如何实现工况转换？

3.10.6.1 简述

抽水蓄能电站机组与常规水电机组不同，工况众多，流程复杂；抽水蓄能机组有发电（G）、发电调相（GC）、抽水（P）、抽水调相（PC）、停机（ST）5种基本稳态工况，另有静止（TS）、空转（Idle）、旋转备用（SR）三种过渡稳态，同时具备黑启动（BS）、线路充电（LC）、拖动启动（LA）3种特殊运行方式。工况转换流程多达20余种，工况转换示意图如图3.10.13所示。

工况转换流程大致分为3类：从停机稳态到运行稳态的启动类流程、运行稳定工况的相互转换类流程、停机类流程。

3.10.6.2 启动类流程

停机稳态到运行稳态下的机组启动流程主要包括：停机稳态到发电工况（ST→SR→G）、停机到抽水调相（ST→PC）、线路充电、黑启动（ST→LC/BS）。其特点均是机组从停机稳态到额定转速状态，转换过程中均需要经过开启辅机的阶段。此种工况转换的特点是要注意关键设备确保在机组启动安全，同时尽可能以最少的时间达到稳态，以保证抽水蓄能机组的快速启动。

图3.10.13　工况转换示意图

（1）停机稳态到发电工况（ST→SR→G）。发电工况启动大致分为启动附属设备至静止态、升速、并网升负荷3个阶段，同常规水电机组基本相同，但抽水蓄能电站机组一般有球阀系统，在机组启动时要先开球阀设备，为了提高开机速度，一般在球阀微开启，约40%开度时就开始开启导叶，以缩短发电开机并网时间。抽水蓄能机组工作水头变化大，调试时，受调试水头变化限制，不能在全水头下试验，因此要特别注意空载开度、空载开限参数整定，充分利用模型设计参数和当前水头实际开度，合理确定全水头下的空载开度，确保机组能够在全水头下不因空载开限问题，造成无法并网。

（2）停机到抽水调相（ST→PC）。抽水调相是机组抽水运行必须过渡的工况，抽水蓄能机组启动抽水调相时是作为同步电动机使用，需要采用变频方式启动，为了减轻机组启动负载，抽水调相机组启动时，采用高压气体，将转轮室的水压到转轮以下，以减少启动功率，提高启动速度。SFC启动与“背靠背”启动方式的主要不同是对于产生变频交流电的拖动源不同：一个为静止变频装置，一个为拖动机组开机升速运行。抽水调相启动过程大致分为启动附属设备至静止态、完成被拖动机组与SFC或拖动机组之间的联系、被拖动机组转轮室压水、拖动升速并网4个主要过程。SFC与“背靠背”启动方式实现另有章节专题介绍，转轮室压水补气过程如下：置压水标志→开启上下止漏环冷却水→开启主压水阀8s左右至转轮下水位低→延时10s使能补气流程。调相压水装置具体如图3.10.14所示。抽水调相启动时，涉及电站两台设备（两台机组或一台机组与SFC）同时协调控制，需要计算机监控系统“矩阵桥梁”完成控制命令发送、信号反馈以及事故联跳。SFC抽水并网和“背靠背”抽水并网不同于发电并网，并网电压相序需要切换，同期装置需能针对性地设置多种同期模式。

图3.10.13　工况转换示意图

（1）停机稳态到发电工况（ST→SR→G）。发电工况启动大致分为启动附属设备至静止态、升速、并网升负荷3个阶段，同常规水电机组基本相同，但抽水蓄能电站机组一般有球阀系统，在机组启动时要先开球阀设备，为了提高开机速度，一般在球阀微开启，约40%开度时就开始开启导叶，以缩短发电开机并网时间。抽水蓄能机组工作水头变化大，调试时，受调试水头变化限制，不能在全水头下试验，因此要特别注意空载开度、空载开限参数整定，充分利用模型设计参数和当前水头实际开度，合理确定全水头下的空载开度，确保机组能够在全水头下不因空载开限问题，造成无法并网。

（2）停机到抽水调相（ST→PC）。抽水调相是机组抽水运行必须过渡的工况，抽水蓄能机组启动抽水调相时是作为同步电动机使用，需要采用变频方式启动，为了减轻机组启动负载，抽水调相机组启动时，采用高压气体，将转轮室的水压到转轮以下，以减少启动功率，提高启动速度。SFC启动与“背靠背”启动方式的主要不同是对于产生变频交流电的拖动源不同：一个为静止变频装置，一个为拖动机组开机升速运行。抽水调相启动过程大致分为启动附属设备至静止态、完成被拖动机组与SFC或拖动机组之间的联系、被拖动机组转轮室压水、拖动升速并网4个主要过程。SFC与“背靠背”启动方式实现另有章节专题介绍，转轮室压水补气过程如下：置压水标志→开启上下止漏环冷却水→开启主压水阀8s左右至转轮下水位低→延时10s使能补气流程。调相压水装置具体如图3.10.14所示。抽水调相启动时，涉及电站两台设备（两台机组或一台机组与SFC）同时协调控制，需要计算机监控系统“矩阵桥梁”完成控制命令发送、信号反馈以及事故联跳。SFC抽水并网和“背靠背”抽水并网不同于发电并网，并网电压相序需要切换，同期装置需能针对性地设置多种同期模式。

图3.10.14　调相压水系统

（3）线路充电、黑启动（ST→LC/BS）。线路充电、黑启动本质同发电工况启动，只是启动过程的边界条件不同。线路充电、黑启动时线路没有电压；可能没有厂用电，也可能利用柴油机或其他备用电源作为厂用电，因此启机条件中不判断厂用电状态；利用直流或交流厂用电起励，励磁系统必须由他励模式切换至自并励模式，线路充电在电站启动到30%以后，逐步缓慢升压至额定电压，黑启动直接升压至额定电站；当没有厂用电时，球阀、调速器系统油泵不能启动，利用压油管剩余压力完成球阀、导叶开启，液压系统隔离阀需要提前手动开启；启动时技术供水、油循环系统均无法投入运行，在机组启动到空载以前不判断这些辅助系统状态，启动至空载后，开始启动这些辅助系统。

3.10.6.3 转换类流程

运行稳态工况转换主要包括3种类型：发电工况与发电调相工况间的互相转换（G→GC→G）、抽水工况与抽水调相工况间的互相转换（PC→P→PC）、水泵工况稳态转到发电工况（P→G）。其特点是机组已经在额定转速下稳态运行，由不同的工况转到另一种工况。前两种工况涉及转轮室的压水以及回水过程，对其压水回水的过程控制要求较高；最后一种工况转换则属特殊工况，是为了应对电网事故，快速为电网提供备用容量，对机组控制流程的正确性要求较高。

发电工况与发电调相工况的互相转换（G→GC→G）、抽水工况与抽水调相工况间的互相转换（PC→P→PC），两种调相工况只是转向不同，两个流程的转换过程基本一致，都是先关闭球阀、导叶，再启动压水补气流程，其中压水补气过程具体见水泵调相开机过程。抽水调相转抽水工况、发电调相转发电工况，两个流程转换过程也基本一致，先减小无功，接着复位压水补气流程、启动转轮充水流程，待回水造压完成后，调速器按照发电或抽水工作方式开启导叶，至此转换完成。

转轮回水造压流程具体如下：复位压水补气流程→关闭压水阀、补气阀、蜗壳循环阀、开启蜗壳排气阀、尾水管充水阀、转轮充水阀、退出下游密封→检测到一级溅水功率立即关闭蜗壳排气阀→检测到尾水管水位高、关闭尾水管充水阀→检测到二级溅水功率、关闭转轮充水阀→复位调速器调相方式、置调速器发电或抽水方式令、关闭止漏环冷却水阀、置转轮充水状态。回水造压过程中两个流程一级溅水功率基本相等，在20MW左右；二级溅水功率不同，其中抽水调相转抽水工况二级溅水功率在42MW左右，发电调相转发电工况二级溅水功率在30MW左右。上述不同在调试阶段尤要注意，溅水功率定值偏高将造成大量水流涌向集中井，造成转换延时，排水泵耗费不必要功率，定值偏低，气体未能排尽，将出现水力不利影响。

水泵工况稳态转到发电工况（P→G）的主要过程如下：首先关闭导叶并置无功给定为0，待有功降低至50MW以下时，分开GCB、换相刀，合换相刀于发电方向，待机组转速降低至较低转速时，开启导叶，机组反转并升速至并网发电。由抽水工况逆时针旋转直接向发电工况顺时针旋转转换，机组振动很大，对设备影响较大，转换边界条件设计很重要，一般在转速不大于15%时，即可开启导叶，加速向顺时针转换，呼蓄电站为了保证机组设备安全，设置了两种转换，紧急时转速不大于5%时转换，正常转换转速不大于0.5%时转换。(www.xing528.com)

3.10.6.4 停机类流程

停机类流程大体分为3类：正常停机、机械事故停机和电气事故停机。正常停机是机组从稳态转到停机状态，导叶按照功率的下降斜率缓慢关闭，断路器在功率较低时断开，此时可以投入电气制动以及机械制动进行快速停机；机械事故停机是指机组发生机械方面的故障导致非正常停机，导叶按照固有动作规律快速关闭，断路器在功率降到低功率时方断开，此时可以投入电气动以及机械制动进行快速停机；电气事故停机指设备发生电气故障，直接断开断路器而甩负荷且启动停机流程，机组不能投入电气制动，防止事故扩大化。发电工况正常停机、机械事故停机时，负荷可以降低至5MW以内；抽水时，负荷只能降低至40～50MW。正常停机依靠调速器调节实现减负荷，机械事故停机依靠调速器调节和紧急停机回路减负荷，电气事故停机依靠跳断路器甩负荷，发电工况下甩负荷将引起机组过速，抽水工况水泵断电，机组将快速停下来，但机组振动显著加大。

呼蓄电站停机流程基本按照发电、发电调相、抽水、抽水调相4种稳态运行工况分别设计。这样设计停机流程，逻辑简洁，但带来的新问题就是，机组处于工况转换工程中或机组状态判断条件信号丢失，将造成控制系统不知道哪个流程该启动。呼蓄电站1号机组调试阶段曾出现过流程拒动，后续采取将流程入口判断条件简化且确保各种异常状态停机流程入口全覆盖，主要依靠换向开关位置和转轮充水标志确定进入哪个停机流程，如果换向开关位置信号丢失且有充水标志，按抽水流程停机，如果回水标志复归，按抽水调相工况流程停机。

3.10.6.5 小结

呼蓄电站在控制流程设计之初就综合考虑工况转化流程复杂性和各种边界条件，充分采用模块化原则、灵活性原则、优先性原则、容错性原则、独立性原则和安全可考性原则，系统全面地对工况转化流程进行规划，并在启动调试中进行试验优化。机组启动迅速、转换灵活、响应及时、运行可靠，从静止到满载发电转换时间不大于150s，从静止到满载抽水转换时间不大于460s，从满载抽水转满载发电转换时间不大于400s，从抽水（发电）调相到抽水（发电）转换时间不大于120s，从抽水（发电）到抽水（发电）调相转换时间不大于80s，有力地满足了电网调峰填谷、调频调相、事故备用的快速要求，为电网的安全运行提供了保障。机组投产后，经过不断的优化与改进，目前机组工况转换流程控制调节已日臻完善，机组开机成功率不断提高，运行稳态工况转换成功率100%，电站运行安全稳定。

图3.10.14　调相压水系统

（3）线路充电、黑启动（ST→LC/BS）。线路充电、黑启动本质同发电工况启动，只是启动过程的边界条件不同。线路充电、黑启动时线路没有电压；可能没有厂用电，也可能利用柴油机或其他备用电源作为厂用电，因此启机条件中不判断厂用电状态；利用直流或交流厂用电起励，励磁系统必须由他励模式切换至自并励模式，线路充电在电站启动到30%以后，逐步缓慢升压至额定电压，黑启动直接升压至额定电站；当没有厂用电时，球阀、调速器系统油泵不能启动，利用压油管剩余压力完成球阀、导叶开启，液压系统隔离阀需要提前手动开启；启动时技术供水、油循环系统均无法投入运行，在机组启动到空载以前不判断这些辅助系统状态，启动至空载后，开始启动这些辅助系统。

3.10.6.3 转换类流程

运行稳态工况转换主要包括3种类型：发电工况与发电调相工况间的互相转换（G→GC→G）、抽水工况与抽水调相工况间的互相转换（PC→P→PC）、水泵工况稳态转到发电工况（P→G）。其特点是机组已经在额定转速下稳态运行，由不同的工况转到另一种工况。前两种工况涉及转轮室的压水以及回水过程，对其压水回水的过程控制要求较高；最后一种工况转换则属特殊工况，是为了应对电网事故，快速为电网提供备用容量，对机组控制流程的正确性要求较高。

发电工况与发电调相工况的互相转换（G→GC→G）、抽水工况与抽水调相工况间的互相转换（PC→P→PC），两种调相工况只是转向不同，两个流程的转换过程基本一致，都是先关闭球阀、导叶，再启动压水补气流程，其中压水补气过程具体见水泵调相开机过程。抽水调相转抽水工况、发电调相转发电工况，两个流程转换过程也基本一致，先减小无功，接着复位压水补气流程、启动转轮充水流程，待回水造压完成后，调速器按照发电或抽水工作方式开启导叶，至此转换完成。

转轮回水造压流程具体如下：复位压水补气流程→关闭压水阀、补气阀、蜗壳循环阀、开启蜗壳排气阀、尾水管充水阀、转轮充水阀、退出下游密封→检测到一级溅水功率立即关闭蜗壳排气阀→检测到尾水管水位高、关闭尾水管充水阀→检测到二级溅水功率、关闭转轮充水阀→复位调速器调相方式、置调速器发电或抽水方式令、关闭止漏环冷却水阀、置转轮充水状态。回水造压过程中两个流程一级溅水功率基本相等，在20MW左右；二级溅水功率不同，其中抽水调相转抽水工况二级溅水功率在42MW左右，发电调相转发电工况二级溅水功率在30MW左右。上述不同在调试阶段尤要注意，溅水功率定值偏高将造成大量水流涌向集中井，造成转换延时，排水泵耗费不必要功率，定值偏低，气体未能排尽，将出现水力不利影响。

水泵工况稳态转到发电工况（P→G）的主要过程如下：首先关闭导叶并置无功给定为0，待有功降低至50MW以下时，分开GCB、换相刀，合换相刀于发电方向，待机组转速降低至较低转速时，开启导叶，机组反转并升速至并网发电。由抽水工况逆时针旋转直接向发电工况顺时针旋转转换，机组振动很大，对设备影响较大，转换边界条件设计很重要，一般在转速不大于15%时，即可开启导叶，加速向顺时针转换，呼蓄电站为了保证机组设备安全，设置了两种转换，紧急时转速不大于5%时转换，正常转换转速不大于0.5%时转换。

3.10.6.4 停机类流程

停机类流程大体分为3类：正常停机、机械事故停机和电气事故停机。正常停机是机组从稳态转到停机状态，导叶按照功率的下降斜率缓慢关闭，断路器在功率较低时断开，此时可以投入电气制动以及机械制动进行快速停机；机械事故停机是指机组发生机械方面的故障导致非正常停机，导叶按照固有动作规律快速关闭，断路器在功率降到低功率时方断开，此时可以投入电气动以及机械制动进行快速停机；电气事故停机指设备发生电气故障，直接断开断路器而甩负荷且启动停机流程，机组不能投入电气制动，防止事故扩大化。发电工况正常停机、机械事故停机时，负荷可以降低至5MW以内；抽水时，负荷只能降低至40～50MW。正常停机依靠调速器调节实现减负荷，机械事故停机依靠调速器调节和紧急停机回路减负荷，电气事故停机依靠跳断路器甩负荷，发电工况下甩负荷将引起机组过速，抽水工况水泵断电，机组将快速停下来，但机组振动显著加大。

呼蓄电站停机流程基本按照发电、发电调相、抽水、抽水调相4种稳态运行工况分别设计。这样设计停机流程，逻辑简洁，但带来的新问题就是，机组处于工况转换工程中或机组状态判断条件信号丢失，将造成控制系统不知道哪个流程该启动。呼蓄电站1号机组调试阶段曾出现过流程拒动，后续采取将流程入口判断条件简化且确保各种异常状态停机流程入口全覆盖，主要依靠换向开关位置和转轮充水标志确定进入哪个停机流程，如果换向开关位置信号丢失且有充水标志，按抽水流程停机，如果回水标志复归，按抽水调相工况流程停机。

3.10.6.5 小结

呼蓄电站在控制流程设计之初就综合考虑工况转化流程复杂性和各种边界条件，充分采用模块化原则、灵活性原则、优先性原则、容错性原则、独立性原则和安全可考性原则，系统全面地对工况转化流程进行规划，并在启动调试中进行试验优化。机组启动迅速、转换灵活、响应及时、运行可靠，从静止到满载发电转换时间不大于150s，从静止到满载抽水转换时间不大于460s，从满载抽水转满载发电转换时间不大于400s，从抽水（发电）调相到抽水（发电）转换时间不大于120s，从抽水（发电）到抽水（发电）调相转换时间不大于80s，有力地满足了电网调峰填谷、调频调相、事故备用的快速要求，为电网的安全运行提供了保障。机组投产后，经过不断的优化与改进，目前机组工况转换流程控制调节已日臻完善，机组开机成功率不断提高，运行稳态工况转换成功率100%，电站运行安全稳定。