基于抽水蓄能电厂机组保护的分析

基于抽水蓄能电厂机组保护的分析

张坤薛晔杨杨

（1许继电气股份有限公司河南许昌461000;2中水东北勘测设计研究有限责任公司吉林长春130021;3风电科技有限公司河南许昌461000）

摘要：作为电力系统的特殊电源，抽水蓄能电站具有调峰、填谷、事故备用和黑启动等多种功能，不同运行方式间启停、转换灵活迅捷，是电力系统稳定、安全、经济运行的重要支撑，也是目前电网最经济的大规模储能设施。随着我国经济社会的发展，电力系统规模不断扩大，用电负荷和峰谷差持续加大，电力用户对供电质量要求不断提高；此外随机性、间歇性绿色新能源大规模开发，抽蓄发展对保障电力系统安全稳定经济运行、缓解电网调峰调频矛盾、增加新能源电力消纳、促进能源结构调整、实现可持续发展具有重大意义。

关键词：抽水蓄能；电厂；机组保护

安全稳定控制系统，是确保系统安全稳定运行，防止系统大停电的最后一道防线，对电网具有非常重要的意义。抽水蓄能机组在确保系统稳定中发挥的作用越来越大，其稳控子站系统也成为全网稳控系统的重要一环。然而，抽水蓄能电站特有的接入方式，多样的工况模式（电动、发电）以及水头高等特点决定了其稳定控制的策略与常规电站有所不同。本文对抽水蓄能电厂的机组保护进行了分析，仅供业内人士参考。

一、抽水蓄能电厂机组保护理论概述

抽水蓄能电站是利用低估时期富裕电力做抽水工作，将水从下水库抽至上水库，这一过程是电能转化为势能的过程；在用电高峰期，将水从上水库下放，利用水的势能对发电机组做功，产生电能，补充高峰期时段电力的不足。由以上原理可知，抽水蓄能电厂机组需要具有良好的启、停反应机制，灵活的负荷调节能力，通过科学调度，达到调峰填谷、事故备用的目的。

二、抽水蓄能电站的发展

最早以蓄水为目的的抽蓄电站发展至今，已有近百年历史。截至2014年底，我国建成并投运的大中型抽蓄电站三十多座，极大优化了能源结构。目前，世界各国政府纷纷降低化石能源比例，努力推进绿色能源开发和终端用户电力替代，实现经济发展与环境保护和谐共处。2014年，电网带头落实“一带一路”战略，构建全球能源互联网，极大促进了风能、太阳能、潮汐能及生物等可再生清洁能源的开发与利用。抽蓄电站具有独特的运行特点和结构形式，立足于常规水电，运行理念和管理方式又不同于常规水电。实现了储能和发电的自由转换，是目前运行环境最优良的物理储能方式。

三、抽水蓄能电厂机组保护

抽水蓄能电厂机组启动、停止次数较多，作业方式转换频率大，增加了机组的运行风险。为了确保机组的安全运行，机组运行管理人员需要针对不同的运行作业方式，制定合理的保护措施。抽水蓄能电厂机组工作时，需要进行抽水和发电两种操作，则机组旋转方向有两种，通过换向刀闸完成，如图1所示。

当机组需要抽水时，接通C相，需要闭合2、3、5极；需要发电时，则应该连通A相，需将1、3、4级闭合。机组执行换相操作时，会对继电保护带来影响，主要表现在两方面，其一是进行跨过换相刀的主变大差动保护时，会产生高低压侧相与相之间的不对应，需要在二次回路上进行补充保护；其二是机组作业方式有两种，运行环境也有两种，在对电压、电流相序进行保护时，需要设置两套保护装置，以适应不同的运行环境。例如，进行相序监视保护时就需要设置两套保护装置，除此以外，负序保护和失磁保护同样需要设置两套，以对应不同旋转方向时的工况，而且每套保护装置都要在不对应旋转方向时锁闭；低功率保护和溅水功率保护用于抽水作业保护，即电动机方向；逆功率保护则用于发电方向；功率保护和失磁保护设置时，要对旋转方向进行准确设定。各部分保护装置的设置目的分别为：①相序监视保护。抽水蓄能机组有两种作业方式，需要在两相间进行转换，为确保换向的正确性，配置了相序监视保护系统，该系统可通过发射信号提醒机组是否转向正确；相序监视保护系统采用电压继电器，当机组处于发电工况时，励磁在转速达到90%后才能运行，此时可判断转向是否正确。②低频过电流保护。机组处于抽水状态时，水泵启动的初始阶段，电流频率由小逐渐增大，然后达到正常运行条件。在这个渐变过程中，差动保护装置由于无法达到运行条件而不能执行保护动作，为保护机组设备，此时需要配置低频过电流保护，以适应低频状态下的过电流保护；对采集周波样进行分析可知，这一保护动作时间至少为40ms。③逆功率保护。抽水蓄能机组的作业方式有抽水和发电两种，机组在两种工况下运行时会出现S区。若在抽水状态下，水轮机空载运行达到额定转速时，或者机组并网后在低负载状态下运行时，流量较小，机组在S区的稳定性下降，就可能进入反水泵工作环境，即机组可能会从利用电能做功，增加机组的振动，为此配置逆功率保护系统，当水泵在非法条件下换相时将其闭锁，达到保护机组的目的。④低功率保护。蓄能机组在水泵工况时，利用电能做功，将下水库的水抽到上水库。在抽水过程中，水泵一旦失电，处于压力钢管中的水会逆向下落，对处于抽水状态的机组产生制动作用，甚至会改变其旋转方向，损害机组性能。为减少低功率时带来的危害，设置了低功率保护系统，当电动机的实际功率降到限定值时，保护系统发出跳机指令，关闭导叶，保护机组免受损害。⑤溅水功率保护。启动水泵工况时，机组拖至额定转速需要一个充水排气的过程，这个过程中涉及的操作有压水，将机组转至调相状态，然后转向水泵状态，以确保导叶打开时水泵不抽空。溅水功率保护系统设置的主要目的是向监视系统发送排气状况信息，控制程序执行，不执行跳机动作。⑥失磁保护。DRS系统失磁保护主要根据转子角和励磁电流两个指标进行判断。其中转子角是指电机内电势E与外系统电压VS之间的夹角（如图2所示），机组静态稳定限制决定转角设定，若转角大于设定值，且满足励磁电流降低依据，则短延时跳闸；若不满足，则长延时跳闸。该保护的整定包括等效系统电抗、电机交轴电抗、失步角、延时、励磁电流、电压相序。失磁保护涉及到了V和I，因此需要对发电方向和水泵方向分别设置独立的保护系统。

结语

总之，抽蓄储能产业在我国起步较晚，近几年才开始大力发展。因为抽蓄本身优良的储能特性，对电网稳定运行起到了至关重要的作用。随着风能、太阳能以及潮汐等新能源的开发和利用，反过来也催生了储能技术，尤其是抽蓄储能产业的进一步的发展和完善。

参考文献

[1]孙莉.天池抽水蓄能电站节能评估要点[J].资源节约与环保，2014（11）.

[2]郝峰.多能互补发电系统抽水蓄能模型及运行策略探讨[J].价值工程，2014.