抽水蓄能电站百问（节选）.docx

抽水蓄能电站I抽水蓄能电站选点规划的原则2抽水蓄能电站的类型及适用场合3抽水蓄能电站工程特点4抽水蓄能电站的输水系统结构组成5抽水蓄能电站的静态效益和动态效益6抽水蓄能电站和常规水电站的不同7抽水蓄能电站适用于哪些电力系统8抽水蓄能电站的运行方式及常规水电机组的不同9抽水蓄能电站使用的电动发电机与常规水轮发电机的不同10抽水蓄能机组的黑起动11抽水蓄能发电机组背靠背启动12为何可逆式蓄能机组抽水启动时要使用专门的启动设备抽水转空载转发电1种操作方式抽水直接转发电1种操作方式黑启动1种操作方式9抽水蓄能电站使用的电动发电机与常规水轮发电机的不同在抽水蓄能电站中应用最多的是可逆式水泵水轮机，与之配套的是可逆式电机这种电 机向一个方向旋转为电动机，向另一方向旋转为发电机，故称为可逆式电动发电机从电气 原理上看，同步发电机本身是可以正反旋转的但与常规水轮发电机相比较，在结构上还有 以下不同的特点：(1) 双向旋转由于可逆式水泵水轮机作水轮机和水泵运行时的旋转方向是相反的，因 此电动发电机也需按双向运转设计在电气上要求电源相序随发电工况和驱动工况而转换： 同时电机本身的通风、冷却系统和轴承结构都应能适应双向旋转工作。

2) 频繁启停抽水蓄能电站在电力系统中担任填谷调峰、调频的作用，一般每天要启 停数次，如英国迪诺威克抽水蓄能电站是近年建设的蓄能电站中启停频繁、操作要求很高的 一个实例，设计每天启停40次电动发电机功率调整幅度要求很大，调整也很频繁，大型 机组要求有每秒钟增减10MW负荷的能力3) 需有专门启动设施可逆式电动发电机作电动机运行时，不能象组合式机组那样利 用水轮机来启动，而必须采用专门的启动设备，从电网上启动，或采用"背靠背”方式各台 机组间同步启动在采用异步启动方法时需在转子上装设启动用阻尼绕组或使用实心磁极， 当采用其他启动方法时均需增加专门的电气设备和相应的电站接线这些措施都增加设备造 价，并使操作复杂4) 过渡过程复杂抽水蓄能机组在工况转换过程中要经历各种复杂的水力、机械和电 气瞬态过程在这些瞬态过程中会发生比常规水轮发电机组大得多的受力和振动，因此对于 整个机组和水道设计都提出了更严格的要求为何有的抽水蓄能机组要使用双转速？双转速是怎样实现的？低水头蓄能电站常遇到的困难是水头变幅过大，使得可逆式水泵水轮机难「•在全部水头 变化幅度内保持较好的水力性能常用的解决办法之一就是使用双速机组。

例如，安装在我 国潘家口水电站(水头85〜35m)和响洪甸水电站(水头64〜27m)的水泵水轮机都是双转速实现双转速的难点主要在电机上，电机转了•磁极需要做成有一部分可以切除的方式使 用全部磁极时机组在低档转速运转，切除-部分磁极后机组就在高档转速运转在蓄能机组 上使用双转速主要是为保持水泵工况的性能：在高水头范围使用高转速；在低水头范围使用 低转速水轮机工况的特性受水头变化的影响较小，一般只使用双转速的低档转速，而不改 变双转速电机的缺点是磁极结构复杂，造价高，电气损耗也大，而且需要装设换极设备， 同时换极的操作要在停机后才能进行10抽水蓄能机组的黑起动在电网事故、自然灾害或其他原因等情况下，造成电厂全部外来厂用电源消失，且短时 间内无法恢复供电，为保护电厂的安全和恢复生产，实行自救，利用仅有的直流系统启动监 控专门程序使机组发电从而恢复厂用电的供电，进而恢复厂用设备的运行，称为机组黑起动 当电网因故障而停运后，通过电网内具有自起动能力的机组起动，而恢复电网正常运行，则 称为电网黑起动十三陵蓄能电厂的设计具有机组黑起动的功能，在1998、1999和2000 年进行的机组和电网黑起动试验均取得圆满的成功。

黑起动问题的研究在我国还处「起步阶 段，十三陵蓄能电厂进行的黑起动试验在我国是首例成功的试验，具有很好的参考价值1）黑起动功能与作用机组黑起动机组黑起动是指在电网事故、自然灾害或其他原因等情况下，造成电厂全部外来厂用电 源消失，旦短时间内无法恢复，电厂为了保护地下厂房的安全和恢复生产，实行自救，利用 仅有的直流系统，启动监控专门程序，使机组发电，恢复厂用电供电，进而恢复厂用设备的 运行电网黑起动电网”黑起动”是指整个电网因故障停运后，在无法依靠其他电网送电恢复条件下，通过 电网内具有自起动能力机组起动，带动无自起动能力的机组，进而逐步扩大电力系统的恢复 范围，最终实现整个电力系统的恢复黑起动的作用由于蓄能机组多为地下式厂房，日渗水量较大，厂用设备和排水、照明、通风、消防等 设备对厂用电要求很高，特别是长时间不能恢复供电，将有可能造成水淹厂房因此，要求 电厂具备生产自救功能近些年来，世界范围内发生的几起大电网的停电事故提醒我们，作为电力系统安全措施 之-，研究电力系统事故后的恢复问题即”黑起动”问题具有重大的意义电力系统成功的恢 复方案的储备，将对电力系统在极端情况下的恢复提供有力的保障，可大大缩短其停电时间。

十三陵蓄能电厂黑起动试验的几点体会电网黑起动，首先应保证有可靠的起动电源，十三陵蓄能电厂机组性能先进，上池蓄满 水量可供4台200 MW机组连续满发电运行5h,是华北地区最大的蓄能电厂，机组全部采 用自动化控制，机组黑起动时间为3min之内，从起动速度、调节系统特性及可持续供电时 间来看，是比较理想的电网黑起动电源机组黑起动的关键是不能烧瓦，因为此时油泵（除了直流高压油顶起泵）未运转因此从 机组开始转动到辅助设备正常运转这段时间是最危险的机组黑起动过程中，监控系统是使用了区别于正常开机的专用程序对励磁系统没有特 别要求，而对于调速器来说则有特别要求正常情况下，机组在电网的巨大容量的影响下转 速基本稳定而通过黑起动起来的机组，自成-个小网，此时调速器工作于弧立电网运行方 式，对转速的控制要求很高11抽水蓄能发电机组背靠背启动对于安装有可逆式水泵水轮机组的电站来说,通常至少有一台机需要在晚上作为水泵运 行；而启动水泵所广为采用的方式就是同步（背靠背）启动，除此还有借助于启动电动机（小型 电机机）的辅助启动，依靠或不依靠辅助设备的异步启动以及低频启动等过去，许多电站 常常要依靠启动电动机来启动具有叠片磁极且无阻尼绕组的同步电机，由于缺乏异步转矩， 除低频启动外，这是唯一能够启动这种同步电机的方法；小型电动机启动方法特别适合于制 动转矩较小的情况，其主要缺点是连续运行容易导致损失的增加；异步启动可用「经过专门 设计的，转子能承受较大热应力的电机上，然而，为实现这一目标，其输电系统就必须能够 承受异步启动所导致的电流冲击和电压骤降。

随着静励磁设备和变频器的推广，变频器启动的地位也变得很重要了事实上，在过去 的20年中，变频器启动法的使用己经有显著的增加，并已成为拥有两台机组以上的电站的 首选启动方式变频启动可分为完全启动即背靠背启动和定子相互连接的两台机在静止状态 下开始起励两种方式；而部分变频启动只有当发电机转动之后电动机才开始起励部分变频 启动相对于背靠背启动的优点是在异步启动阶段不需要单独的励磁电源30多年前，Canay研究了同步电机的启动方式，并归纳了这些启动方式的特征、优点 和缺点异步启动所采取的方法符合非励磁电动机的稳态转矩一转速特性，并没有考虑脉冲 转矩分量，只用--近似的转矩一转速特性对部分变频启动进行了研究，该种方法没有考虑发 电机低速运转时出现的半转速转矩凹谷；此外，转矩仅被看作是转差变频的一个函数，结果 过于简单事实上，电动机的转矩与转差变频和发电机转速有关，且发电机和电动机的电机 转矩被认为是相等的，这只有在同步以后才是准确的12为何可逆式蓄能机组抽水启动时要使用专门的启动设备抽水蓄能电站使用的电动发电机是一台容量很大的同步电机在电动机启动时如回路中 没有足够的阻抗，就将产生很大的启动电流而对电网形成过大扰动，因此必须采用专门的电 气启动设备及操作方法。

常用的电气启动方法大致有5种：即同轴电动机启动；异步启动； 同步启动（背靠背启动）；半同步启动；变频启动等除同轴电动机启动方法外，其他启动方 法均需同时向水泵水轮机的转轮室充气压水，以减少启动力矩选择启动方式的原则是根据系统和电站的具体条件，采用简单而可靠的启动方式中、 小型机组应优先考虑采用全电压异步或降压异步启动；大、中容帛:机组应优先考虑利用邻近 常规机组进行同步启动；大容量的蓄能机组多数采用以变频装置为主的启动方式，也可能同 时具备同步启动的功能1抽水蓄能电站选点规划的原则抽水蓄能电站的选点规划是在负荷中心的附近地区寻找可能开发的站址，可选面广，不 象常规水电站那样只能沿着河流（包括干流和支流）寻找合适的站址通过普查，摸清给定区 域范围内所有诃开发蓄能电站站址的基本建设条件，经过比较，从中选出若干个建设条件较 好的站址，然后进行规划阶段的勘测设计工作，通过技术经济论证，最后确定第一期开发工 程和开发顺序进行抽水蓄能电站选点规划工作，首先应弄清所在电网对于调峰电源的需求状况，建设 必要性的论证是整个前期工作阶段的主题装机规模要适应负荷发展需要，合理的装机规模 取决于系统负荷增长速度、负荷特性、电源结构和抽水蓄能电站本身的技术经济条件。

其次 应考虑与负荷中心的距离，宜选在经济发达地区负荷比较集中的地点，特别应靠近工业比较 集中的大城市然后要注意水源问题，尤其在水资源比较贫乏的地区，水源是抽水蓄能电站 能否建成的关键问题，应引起足够的重视在这基础上，应选择可■建造上、下水库的合适地 形，并要求上下两水库之间有足够的高差，水平距离较短，即距高比（L/H）较小的站址.另 外，由于抽水蓄能电站水库水位变化频繁而急剧，对于没有天然水源的上水库，其中水量是 消耗电能抽上去的，因而防渗要求高对厂房和输水道都置于地下的电站，地质条件的好坏 对工程费用影响也很大除上述情况外，还应注意周围的环境条件一•般情况下，抽水蓄能电站的建设对自然环 境的影响比常规水电站要小，然而由于其位置大多紧靠负荷中心，建在用电集中的大城市附 近，有时靠近、甚至位于风景名胜区，因而选点时应充分注意对周围环境的影响.利用己建 水库或天然湖泊作为下水库（或上水库），既有有利的一面，也有处理相关问题复杂的一面， 应做全面的经济比较和利弊分析，并在此基础上进行决策由于抽水蓄能电站水泵水轮机组 水头（扬程）高，过机流速大，故机组对泥沙磨损较为敏感2抽水蓄能电站的类型及适用场合抽水蓄能的类型，按开发方式可分为纯抽水蓄能电站、混合式抽水蓄能电站和调水式抽 水蓄能电站；按调节周期分，可分为日调节、周调节和季调节等；按水头分，可分为高水头 和中低水头；按机组类型分，可分为四机分置式、三机串联式和二机可逆式；按布置特点分, 可分为地面式、地下式和特殊布置形式（人工地下水库）。

1）纯抽水蓄能电站厂内安装的机组全部是抽水蓄能机组其发电量绝大部分来自于抽 水蓄存的水能，发电的水量基本上等于抽蓄的水量，重复循环使用在运行中，仅需少量天 然径流，补充蒸发和渗漏损失，补充水量既可来自上水库的天然径流，也可来自下水库的天 然径流混合式抽水蓄能电站厂内既安装有抽水蓄能机组，也安装有常规水轮发电机组上 水库有天然径流来源，既可利用天然径流发电，也可从下水库抽水蓄能发电其上水库i般 是天然来水形成的，下水库按抽水蓄能需要的容积在河道下游修建调水式抽水蓄能电站的 上水库建于分水岭高程较高的地方，在分水岭某一侧拦截河流建下水库，并设水泵站抽水到 上水库；在分水岭另一侧的河流建常规水电站从上水库引水发电，尾水流入水面高程最低的 河流这种类型的抽水蓄能电站，其下水库有天然径流来源，上水库没有天然径流来源，调 峰发电量往往大于填谷的耗电量2) 抽水蓄能电站的运行分为抽水和发电两种工况：在抽水过程中，下水库由满库至。