王瑞棟+劉龍飛+李鵬

摘 要：某抽水蓄能電站發(fā)電工況并網(wǎng)初期向系統(tǒng)吸收較大有功功率，發(fā)生逆功率現(xiàn)象。按照逆功率及逆功率保護(hù)的定義及原理，通過分析確認(rèn)該異常現(xiàn)象發(fā)生的原因以及對設(shè)備產(chǎn)生的影響。為今后對抽水蓄能電站機組逆功率現(xiàn)象的認(rèn)識及應(yīng)對提供幫助和借鑒。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站；逆功率；逆功率保護(hù)；導(dǎo)葉開度；分析

1 概述

某大型抽水蓄能電站機組發(fā)電工況并網(wǎng)初期出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象，故障現(xiàn)象為：最高逆功率達(dá)到190MW，逆功率保護(hù)未動作，監(jiān)控系統(tǒng)未收到調(diào)速器根據(jù)靜水頭將導(dǎo)葉開限控制到17%至25.67%之間信號（DI1230 77W-ma2），隨后機組功率逐漸上升至設(shè)定范圍，機組帶負(fù)荷運行正常。對于抽水蓄能電站來說，逆功率保護(hù)屬于工況保護(hù)，僅設(shè)置于發(fā)電工況，所以針對該異常情況，根據(jù)逆功率及逆功率保護(hù)的原理，分析可能發(fā)生原因，影響及后果。

2 逆功率產(chǎn)生原因分析

抽水蓄能電站機組一般水頭較高對調(diào)速器系統(tǒng)的控制精度要求高。機組并網(wǎng)后，導(dǎo)葉異常擺動、關(guān)閉（或?qū)~持續(xù)保持空載開度）或打開較慢，可能會造成短時逆功率。電網(wǎng)頻率偏高或同期機組頻率低，導(dǎo)葉開度無法維持機組額定轉(zhuǎn)速，機組需要吸收部分有功來維持50Hz的頻率。球閥異常關(guān)閉，斷路器未跳開，發(fā)電機運行維持額定轉(zhuǎn)速，會向系統(tǒng)吸收功率。同期瞬間導(dǎo)葉開度小于設(shè)定開度，導(dǎo)致機組吸收負(fù)荷，可能出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象。同期并網(wǎng)時間較短，轉(zhuǎn)速慣性上升后，導(dǎo)葉開度回調(diào)過快，導(dǎo)致機組吸收負(fù)荷保持額定轉(zhuǎn)速。發(fā)電機失磁引發(fā)振蕩，造成功率變化，可能吸收有功出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)電機電壓互感器（VT）二次回路出現(xiàn)異常情況，由于輸入到逆功率元件的電壓、電流相位角發(fā)生變化，可能引起逆功率保護(hù)誤動。機組事故的情況下突然甩負(fù)荷使導(dǎo)葉全關(guān)后，斷路器沒有跳開，而機組轉(zhuǎn)速下降較慢，就會使機組吸收電網(wǎng)功率變?yōu)殡妱訖C運行而引起逆功率現(xiàn)象。

3 逆功率的影響

當(dāng)抽水蓄能電站機組發(fā)生逆功率現(xiàn)象，即發(fā)電工況轉(zhuǎn)為電動工況運行，從電磁力矩、水流流向、電網(wǎng)潮流等方面就會發(fā)生影響變化。發(fā)生后可能會短時恢復(fù)，也可能引發(fā)逆功率保護(hù)動作，具體不同情況下可能會對發(fā)電電動機、水泵水輪機及附屬設(shè)備造成造成以下影響。

發(fā)電機逆功率情況下，低水流量的微觀水擊作用會產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，最終致導(dǎo)葉損傷，對原動機造成損害；機組的振動、擺度會增大（會跟機組抽水啟動過程從調(diào)相轉(zhuǎn)抽水時，排氣完成后相當(dāng)）；逆功率就是機組由發(fā)電機變?yōu)殡妱訖C運行，即吸收系統(tǒng)的有功，來克服水輪機的阻力，可能對水導(dǎo)瓦、下導(dǎo)及推力瓦會有磨損；大的逆功率變化可能引起系統(tǒng)潮流改變、頻率下降。當(dāng)電網(wǎng)薄弱或發(fā)生異常時甚至?xí)峡咫娋W(wǎng)；對于發(fā)電機短時間逆功率運行是不會有任何影響的。但是因為從電網(wǎng)倒吸有功及無功，同時會造成電機發(fā)熱等現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)電機長時間逆功率運行時，勵磁的無功從網(wǎng)上倒吸，等于是進(jìn)相運行，這時候定子磁場在端部磁密最大，有可能會造成端部發(fā)熱。

4 逆功率現(xiàn)象的分析

4.1 電站逆功率保護(hù)設(shè)置

該電站逆功率保護(hù)電壓量取自機端VT，電流量取自機端CT。共設(shè)置機組電氣保護(hù)和機組機械保護(hù)（程序跳閘），機組機械保護(hù)做為機組電氣保護(hù)的補充保護(hù)配置。

4.1.1 機組電氣保護(hù)。為防止發(fā)電電動機在發(fā)電工況下出現(xiàn)深度反水泵運行狀態(tài)并向系統(tǒng)吸收有功功率而裝設(shè)電氣逆功率保護(hù)，即檢測發(fā)電工況時由系統(tǒng)流向發(fā)電電動機的有功功率大于90MW，導(dǎo)葉開度大于30%時，保護(hù)延時60s動作緊急停機。在電動工況時閉鎖該保護(hù)。

4.1.2 機組機械保護(hù)。為防止逆功率現(xiàn)場吸收有功過大，而長時間逆功率運行，故設(shè)置機組機械保護(hù)。發(fā)電工況下機組向吸收有功功率大于120MW、導(dǎo)葉開度大于30%（74P-ma3）、機組開關(guān)GCB合閘位、球閥在中間開位（21-ma），監(jiān)控系統(tǒng)延時10s，發(fā)91G動作緊急停機。

4.2 現(xiàn)象分析

4.2.1 保護(hù)未動作邏輯解釋。經(jīng)查閱監(jiān)控信息發(fā)現(xiàn)，本次異?，F(xiàn)象發(fā)生過程中，球閥中間位置（21-ma）信號滿足，機組吸收功率190MW大于120MW且持續(xù)時間大于60s，但導(dǎo)葉開度導(dǎo)葉開度>30%（74P-ma3）不滿足條件，對比保護(hù)動作邏輯圖，說明機組逆功率電氣保護(hù)（32G）與機組機械逆功率保護(hù)（91G）動作條件不滿足，故說明該次異?，F(xiàn)象保護(hù)未動作符合邏輯。

4.2.2 監(jiān)控信號異常分析。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)機組啟機過程中監(jiān)控未收到DI1230 77W-ma2信號（根據(jù)靜水頭調(diào)速器空載開度將導(dǎo)葉開限控制到17%至25.67%之間），經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)調(diào)速器回路相應(yīng)信號上送繼電器D024故障，導(dǎo)致77W-ma2信號未能上送至監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控不能收到DI1230 77W-ma2信號，則監(jiān)控系統(tǒng)不會發(fā)降低導(dǎo)葉開限令至調(diào)速器系統(tǒng)。所以，調(diào)速器系統(tǒng)導(dǎo)葉開限77保持發(fā)電工況導(dǎo)葉初始開限（根據(jù)靜水頭調(diào)速器開機開度將導(dǎo)葉開限控制到22.49%至30.88%之間）。但導(dǎo)葉開限僅用于控制導(dǎo)葉開度上限，不會控制導(dǎo)葉開度的關(guān)閉，故該繼電器故障并不能引起逆功率現(xiàn)象的發(fā)生，而本該繼電器故障與本次逆功率現(xiàn)象同時發(fā)生，屬于偶然情況。

4.2.3 導(dǎo)葉開度控制的說明。機組在發(fā)電工況開機過程中，對于導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)主要分為三個間段。第一間段即從開機至同期裝置啟動，由速率調(diào)節(jié)65F完成，設(shè)定調(diào)節(jié)目標(biāo)范圍為99.6%至99.8%額定轉(zhuǎn)速；第二間段即同期過程中，由同期裝置根據(jù)系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)機組轉(zhuǎn)速；第三間段即機組并網(wǎng)以后，由功率調(diào)節(jié)65P和速率調(diào)節(jié)65F共同完成。當(dāng)導(dǎo)葉開度大于60%時，再次由監(jiān)控令對65F進(jìn)行調(diào)節(jié)，至在99.8%與100.2%范圍內(nèi)。機組開關(guān)合上并網(wǎng)以后，當(dāng)發(fā)電功率小于15MW時，調(diào)速器根據(jù)監(jiān)控令（65PR）調(diào)節(jié)65P增加功率；當(dāng)發(fā)電功率大于15MW，同時執(zhí)行AGC命令后，65P跟隨AGC功率設(shè)定值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

4.2.4 導(dǎo)葉開度控制對比。結(jié)合異?，F(xiàn)象發(fā)生間段，符合第三間段調(diào)速器導(dǎo)葉開度控制控制。當(dāng)導(dǎo)葉開度小于60%，由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令對65F進(jìn)行調(diào)節(jié)，但設(shè)定調(diào)節(jié)目標(biāo)范圍仍然為99.6%至99.8%額定轉(zhuǎn)速。對比轉(zhuǎn)速曲線并網(wǎng)過程中瞬時轉(zhuǎn)速達(dá)100.1%額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)條件即機網(wǎng)瞬間頻差小于Δf=0.15Hz，機組快速并網(wǎng)正常，而65F未及時參與調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速至目標(biāo)范圍。并網(wǎng)后65F才受初始調(diào)節(jié)要求關(guān)閉導(dǎo)葉，將轉(zhuǎn)速控制在目標(biāo)范圍。同時，65P根據(jù)監(jiān)控指令增加導(dǎo)葉開度，滿足負(fù)荷增加要求。但65F調(diào)節(jié)直接通過電調(diào)發(fā)出，而65P則在電調(diào)接收監(jiān)控指令后才執(zhí)行，所以65F調(diào)節(jié)降低導(dǎo)葉開度較65P調(diào)節(jié)增加導(dǎo)葉開度更早執(zhí)行，所以導(dǎo)致逆功率現(xiàn)象發(fā)生，而之后負(fù)荷增加至AGC設(shè)定值。

故本次異常逆功率異常情況屬于偶發(fā)現(xiàn)象，即在發(fā)電工況同期裝置啟動短時間內(nèi)機組同期并網(wǎng)條件滿足（相角相同、電壓相同、頻率相同），而同期裝置未對機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至100%額定轉(zhuǎn)速。導(dǎo)致并網(wǎng)初期轉(zhuǎn)速下調(diào)導(dǎo)葉關(guān)閉量較大，而維持額定轉(zhuǎn)速向系統(tǒng)吸收有功功率，發(fā)生逆功率現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

發(fā)電機在并網(wǎng)的瞬間，或者電網(wǎng)可能存在波動等原因，暫時出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象。如果負(fù)荷增加太慢，就可能會擴大逆功率現(xiàn)象，過延時造成逆功率跳閘。應(yīng)根據(jù)機組特性及固有保護(hù)設(shè)定，設(shè)定機組逆功率長時間運行的大小及時長，密切監(jiān)視機組功率負(fù)荷情況，若發(fā)現(xiàn)長時間逆功率且保護(hù)未動作，應(yīng)考慮手動停機。同時對可能影響的部件全面檢查。通過文章的分析簡述，希望從理論和實踐方面，為今后抽水蓄能機組逆功率現(xiàn)象發(fā)生的分析提供一定的借鑒意義。

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作者簡介：王瑞棟（1983-），男，山西省忻州市人，機電運維班長，工程師，本科，主要研究方向：抽水蓄能電站電氣控制運維檢修。