大型抽水蓄能發(fā)電機(jī)組運(yùn)行方案的最佳選擇

■ 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司 溫海明

我國(guó)電力工業(yè)發(fā)展很快．然而高峰用電量和低谷用電量之間的反差日益增大，已經(jīng)達(dá)到2：1或3：1甚至更加懸殊的地步，迫切需要緩解．用于電力平衡調(diào)峰填谷最好辦法是建設(shè)抽水蓄能電站。

1 調(diào)峰填谷能力

由于核電站反應(yīng)堆不宜熄火，不能停機(jī)；風(fēng)電場(chǎng)又依賴于氣象條件，不宜調(diào)節(jié)。兩者都不適用于調(diào)峰填谷．可參與電網(wǎng)調(diào)峰填谷的發(fā)電機(jī)組只有以下5種方式：蒸汽輪發(fā)電機(jī)組、燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組、聯(lián)合循環(huán)燃?xì)庹羝钙桨l(fā)電機(jī)組、水輪發(fā)電機(jī)組和抽水蓄能發(fā)電機(jī)組。它們的調(diào)峰填谷性能對(duì)比見表1。

對(duì)比結(jié)果表明，抽水蓄能發(fā)電機(jī)組是電力系統(tǒng)最理想的調(diào)峰電源外，其最大優(yōu)點(diǎn)還在于具有調(diào)峰填谷的雙重作用：能儲(chǔ)存電能，將低谷負(fù)荷時(shí)多余電能儲(chǔ)存起來，而其他方式則不能。低谷時(shí)儲(chǔ)存的電能用于峰荷時(shí)可換來2－3倍的電價(jià)收入（如按峰谷比為2：1或3：1計(jì)）．抽水蓄能電站建設(shè)工期為4－5年，建成為5－7年，比常規(guī)水電要快．單位kW投資為2500－4300元，也比傳統(tǒng)水電少，所以，被列為優(yōu)選方式。

我國(guó)抽水蓄能機(jī)組基本都是買外國(guó)貨，機(jī)器運(yùn)行之前的調(diào)試，外國(guó)人都不讓我們看，自己又沒有進(jìn)行開發(fā)，只能永遠(yuǎn)買下去，永遠(yuǎn)受制于人。

在長(zhǎng)期陷入“引進(jìn)－落后－再引進(jìn)－再落后”的怪圈以后，根據(jù)三峽左岸機(jī)組的引進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組打捆招標(biāo)的利弊分析結(jié)果，國(guó)家“發(fā)改委”戰(zhàn)略性的決定，以寶泉、惠州、白蓮河三個(gè)蓄能電站的16臺(tái)x300MW機(jī)組為依托工程，采取以市場(chǎng)換技術(shù)的方針，實(shí)施聯(lián)合設(shè)計(jì)、合作制造、技貿(mào)結(jié)合的方式，進(jìn)行國(guó)際打捆招標(biāo)，積極扶持民族工業(yè)，實(shí)現(xiàn)大容量、高水頭、高轉(zhuǎn)速抽水蓄能發(fā)電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化。

即使實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，設(shè)備的合理使用和運(yùn)行維護(hù)等也必須自主創(chuàng)新、積累經(jīng)驗(yàn)，以保證產(chǎn)品的長(zhǎng)期、安全、可靠運(yùn)行。

2 機(jī)組運(yùn)行的特點(diǎn)

由于電力系統(tǒng)的運(yùn)行要求電力平衡，抽水蓄能機(jī)組需要經(jīng)常頻繁起動(dòng)，通常每周或雙日起動(dòng)一次。與常規(guī)電站相比，抽水蓄能電站的機(jī)組運(yùn)行工況更加復(fù)雜 、條件更加苛刻。它需要經(jīng)常切換下述幾種運(yùn)行工況：(1)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況。其中包括發(fā)電機(jī)狀態(tài)下的起動(dòng) 、發(fā)電運(yùn)行和停機(jī)制動(dòng)等；（2）電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況。其中包括電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下的起動(dòng)、抽水運(yùn)行等；（3）調(diào)相運(yùn)行工況。

針對(duì)上述16臺(tái)300 MW 機(jī)組，《發(fā)電設(shè)備國(guó)家工程研究中心》構(gòu)筑了仿真模型、開發(fā)了試驗(yàn)研究程序（軟件）、進(jìn)行了各種運(yùn)行工況的仿真分析計(jì)算，提供了經(jīng)過優(yōu)化的最佳方案選擇結(jié)果。

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3 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方式

電動(dòng)機(jī)狀態(tài)下起動(dòng)方式的選擇，主要取決于電站裝機(jī)臺(tái)數(shù)：（1）當(dāng)機(jī)組臺(tái)數(shù)較少時(shí)：對(duì)于1到2臺(tái)機(jī)組的電站，可根據(jù)機(jī)組的容量大小、電網(wǎng)特點(diǎn)、費(fèi)用等情況綜合考慮、折中確定，以便選擇直接、變頻、或輔助電動(dòng)機(jī)等3種起動(dòng)方式中的一種。（2）當(dāng)機(jī)組臺(tái)數(shù)較多時(shí)：對(duì)于2臺(tái)以上機(jī)組的電站，最優(yōu)選擇是變頻起動(dòng)方式，而背靠背起動(dòng)方式是理想的備用起動(dòng)方式。

3.1 直接起動(dòng)方式

3.1.1 優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)方法簡(jiǎn)單，成本低，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，起動(dòng)速度快； 電網(wǎng)電壓可以是全壓，也可以半壓；轉(zhuǎn)輪可以沖水，也可以壓（排）水起動(dòng)。

3.1.2 缺點(diǎn): 起動(dòng)電流大，會(huì)引起系統(tǒng)電壓降 , 并對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有沖擊;。

3.1.3 程序:（1）將勵(lì)磁繞組短接；（2）將發(fā)電電動(dòng)機(jī)直接并入電網(wǎng)；（3）此時(shí) 阻尼繞組所產(chǎn)生的異步力矩使機(jī)組起動(dòng)并加速；（4） 在接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)加上勵(lì)磁、拉入同步。

3.2 背靠背起動(dòng)方式

3.2.1 優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成干擾，不會(huì)對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，成本低，起動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)輪甚至可以不排水，但是一般采用壓水起動(dòng)。

3.2.2 缺點(diǎn)：不能起動(dòng)最后一臺(tái)機(jī)組（“背靠背”起動(dòng)的先決條件就是2臺(tái)以上）。

3.2.3 程序：（1）將兩臺(tái)機(jī)組在電氣上連接；（2）分別加上勵(lì)磁（一般給發(fā)電機(jī)加空載額定勵(lì)磁，給電動(dòng)機(jī)加80%空載額定勵(lì)磁）；（3）被起動(dòng)的電動(dòng)機(jī)在同步轉(zhuǎn)矩作用下跟隨發(fā)電機(jī)逐步升速；（4）將 發(fā)電機(jī)組的水輪機(jī)“導(dǎo)葉”緩慢開啟（兩臺(tái)機(jī)組容量相同時(shí)，導(dǎo)葉開度的最佳速度為每秒0.5%~0.6%的“導(dǎo)葉”全開度）；5.當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的80%時(shí)，兩機(jī)組投入各自的勵(lì)磁調(diào)解器；（6）當(dāng)接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)將電動(dòng)機(jī)并入電網(wǎng)；（7）解除與發(fā)電機(jī)的電氣連接。

3.3 變頻起動(dòng)方式

3.3.1 優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，不會(huì)對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生沖擊，所有機(jī)組都可以起動(dòng)。

3.3.2 缺點(diǎn)：電站機(jī)組臺(tái)數(shù)少（比如1~2臺(tái)）時(shí)，起動(dòng)成本較高，系統(tǒng)占地面積較大，一般需要壓水起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。

3.3.3 程序：（1）給被起動(dòng)機(jī)組施加空載額定電壓的勵(lì)磁；（2）接通入變頻器電源側(cè)開關(guān)，使整流器將恒頻、恒壓交流電變成電壓可調(diào)的直流電；（3）再 通過逆變器將該直流電逆變成與電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的頻率和電壓的交流電；（4）已被勵(lì)磁的轉(zhuǎn)子與定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相互作用，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩而起動(dòng)；（5）通過永磁機(jī)及位置傳感器輸出轉(zhuǎn)速信號(hào)及位置信號(hào)，由變頻器的控制裝置調(diào)整可控硅的導(dǎo)通角，由此來進(jìn)行轉(zhuǎn)速和整流控制；（6） 待轉(zhuǎn)速升至額定值時(shí)，將機(jī)組并網(wǎng)，同時(shí)切除與變頻器的連接。

3.3.4 注意：（1）靜止變頻器容量的選擇：要考慮到水力要求（水泵的功率大?。┖唾M(fèi)用情況（系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性）。（2）變頻器的尺寸和價(jià)格：取決于水泵的阻力矩，必要的話，可以校核起動(dòng)時(shí)間。（3）二次起動(dòng)的時(shí)間間隔的選擇：要考慮到其最小時(shí)間間隔應(yīng)能使變頻器完成裝置的（充）放電。放電時(shí)間應(yīng)由其制造商提供。

根據(jù)仿真模型試驗(yàn)，研究了脈沖驅(qū)動(dòng)方式以及所獲得的轉(zhuǎn)速變化曲線、電磁轉(zhuǎn)矩變化曲線、電流變化曲線、相電壓變化曲線。

4 運(yùn)行工況的轉(zhuǎn)換

4.1 由發(fā)電機(jī)到電動(dòng)機(jī)的工況轉(zhuǎn)換程序如下：

發(fā)電——電制動(dòng)——起動(dòng)(變頻或背靠背)——抽水

4.2 由電動(dòng)機(jī)到發(fā)電機(jī)的工況轉(zhuǎn)換程序如下：

抽水——電制動(dòng)——水輪機(jī)起動(dòng)——發(fā)電

研究結(jié)果表明，在上述2種運(yùn)行工況切換程序當(dāng)中，機(jī)組的制動(dòng)均以電氣制動(dòng)為最佳選擇。

此外，還針對(duì)機(jī)端三相、兩相及單相對(duì)地突然短路進(jìn)行了建模及仿真計(jì)算 。結(jié)果表明，當(dāng)時(shí)間為0、0.01、0.1、0.2、0.3、0.4（s）和 ∞ 時(shí)，三相突然短路電流各分量的具體數(shù)值，短路電流周期分量（有效值和峰值）以及非周期分量中的最大值高達(dá)74kA。需要特別注意。

還開發(fā)了機(jī)組承受150%過轉(zhuǎn)矩的仿真模型 和水輪發(fā)電機(jī)模型試驗(yàn)系統(tǒng) （軟件）。通過仿真模型試驗(yàn)，獲得了電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、勵(lì)磁電流和功角分別相對(duì)于時(shí)間的變化 特性曲線等。

5 結(jié)語

抽水蓄能發(fā)電機(jī)組已成為電網(wǎng)調(diào)峰填谷的主力機(jī)組。我國(guó)自主開發(fā)了仿真模型及其試驗(yàn)研究程序（軟件）、提供了最佳運(yùn)行工況優(yōu)化選擇的計(jì)算分析結(jié)果，對(duì)于新產(chǎn)品的開發(fā)、現(xiàn)有產(chǎn)品的運(yùn)行維護(hù)以及老產(chǎn)品的技術(shù)改造都具有重大指導(dǎo)意義。