■ 哈爾濱電機廠有限責任公司 溫海明

我國電力工業(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抽水蓄能電站。

1 調(diào)峰填谷能力

由于核電站反應堆不宜熄火，不能停機；風電場又依賴于氣象條件，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)電機組只有以下5種方式：蒸汽輪發(fā)電機組、燃氣輪發(fā)電機組、聯(lián)合循環(huán)燃氣蒸汽透平發(fā)電機組、水輪發(fā)電機組和抽水蓄能發(fā)電機組。它們的調(diào)峰填谷性能對比見表1。

對比結果表明，抽水蓄能發(fā)電機組是電力系統(tǒng)最理想的調(diào)峰電源外，其最大優(yōu)點還在于具有調(diào)峰填谷的雙重作用：能儲存電能，將低谷負荷時多余電能儲存起來，而其他方式則不能。低谷時儲存的電能用于峰荷時可換來2－3倍的電價收入（如按峰谷比為2：1或3：1計）．抽水蓄能電站建設工期為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。

我國抽水蓄能機組基本都是買外國貨，機器運行之前的調(diào)試，外國人都不讓我們看，自己又沒有進行開發(fā)，只能永遠買下去，永遠受制于人。

在長期陷入“引進－落后－再引進－再落后”的怪圈以后，根據(jù)三峽左岸機組的引進經(jīng)驗和燃氣輪發(fā)電機組打捆招標的利弊分析結果，國家“發(fā)改委”戰(zhàn)略性的決定，以寶泉、惠州、白蓮河三個蓄能電站的16臺x300MW機組為依托工程，采取以市場換技術的方針，實施聯(lián)合設計、合作制造、技貿(mào)結合的方式，進行國際打捆招標，積極扶持民族工業(yè)，實現(xiàn)大容量、高水頭、高轉(zhuǎn)速抽水蓄能發(fā)電機組的國產(chǎn)化。

即使實現(xiàn)了國產(chǎn)化，設備的合理使用和運行維護等也必須自主創(chuàng)新、積累經(jīng)驗，以保證產(chǎn)品的長期、安全、可靠運行。

2 機組運行的特點

由于電力系統(tǒng)的運行要求電力平衡，抽水蓄能機組需要經(jīng)常頻繁起動，通常每周或雙日起動一次。與常規(guī)電站相比，抽水蓄能電站的機組運行工況更加復雜 、條件更加苛刻。它需要經(jīng)常切換下述幾種運行工況：(1)發(fā)電機運行工況。其中包括發(fā)電機狀態(tài)下的起動 、發(fā)電運行和停機制動等；（2）電動機運行工況。其中包括電動機狀態(tài)下的起動、抽水運行等；（3）調(diào)相運行工況。

針對上述16臺300 MW 機組，《發(fā)電設備國家工程研究中心》構筑了仿真模型、開發(fā)了試驗研究程序（軟件）、進行了各種運行工況的仿真分析計算，提供了經(jīng)過優(yōu)化的最佳方案選擇結果。

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3 電動機起動方式

電動機狀態(tài)下起動方式的選擇，主要取決于電站裝機臺數(shù)：（1）當機組臺數(shù)較少時：對于1到2臺機組的電站，可根據(jù)機組的容量大小、電網(wǎng)特點、費用等情況綜合考慮、折中確定，以便選擇直接、變頻、或輔助電動機等3種起動方式中的一種。（2）當機組臺數(shù)較多時：對于2臺以上機組的電站，最優(yōu)選擇是變頻起動方式，而背靠背起動方式是理想的備用起動方式。

3.1 直接起動方式

3.1.1 優(yōu)點：起動方法簡單，成本低，起動轉(zhuǎn)矩大，起動速度快； 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。

3.1.2 缺點: 起動電流大，會引起系統(tǒng)電壓降 , 并對轉(zhuǎn)子結構有沖擊;。

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

3.2 背靠背起動方式

3.2.1 優(yōu)點：不會對電力系統(tǒng)造成干擾，不會對電機的結構產(chǎn)生沖擊，成本低，起動速度快，轉(zhuǎn)輪甚至可以不排水，但是一般采用壓水起動。

3.2.2 缺點：不能起動最后一臺機組（“背靠背”起動的先決條件就是2臺以上）。

3.2.3 程序：（1）將兩臺機組在電氣上連接；（2）分別加上勵磁（一般給發(fā)電機加空載額定勵磁，給電動機加80%空載額定勵磁）；（3）被起動的電動機在同步轉(zhuǎn)矩作用下跟隨發(fā)電機逐步升速；（4）將 發(fā)電機組的水輪機“導葉”緩慢開啟（兩臺機組容量相同時，導葉開度的最佳速度為每秒0.5%~0.6%的“導葉”全開度）；5.當轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的80%時，兩機組投入各自的勵磁調(diào)解器；（6）當接近同步轉(zhuǎn)速時將電動機并入電網(wǎng)；（7）解除與發(fā)電機的電氣連接。

3.3 變頻起動方式

3.3.1 優(yōu)點：不會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，不會對電機的結構產(chǎn)生沖擊，所有機組都可以起動。

3.3.2 缺點：電站機組臺數(shù)少（比如1~2臺）時，起動成本較高，系統(tǒng)占地面積較大，一般需要壓水起動，起動時間較長。

3.3.3 程序：（1）給被起動機組施加空載額定電壓的勵磁；（2）接通入變頻器電源側開關，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轉(zhuǎn)速相對應的頻率和電壓的交流電；（4）已被勵磁的轉(zhuǎn)子與定子電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩而起動；（5）通過永磁機及位置傳感器輸出轉(zhuǎn)速信號及位置信號，由變頻器的控制裝置調(diào)整可控硅的導通角，由此來進行轉(zhuǎn)速和整流控制；（6） 待轉(zhuǎn)速升至額定值時，將機組并網(wǎng)，同時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用情況（系統(tǒng)的經(jīng)濟性）。（2）變頻器的尺寸和價格：取決于水泵的阻力矩，必要的話，可以校核起動時間。（3）二次起動的時間間隔的選擇：要考慮到其最小時間間隔應能使變頻器完成裝置的（充）放電。放電時間應由其制造商提供。

根據(jù)仿真模型試驗，研究了脈沖驅(qū)動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 運行工況的轉(zhuǎn)換

4.1 由發(fā)電機到電動機的工況轉(zhuǎn)換程序如下：

發(fā)電——電制動——起動(變頻或背靠背)——抽水

4.2 由電動機到發(fā)電機的工況轉(zhuǎn)換程序如下：

抽水——電制動——水輪機起動——發(fā)電

研究結果表明，在上述2種運行工況切換程序當中，機組的制動均以電氣制動為最佳選擇。

此外，還針對機端三相、兩相及單相對地突然短路進行了建模及仿真計算 。結果表明，當時間為0、0.01、0.1、0.2、0.3、0.4（s）和 ∞ 時，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74kA。需要特別注意。

還開發(fā)了機組承受150%過轉(zhuǎn)矩的仿真模型 和水輪發(fā)電機模型試驗系統(tǒng) （軟件）。通過仿真模型試驗，獲得了電磁轉(zhuǎn)矩、負載轉(zhuǎn)矩、勵磁電流和功角分別相對于時間的變化 特性曲線等。

5 結語

抽水蓄能發(fā)電機組已成為電網(wǎng)調(diào)峰填谷的主力機組。我國自主開發(fā)了仿真模型及其試驗研究程序（軟件）、提供了最佳運行工況優(yōu)化選擇的計算分析結果，對于新產(chǎn)品的開發(fā)、現(xiàn)有產(chǎn)品的運行維護以及老產(chǎn)品的技術改造都具有重大指導意義。