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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.
论文作者:张坤,薛晔,杨杨
论文发表刊物:《电力设备》2016年第10期
论文发表时间:2016/7/24
标签:机组论文; 功率论文; 系统论文; 水泵论文; 电站论文; 电厂论文; 工况论文; 《电力设备》2016年第10期论文;