，此时也可投入OLTC以稳定主变压器低压侧电压稳定。为避免机组同期并网期间OLTC投入工作调节电压造成干扰，应在所有工况下机组进入同期并网前退出OLTC。

当机组在发电方向同期并网成功后，一般将调速器设置为功率调节模式，以跟随调度给定的有功设定值；励磁则保持为AVR模式，以维持机端电压稳定，或者根据调度要求，带一定的无功功率运行。

2.2 停机至发电调相工况（SFC2）/ 停机至抽水调相（SFC1/BP）

若机组处于停机工况时，需进行发电或抽水方向的调相运行，可通过以下两种方式进行工况转换：

（1）进水阀和导叶保持关闭，转轮室压水至转轮以下水位，然后通过SFC拖动至发电或抽水调相工况。

（2）起动另一台机组，在压水流程完成后，通过背靠背方式拖动至抽水调相工况，拖动机组则正常停机。

在调相工况下，由于转轮在空气中高速旋转，产生大量热量，需要用水来冷却转轮。排出后的冷却水温度较高，若直接排入尾水，且如果机组冷却水也是从尾水取水，则会对机组的冷却水循环造成不利影响。笔者所参与调试的电站就存在这种技术供水的取水口与排水口距离过近的问题。因此，在调相工况开始前，存在这种情况的机组应将技术供水的取水口和排水口全部或至少两者之一切换至其他流道。不存在上述情况的电站则无需切换技术供水。

将调速器、励磁以及其他辅助设备设置在对应的工况下，同时根据不同的起动方式或工况，以及各个电站自身的运行条件，投入或闭锁以下保护功能[7-11]。

（1）机组低电压保护：当机组运行在抽水或发电/抽水调相工况时，若机组突然掉电或低电压，为防止电源恢复时，机组异步启动损伤机组，需将机组立刻从电网解列。

需在机组抽水及发电/抽水调相工况下投入低电压保护。机组拖动过程中是否需要闭锁该功能以避免误跳，需要综合考虑机组和拖动设备的电气特性。

（2）机组低频保护：防止机组在系统频率低情况下，还作为电动机运行吸收有功功率。

需在SFC拖动、背靠背起动或拖动过程中闭锁，在机组处于抽水工况或调相工况时投入。

（3）主变压器差动（大差）保护和发电机纵差保护：根据纵差保护的配置范围，需在SFC起动和背靠背拖动过程中闭锁主变压器大差和发电机纵差保护。

（4）机组低频过流保护：在SFC拖动和背靠背拖动过程中，若发电机纵差保护被闭锁，为弥补这一失去保护的频率段，需投入低频过流保护。

（5）主变压器、机组过励磁保护：抽水及抽水调相工况起动过程中机组处于低频状态，易发生过励磁，需在SFC起动或者背靠背被拖动过程中闭锁机组和主变压器的过励磁保护。

（6）机组20Hz-100%注入式定子接地保护：在机组被拖动过程中，流过定子的少量低频不平衡电流会通过低通滤波器，造成保护误动，因此需在SFC拖动时闭锁；在背靠背拖动时，被拖动机的接地保护继续保持运行且中性点接地开关保持在合位，而拖动机组需闭锁该保护且置中性点接地开关为分位。

下文将对机组内部以及机组之间和SFC、励磁、调速器、保护在SFC拖动及背靠背拖动过程中的配合进行简要介绍。

2.2.1 转轮室压水

若机组通过SFC或者背靠背的方式进行起动，两者均首先需执行转轮室压水流程，将高压气体通入转轮室，将水压至转轮以下，使转轮处于空气之中，可大为降低机组被拖动时的阻力和振动，同时也相应减少了从电网吸收的有功功率或者上库水量的损耗。

由于转轮在空气中高速旋转，摩擦产生大量热量，因此还需要对机组的上下迷宫环通水，从而起到冷却和密封的作用。上下迷宫环冷却密封水流量正常，设计之初是压水流程开始的前提之一。但笔者在现场调试时也发现，当机组从停机工况走向调相工况时，迷宫环的流量较容易建立；而从抽水或发电工况转调相工况时，由于此时上下迷宫环和转轮之间的压力高于技术供水压力，流量无法建立，需要等待压水完成后，流量才能建立。因此，将迷宫水流量正常从压水流程开始的前提条件中删除。

在确认机组尾水闸门开启和导叶全关后，则可打开压水主阀，向转轮室内注入高压空气。压水主阀的关闭条件，可以通过尾水管上装设的水位开关来判断，也可通过设置延时时间来关闭。根据笔者现场的调试经验，尾水管的水位开关工作并不十分可靠，特别是在动态工况转换时（如发电或抽水转调相运行），尾水管内水力条件复杂紊乱，非常容易误动作或者不动作。因此，建议可以在静态和动态工况转换时多测试几次，记录从压水主阀打开，到水压到转轮以下某一停止位置的时间。这个停止位置可以通过观察和记录机组在压水完成后，有功功率在可接受范围内保持稳定运行且机组振摆正常的水位来判断。然后，便可以用延时时间来控制压水主阀的开启时长。

转轮室压水成功后，则可开启蜗壳泄压阀，在将工况转换时蜗壳内可能残留的气体排往尾水管的同时，对蜗壳压力和尾水压力进行平压，将转轮室内因迷宫环密封冷却水形成的水环从导叶间隙引入蜗壳并排至尾水，这样既可以避免由调相工况转抽水或发电时，在上库或下库产生“放炮”的现象，又可以避免在转轮旋转过程中由于水环太大，导致与转轮边缘接触所产生的发热、吸入功率变大及振摆加剧等不利工况。在此过程中，有些电站会选择同时将导叶打开一小开度，以加快水的排出。

压水过程中，如遇机组压水失败，或者其他故障需要停机，则先需要立刻终止压水流程，然后启动回水流程，将转轮室中的气体排出，水位上升后会对转轮的旋转产生阻力，可显著缩短机组事故停机时间。

2.2.2 SFC拖动（SFC1/ SFC2）

根据电站电气主接线的设计，若多台机组共用一条起动母线，应首先确保无其他机组正在占用起动母线进行拖动或者SFC电气制动。SFC拖动的典型电气接线可参考图2。

对于采用去离子水冷却方式的SFC系统，可提前投入相关辅机和控制阀门等，以缩短SFC的准备时间。

如图2所示，SFC先将三位选择开关Q切到Y位，接入SFC输出升压变压器SFCTR2，然后通过励磁和灭磁，测量并确认机组当前的转速为0 r/min。

接下来SFC将三位选择开关Q切到X位，接入旁路起动回路，然后通知励磁系统向转子内注入励磁电流。通过测定在定子内相应产生的感应电压，可以确定转子的初始位置，从而确定最合适的起动加速力矩，缓速拖动机组开始转动。

图2 SFC电气接线示意简图Figure 2 SFC Single line diagram

当SFC将机组拖动至5Hz以后，则将三位选择开关Q再次切回至Y位，接入SFC输出升压变压器SFCTR2，拖动机组快速升速至额定转速后，开始同期并网。并网成功后，机组从电网吸收少量有功功率，进相或滞相运行。

在拖动过程中，机组与SFC和励磁系统之间的配合可参考图3。

图3 SFC起动示意简图Figure 3 SFC start flow diagram

2.2.3 背靠背拖动（BP/ BG1）

背靠背拖动有多种起动方式，如同轴小电动机拖动、异步拖动、半同步拖动、同步拖动乃至跨电站拖动等。本节主要阐述同一电站内两台机组背靠背同步起动，相关的电气接线可参考图4。

首先将拖动机和被拖动机的调速器和励磁等子系统设置为对应的模式。对于技术供水系统，若被拖动机仅是工作于抽水调相工况而不需要继续转换为抽水工况，则需要考虑被拖动机组的技术取水和排水的切换。

被拖动机组的保护工况设定如本节内所述，拖动机组的保护工况可参照发电工况执行。

对于多台机组共用一条起动母线的情况，还需考虑机组本身以及机组与机组之间涉及的电气开关的硬线闭锁和软闭锁，避免形成短路或环流，造成严重事故。限于本文篇幅，在此不做赘述。

背靠背拖动流程简要介绍如下：

（1）拖动机和被拖动机向各自的子系统设置对应的工作模式，然后启动辅机系统。

（2）被拖动机将换向开关置为抽水方向。拖动机保持换向开关为分位，并将中性点接地开关置于分位，以保证电气轴建立后，系统内只有一个接地点。

（3）被拖动机投入机械制动并提前打开进水阀，以缩短拖动流程的时间；拖动机也同时投入机械制动，防止两台机组由于漏水等原因产生蠕动，从而影响拖动时的同步性。

（4）被拖动机合上起动开关，拖动机合上拖动开关。

（5）被拖动机组开始转轮室压水流程。

（6）压水成功之后，合拖动机出口断路器，两台机组之间正式建立电气连接，然后两台机组开始励磁，建立同步电磁力矩。

（7）同时复归两台机组的机械制动。

（8）当拖动机组的进水阀开度到达设定开度（如40%）时，拖动机退接力器锁定并打开导叶。导叶开启规律可参见图5，导叶先打开一个适合的小开度并缓慢上升，保证拖动机组和被拖动机组能够克服惯性和阻力，开始同步转动。待两台机组转动同步后，导叶打开并保持至空载开度+5%左右，两台机组的转速迅速同步上升。

（9）两台机组的转速同步上升到90%Nr时，被拖动机组的同期装置开始工作，此时将被拖动机组的励磁系统设置为AVR模式，同期装置同时发出脉冲调节电压。被拖动机组的转速则由拖动机组的调速系统统一调节。

（10）当两台机组的转速同步上升至95%Nr左右时，拖动机的导叶回关至空载开度，并根据同期并网的需求调节拖动机组的导叶开度。

（11）被拖动机组同期并网的同时分拖动机组的出口断路器。

（12）两台机组间的电气连接断开后，可以先分拖动机组的拖动开关，然后再分被拖动机组的起动开关，被拖动机组的背靠背起动流程结束。

图4 背靠背拖动电气接线示意简图Figure 4 BTB Start single line diagram

（13）拖动机组的出口断路器分闸之后，机组转速开始下降，当转速低于起励转速后，励磁系统开始逆变灭磁。

（14）当转速低于起励转速且机端电压小于5%后，且确认两台机组之间的电气连接断开后，合拖动机组的发电机中性点接地开关。

接下来拖动机组走正常停机流程，停机完成后，拖动机组的背靠背拖动流程结束。

在背靠背拖动过程中，若发生事故，必须注意两台机组励磁退出时间的配合。若被拖动机组的励磁先退出，拖动机的励磁后退出，那么被拖动机组将在此期间内处于失磁状态。由于被拖动机组的电枢反应消除，电磁制动力矩也将消失，其定子绕组阻抗将呈现非常低的状态，拖动机组的定子三相电流在被拖动机组定子中三相短路，会在起动回路中产生远大于额定电流的短路电流，严重时将烧毁起动回路相关设备。[11]因此，若在拖动过程中发生事故需要同时切除拖动机组和被拖动机组，必须保证两台机组的励磁系统同时退出。可以通过添加机组间的硬件跳闸回路以确保拖动机组和被拖动机组的灭磁开关同时分闸。

在发生事故跳机后，除需要保证同时退出两台机组的励磁外，还需要正确的分断拖动机的出口断路器。此时需要注意，在低于工频时（即机组转速低于额定），不同厂家的产品分断能力存在差异。例如Alstom的产品不允许在45Hz以下的分断。ABB及其他品牌允许25Hz以上分断，但此时应选用低频特性好的TPY型电流互感器，避免低频段的测量误差。

图5 背靠背，拖动机组导叶开启规律Figure 5 BTB mode， Guide vane opening curve of drag-unit

根据不同厂家断路器的低频分断能力，若机组发生跳机事故时的转频在要求值以下，是不允许分拖动机的出口断路器的。因为断路器的设计以分断工频电流为基准，低频和直流的分断能力较差。而机组若在起动过程中的低频区段发生故障，此时的短路电流并不会比工频时小，而且以直流分量为主。在这种情况下分闸，很有可能会损坏断路器。因此，可在断路器的控制回路、监控或保护系统中设置硬线和软闭锁，保证当机组处于背靠背拖动工况且出口断路器已合，转频低于要求值时，若发生事故跳机，则先同时分拖动机和被拖动机的灭磁开关，然后待拖动机停机完成后，再行分断路器；若转频高于要求值，则可先分出口断路器，然后再同时分两台机组的灭磁开关。

2.3 发电工况至发电调相工况（GC1）/抽水工况至抽水调相工况（PC1）

当调度要求机组发电/抽水调相运行时，若机组正处于发电或抽水工况，可将转轮室中的水压至转轮以下，然后便可进入调相工况。GC1和PC1的转换流程大致相同，主要步骤简介如下：

（1）将技术取水或排水切换至其他流道。

（2）抽水工况下，配置有OLTC的机组会设其为自动调节模式，以维持主变压器低压侧电压的稳定。转其他工况前，需退出OLTC。

（3）将调速器设置为调相工况模式，调速器将开始关闭导叶，卸除机组所带的有功负荷。

（4）将励磁系统置为自动无功控制模式（MVAR），进行零无功控制，卸除机组所带的无功负荷。

（5）将保护置为调相工况模式。有些电站需要导叶在调相工况下小角度开启的机组会投入过功率保护功能，防止导叶因误操作等原因打开过大，致使机组从电网吸收有功功率。

（6）待导叶全关后，可同时执行球阀关闭流程和转轮室压水流程，以缩短流程转换时间。

（7）压水成功后，对于采取旁通阀进行平压的进水阀，必须等旁通阀关闭或工作密封投入后，方可打开蜗壳泄压阀，以避免高水头的压力水进入并破坏蜗壳泄压阀和尾水管之间的管路。

（8）机组从抽水工况到进入抽水调相稳态工况后，将保护系统的低功率保护闭锁，防止保护因机组在调相工况下从电网吸收少量有功功率而误动作。

2.4 发电调相工况至发电工况（GC2）/抽水调相工况至抽水工况（PC2）

发电调相至发电以及抽水调相至抽水的转换流程也大致相同，主要步骤简介如下：

（1）将技术取水或排水切回至本机流道。

（2）若转向发电工况，需投入2.1节中所述的发电机逆功率保护；若转向抽水工况，为防止电动机运行时突然失电或入力过低，需投入电动机低功率保护。

（3）将励磁系统置为MVAR模式，并进行零无功控制，卸除机组所带的无功负荷。

（4）为压缩流程转换时间，同时执行进水阀开启流程和转轮室回水流程。

（5）为避免高水头的压力水进入蜗壳排气和泄压管路，必须等待机组蜗壳排气阀和蜗壳泄压阀完全关闭后，才可以打开进水阀旁通阀或工作密封进行平压。

（6）若发电调相转向发电方向，在进水阀开至设定开度（如40%）且转轮室回水完成后，则可通知调速器打开导叶进行回水。

若抽水调相转向抽水方向，除需判断进水阀开至设定开度（如40%）且转轮室回水完成外，还需判断溅水功率和/或启动压力达到设定值。溅水功率是指转轮室空气排尽，转轮在水中旋转造压时从电网吸收的有功功率。启动压力是指转轮和活动导叶之间的造压压力已经达到向上库抽水的水头要求。溅水功率和启动压力其一或两者到达设定值，均标志着转轮室回水造压完成，可打开导叶向上库抽水。

（7）发电调相至发电转换过程中，导叶打开至空载开度后，将调速器设置为功率调节模式，跟随调度给定的有功功率设定值，工况转换完成。

（8）抽水调相至抽水转换过程中，当导叶开至抽水开度，达到稳态抽水工况后，投入OLTC，保持主变低压侧电压稳定。同时可将励磁系统设置为功率因数控制模式，工况转换完成。

2.5 线路充电/黑起动工况（L1/BS1）

线路充电工况和黑起动工况较为相似，在此一并简介。在线路充电/黑起动工况下，需闭锁以下（不限于）主要保护功能：

（1）发电机负序过流保护。

（2）发电机逆功率保护。

（3）发电机失磁保护。

（4）发电机低频保护。

（5）发电机低电压保护。

（6）发电机失步保护。

（7）发电机过频保护等。

主要控制流程如下：

（1）在黑起动工况下，通过厂用电自动恢复流程，起动柴油发电机或备用进线电源，恢复机组黑起动或线路充电工况下必需设备的供电电源。

以下流程黑起动和线路充电基本相同。

（2）确认开关站的进、出线断路器全部断开，所有母线段无电压，或者根据开关站的不同设置另行讨论。

（3）确认所有机组的主变压器低压侧无电压。

（4）禁用厂用电的自动切换功能，禁用同期装置自动同期功能，将OLTC的分接头保持在中间位（即维持主变本身的变比保持不变）。

（5）设置调速器和励磁系统工作在发电方向。

（6）设置调速器工作在黑起动模式，即转频控制模式。设置励磁工作在线路充电/黑起动模式（即FCR电流闭环控制）。

（7）机组开机流程同正常发电开机流程，打开进水阀和导叶接力器。

（8）机组转速上升至起励转速（如95%Nr），合发电机出口断路器。

（9）出口断路器闭合后，合灭磁开关，励磁起励。同时设置保护系统为对应的工作模式。

（10）励磁起励后，会将机端电压上升至设定值（如30%），同时机组开始对主变压器进行充电。

（11）机端电压上升至设定值后，手动合起动机组的主变压器高压侧断路器，对高压电缆及开关站进行充电。

（12）根据实际情况手动将机端电压升到设定值，然后将励磁系统设置为AVR模式，维持机端出口电压不变。

（13）当开关站站内及站外电压与频率之差小于设定值时，可手动合开关站的出线断路器。

若开关站外系统电网无电压，亦可合上出线断路器，继续对线路进行充电。

（14）线路充电/黑起动工况完成。也可根据调度要求，继续转为发电工况或者机组停机。

2.6 普通停机（G2-SR2/GC3/P2/PC2/BG2/L2/BS2）

抽水蓄能机组的普通停机流程和常规机组相比，除了抽水和调相工况下需要转轮室回水以外，其他基本一致，因此下文主要介绍普通停机过程中的两种电气制动方式：SFC制动和励磁电制动隔离开关制动。这两种电气制动方式仅在机组没有电气事故时方可投入。

在进行电气制动前，需投入或闭锁以下保护功能。各个电站因运行条件不同而有所差异。

（1）主变压器差动（大差）保护和发电机纵差保护：如果相关差动保护的配置范围包括电气制动回路，而制动过程中，低频电流流向不同的电气分支，容易引起差动误动。因此需在电气制动时闭锁。

（2）机组20Hz-100%注入式定子接地保护：在机组电气制动过程中，流过定子的少量低频不平衡电流会通过低通滤波器，造成保护误动，因此需在电气制动时闭锁。

（3）机组低频过流保护：根据电气制动原理，在制动过程中，定子绕组的短路电流为一恒定值，不随机组转速的降低而变化，在机组转频降低后仍保持在较高值。为避免机组低转频时保护勿动，需在电气制动时闭锁。[13]

（4）机组低频保护，需在电气制动时闭锁。

（5）机组失磁保护，需在电气制动时闭锁。

（6）机组失步保护，需在电气制动时闭锁。

（7）发电机电流不平衡保护：若在励磁电制动隔离开关制动时，由于定子绕组端头短接（电气制动短路断路器）接触不良故障，需立刻逆变灭磁。所以，需在励磁电制动隔离开关制动时投入保护。

2.6.1 SFC制动

SFC制动是由SFC向定子注入电流，并同时控制励磁向转子注入电流，形成与机组旋转的惯性力矩相反向的电磁制动力矩。SFC制动速率比励磁制动更快，但需要占用电站的起动母线。

SFC制动主要流程如下：

（1）确认起动回路没有被占用。可在监控和相关电气开关的控制回路中设置软/硬件闭锁。

（2）通知SFC和励磁、保护等，机组执行SFC电气制动。

（3）在机组开始停机流程时，为缩短等待时间，可提前投入SFC的辅助设备。

（4）SFC辅助设备投入，具备上电条件后，合上发电机起动断路器，形成SFC制动电气回路。

（5）当机组转速下降至电气制动投入设定值（如50%）时，SFC上电并开始工作。

（6）参见图2，SFC将三位选择开关Q切到Y位，接入SFC输出升压变压器SFCTR2，并控制励磁设备向转子中注入电流，以测定机组当前转速。

（7）转速确认后，则SFC与励磁配合，形成反向的电气制动力矩，机组转速下降。

（8）若机组配置有机械制动设备，当机组转速下降至机械制动投入设定值（如5%）时，可投入机械制动。

（9）根据电气制动的原理，电气制动的转矩与转速成反比，机组在越低的转速可以获得更大的制动转矩，可显著缩短机组在低速阶段的停机时间。因此，建议在机组转速接近停止时（如＜1Hz）再退出电气制动。同时，也需要综合考虑此时定子的三相电流不平衡是否会导致跳机。

（10）机组停止转动后，分发电机起动断路器，同时通知SFC退出。

（11）SFC退出相关辅机，停止工作后，分SFC进出线隔离开关，SFC制动流程结束。

2.6.2 励磁电制动隔离开关制动

励磁制动是在机组解列、转子灭磁后，合上电气制动开关使定子三相短路，同时给转子重新励磁，形成反向的电磁制动力矩，主要流程如下：

（1）通知励磁及保护，机组执行励磁电制动隔离开关制动。

（2）当机组转速下降至电气制动投入设定值（如50%）时，合电气制动开关。

（3）电气制动开关闭合后，合灭磁开关，励磁起励，在发电机定子形成三相短路电流，机组的转速加速下降。

（4）若机组配置有机械制动设备，当机组转速下降至机械制动投入设定值（如5%）时，投入机械制动。

（5）与SFC制动类似，建议在机组转速接近停止时（如＜1Hz）再退出电气制动。此时应注意定子三相绕组的平衡。

（6）机组停止转动后，通知励磁逆变压器灭磁，励磁电气制动完成。

2.7 事故停机（ESD/QSD）

根据事故的原因，一般都可以分成电气事故和机械事故。而根据停机方式，可以分成ESD（紧急停机）和QSD（快速停机）。[5]相关内容本文不做赘述。

在事故停机过程中，以下情况可以考虑：

（1）若机组因为电气事故停机，则不允许投入电气制动，以避免事故扩大。这将导致机组在低转速阶段的停机时间大为延长，加速了轴瓦及润滑油的磨损。为缩短机组停机时间，可考虑在此情况下，适当提高机械制动的投入转速（如15%Nr）。

（2）若机组在抽水及发电/抽水调相工况下，发生事故跳机时，可以先分发电机出口断路器，使机组失去动力源，能更快地将机组停下来。因此，在抽水和发电/抽水调相工况下，可考虑将停机方式统一为ESD，不使用QSD。

3 结束语

本文根据定速抽水蓄能机组电气二次系统的设计，并结合笔者在现场参与系统联调过程中的经验和教训，归纳和总结了机组在工况转换时的关键节点以及各个系统之间的配合。本文所述内容主要基于笔者所经历的项目，不排除国内及国际上其他设计单位及厂家有不同的解决方案，在此一并说明，希望能对各位同行的设计工作有所借鉴。