抽水蓄能电机

抽水蓄能电站主讲人：Contents抽水蓄能电站简介1抽水蓄能机组原理结构2抽水蓄能电站事故5抽水蓄能发展前景6抽水蓄能机组运行及故障4抽水蓄能机组启动问题31.抽水蓄能电站简介抽水蓄能电站是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。又称蓄能式水电站。它可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，还适于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，且宜为事故备用，还可提高系统中火电站和核电站的效率。抽水蓄能电站结构简图抽水蓄能电站由上水库、输水系统、安装有机组的厂房和下水库等建筑物组成。抽水蓄能电站的上水库是蓄存水量的工程设施，电网负荷低谷时段可将抽上来的水储存在库内，负荷高峰时段由水库放下来发电。输水系统是输送水量的工程设施，在水泵工况(抽水)把下水库的水量输送到上水库，在水轮机工况(发电)将上水库放出的水量通过厂房输送到下水库。厂房是放置蓄能机组和电气设备等重要机电设备的场所，也是电厂生产的中心。抽水蓄能电站无论是完成抽水、发电等基本功能，还是发挥调频、调相、升荷爬坡和紧急事故备用等重要作用，都是通过厂房中的机电设备来完成的。抽水蓄能电站的下水库也是蓄存水量的工程设施，负荷低谷时段可满足抽水的需要，负荷高峰时段可蓄存发电放水的水量。工程设施抽水蓄能电站的分类

一、按电站有无天然径流分1、纯抽水蓄能电站2、混合式抽水蓄能电站二、按水库调节性能分1、日调节抽水蓄能电站2、周调节抽水蓄能电站3、季调节抽水蓄能电站三、按站内安装的抽水蓄能机组类型分1、四机分置式2、三机串联式3、二机可逆式四、按布置特点分1、首部式2、中部式3、尾部式五、抽水蓄能电站的运行工况1、静止2、发电工况3、抽水工况4、发电调相工况5、抽水调相工况我国抽水蓄能电站的建设状况

我国在上世纪60年代后期才开始研究抽水蓄能电站的开发，于1968年和1973年先后建成岗南和密云两座小型混合式抽水蓄能电站，装机容量分别为11MW和22MW，与欧美、日本等发达国家和地区相比，我国抽水蓄能电站的建设起步较晚。上世纪90年代，随着改革开放的深入，国民经济快速发展，抽水蓄能电站建设也进入了快速发展期。先后兴建了广蓄一期、北京十三陵、浙江天荒坪等几座大型抽水蓄能电站。“十五”期间，又相继开工了张河湾、西龙池、白莲河等一批大型抽水蓄能电站。[1]

以广州抽水蓄能电站广州抽水蓄能电站，世界最大的抽水蓄能电站，位于广州市从化区吕田镇深山大谷中，它是大亚湾核电站的配套工程。电站枢纽由上、下水水库的拦河坝、引水系统和地下厂房等组成。总装机容量240万千瓦，装备8台30万千瓦具有水泵和发电双向调节能力的机组，在同类型电站中也是世界上规模最大的。

2.抽水蓄能机组原理结构

在小型抽水蓄能电站中，抽水蓄能电机可采用同时与水轮机和水泵相联结的形式，称作串联式机组。这种抽水蓄能电机与一般的同步电机无大的差别。在大型抽水蓄能电站中，抽水蓄能电机往往只和一种水力机械相联接，称为可逆式机组。这种水力机械在作水轮机和水泵运行时，不但其旋转方向不同，而且为了提高作水泵运行时的效率，转速应比作水轮机时适当提高，因此要求抽水蓄能电机不仅能正反旋转，而且能根据其运行情况相应地改变电机的极数以改变转速。以可逆式抽水蓄能机组为例：和常规水轮机相比较，可逆式水泵水轮机在水力性能上有一些明显的特点：(一)可逆式转轮要能适应两个方向水流的要求。由于水泵工况的水流条件较难满足，故可逆转轮一般都做成和离心泵一样的形状，而与常规水轮机转轮的现状相差较多。(二)由于水泵水轮机双向运行的特性，水泵工况和水轮机工况的最高效率区并不重合，在选择水泵水轮机的工作点时，一般先照顾水泵工况，因而水轮机工况就不能在最高效率点或其附近运行，在水力设计上，这种情况称为效率不匹配。(三)由于可逆式转轮的特有形状，在高水头运行时很容易产生叶片脱流而引起压力脉动。水泵工况时水流出口对导叶及固定桨叶的撞击也会形成很大的压力脉动，在转轮和导叶之间的压力脉动要比常规水轮机高。总的看来，可逆式水泵水轮机的水力振动特性要略差于常规水轮机。在抽水蓄能电站中应用最多的是可逆式水泵水轮机，与之配套的是可逆式电机。这种电机向一个方向旋转为电动机，向另一方向旋转为发电机，故称为可逆式电动发电机。从电气原理上看，同步发电机本身是可以正反旋转的。但与常规水轮发电机相比较，在结构上还有以下不同的特点：(一)双向旋转。由于可逆式水泵水轮机作水轮机和水泵运行时的旋转方向是相反的，因此电动发电机也需按双向运转设计。在电气上要求电源相序随发电工况和驱动工况而转换；同时电机本身的通风、冷却系统和轴承结构都应能适应双向旋转工作。(二)频繁启停。抽水蓄能电站在电力系统中担任填谷调峰、调频的作用，一般每天要启停数次，如英国迪诺威克抽水蓄能电站是近年建设的蓄能电站中启停频繁、操作要求很高的一个实例，设计每天启停40次。电动发电机功率调整幅度要求很大，调整也很频繁，大型机组要求有每秒钟增减10MW负荷的能力。(三)需有专门启动设施。可逆式电动发电机作电动机运行时，不能象组合式机组那样利用水轮机来启动，而必须采用专门的启动设备，从电网上启动，或采用“背靠背”方式各台机组间同步启动。在采用异步启动方法时需在转子上装设启动用阻尼绕组或使用实心磁极，当采用其他启动方法时均需增加专门的电气设备和相应的电站接线。这些措施都增加设备造价，并使操作复杂。(四)过渡过程复杂。抽水蓄能机组在工况转换过程中要经历各种复杂的水力、机械和电气瞬态过程。在这些瞬态过程中会发生比常规水轮发电机组大得多的受力和振动，因此对于整个机组和水道设计都提出了更严格的要求。可逆式（两机式）抽水蓄能电站由一台水泵水轮机与一台电动发电机组成，组成的机组称为二机可逆式水泵水轮机机组，电动发电机在上方，水泵水轮机在下方，二机轴通过联轴器连。3.抽水蓄能机组启动问题

抽水蓄能电站机组的单机容量往往比较大，当它作电动机运行时，若采用一般同步电机的异步起动方式直接起动，对电网的扰动较大。通常采用同步起动方式或用专门的起动电动机起动的办法。起动电动机一般用绕线式转子异步电动机。其容量约为被起动主机的5～8％。其极数比主机少2～4极，以使机组有可能升速到主机的同步转速，然后并入电网。同步起动方法是利用同一电站的一套机组作为水轮发电机，供电给另一台待起动的电机。在这二台电机开始起动以前先分别加上适当的励磁，然后缓慢起动水轮发电机组，使它馈电给被起动的电动机，将它也慢慢地起动起来，并与发电机进入同步。以后在两台电机同步运行的状态下逐渐升速，直至达到额定转速后共同并入电网。这种起动方法附加设备少，但起动时间比较长。工况启动1、异步启动2、同步启动3、半同步启动4、同轴小电机启动5、静止变频器启动SFC启动静止变频器(StaticFrequencvConverter，以下简称“SFC”），以SFC拖动方式为例:启动机组技术供水泵、推力轴承高压注油泵、调速器压力油泵,打开调速器主油阀和发电机冷却水电动阀,退出导叶液压锁定、复位调速器停机电磁阀;合机组换相刀PRD于水泵方向;检查启动母线可用,合SFC输出闸刀;合机组被拖动刀;投入发电机励磁并设定其工作于SFC拖动方式,置调速器和导叶于水泵工况;合上SFC输出开关,由SFC拖动机组转动(抽水方向);机组转速至15写额定转速时,打开蜗壳减压阀和水环排水阀,并打开主压水阀和补气阀,开始压水,延时155,关闭主压水阀、打开迷宫环供水阀,然后利用尾水位浮子来控制补气阀开关使机组尾水水位在允许范围内:高于控制水位则打开补气阀开始压水,低于控制水位则关闭补气阀停止压水,如果尾水位高于控制水位并继续升高到报警水位,则发命令释放一中间继电器,由尾水水位高保护动作跳机;当机组转速至90%额定转速时,退出高压注油泵,检查机组转向(逆时针),相序正确,投人同期装置;同期条件满足,同期装置发命令合发电机开关GCB;停下SFC,拉开SFC输出开关;拉开SFC输出闸刀,检查发电机开关在合闸状态,机组到达SCP稳态。背靠背启动背靠背方式即以一台机作为拖动机,另一台机作为被拖动机,其中拖动机的换相刀在打开状态,被拖动机的换相刀合在抽水方向。两者之间通过拖动机的发电机开关一拖动机的拖动刀一被拖动机的被拖动刀建立电气连接。两台机分别加励磁,拖动机发电方向旋转,带动被拖动机反向旋转,直至被拖动机并网抽水调相,拖动机自动转停机。背靠背启动方式无法跳开。在确认出口开关无法拉开后,只有拉开上级500kV开关。由于空载跳机组出口开关,还要检查导水叶位置在空载开度。若此信号电源也丢失,出口开关也无法打开。可试着手动励磁非空载跳闸继电器Klool。若仍无法拉开,则拉开上级sokov开关。抽水蓄能机组调相运行介绍：(1)发电调相启动过程及其运行(2)抽水调相启动过程及其运行

启动常见问题发电工况启动过程常见问题分析及对策(1)导叶液压锁锭和调速器停机电磁阀均为液压执行机构,可能发生机构发卡或出现油回路堵塞、漏油现象,导致导叶液压锁定退出不到位或调速器停机电磁阀不能完全复位。另外,由于上述机构的位置开关故障,不能正确反映其实际位置,监控系统收不到反馈信号,也是导致启动失败的原因之一。(2)机械制动装置(风闸)采用0.7MPa气压操作,如果机构卡涩,会使制动不能完全退出。特别是机组因启动失败导致程序故障停机及电气事故停机时,由于原设计闭锁电气制动,为缩短停机时间,机械制动在20%转速(100转)时投入。这样易导致机械制动机构轻度错位,风闸落不下,使得机械制动在机组启动时无法完全退出。另外,由于位置开关故障,不能正确反映其实际位置,致使监控系统收不到反馈信号,也将导致顺控程序卡在此处,不再继续往下执行,使转换失败。为避免机械制动无法退出,目前已取消20%转速投机械制动这一功能,改为5%转速投刹车。改造后,机械制动装以可逆式抽水蓄能机组为例：置发卡现象再也没有出现过。虽然事故停机时间加长了,但是提高了机组再次启动的成功率,实践证明是行之有效的。(3)电站运行初期,当机组处于低水头下运行时,对于未安装小导叶(MGV)的机组,当其转速上升到额定转速后,转速波动很大,既不能自动并网,又影响设备使用寿命。当时应急处理方法为将机组控制权切换到“现地/手动”,利用机组现地控制盘上的负荷增减按钮控制导叶开度,使其开度变小,转速稳定,可以使机组同期并网。并网后迅速加大导叶开度,增加机组出力,以避免逆功率保护动作。在2000年前后,通过论证和试验,采取在水轮机第5号和第18号导叶上加装MGV即小导叶的措施,使其在低水头时可独立于其它导叶动作,独立调节开度,起到低水头启动时稳定转速的作用。实践证明,安装了小导叶后,机组发电方向启动成功率大幅提高,在水头低于530米时仍可实现自动并网。抽水调相工况启动过程常见问题及对策(1)与发电启动相同,导叶液压锁定、调速器停机电磁阀及机械制动等均会导致启动失败。(2)启动母线上闸刀(包括机组被拖动刀、SFC输出闸刀和启动母线分段闸刀)状态不对应,则无法开始拖动,这常由于闸刀辅接点故障,不能反映闸刀实际位置。另外在电站投产初期,由于直流控制电缆绝缘性能不佳,屏蔽不良,在接触器动作时会导致直流小开关跳闸,使整个启动母线闸刀直流控制电源丢失,所有闸刀不能动作,或拉合不到位。(3)在SFC拖动过程中,故障主要表现为:在低转速时,由于SFC处于强迫换相阶段,易发生整流桥或逆变桥故障跳闸,使SFC不能满足拖动要求。可能的原因有,转子初始位置传感器安装位置不佳;SFC中间继电器故障;SFC控制PLC/PNC逻辑不完善;SFC控制芯线屏蔽不好,受到干扰;SFC冷却系统故障;SFC控制卡件松动等。4.抽水蓄能机组运行及故障

抽水蓄能电站机组故障大多出现在机组的动态变换和稳态运行过程中。有些故障只报警而不会引起机组跳闸，有些故障则会引起机组停运。根据机组跳闸时的状态不同，可把机组跳闸分为启动失败、停机失败和运行稳态保护跳闸3种。其中启动失败和运行稳态保护跳闸是对机组和电网安全运行影响很大的故障。因为启动失败会降低抽水蓄能机组的快速响应速度，而稳态运行时的保护跳闸则会对电网产生比较大的负荷冲击。故障查找的一般步骤：1.启停失败1.1.1确定机组是在执行哪一步时终止的1.1.2查看是哪个跨步条件不满足1.1.3查找跨步条件不满足的根本原因1.1.4进行故障处理2.稳态运行保护跳闸

故障查找的常用方法：倒推法排除法对比法实时监测法5.抽水蓄能发展前景

随着我国电力装机规模增长和联网范围扩大，未来一段时期，保障电力安全可靠供应的压力将进一步加大。同时，随着风电、太阳能发电等新能源大规模发展，占电力装机比重逐步提高，电网面临更严峻的调峰、调频等运行压力。抽水蓄能发展正当其时，将有广阔的发展空间。

从中长期电力发展需求来看，预计到2020年，我国发电装机容量将达到约20亿千瓦，比2010年翻一番