抽水蓄能电站控制介绍

1、P1LOGO TM P1 抽水蓄能电站控制介绍 北京国电智深控制技术有限公司北京国电智深控制技术有限公司 P2LOGO TM P2 从火电到水电 火电厂：火电厂： 主要以锅炉类型、机组运行参数及汽机凝汽器冷却方式划分：主要以锅炉类型、机组运行参数及汽机凝汽器冷却方式划分： 如亚临界燃煤机组、超临界直接空冷机组、循环流化床机组等如亚临界燃煤机组、超临界直接空冷机组、循环流化床机组等 水电站：水电站： 以水的势能贮存形式划分：坝式水电站、引水式电站以水的势能贮存形式划分：坝式水电站、引水式电站 、混合式、混合式 水电站、抽水蓄能电站水电站、抽水蓄能电站 火电：强调机炉协调控制，控制过程相对复杂。火

2、电调度特点是火电：强调机炉协调控制，控制过程相对复杂。火电调度特点是“调机调机 不调厂不调厂”. . 水电：强调远程的控制特点：水电：强调远程的控制特点：“无人值班无人值班”（少人值守），控制过程与（少人值守），控制过程与 火电比相对简单。其主要控制部分可类比于火电厂汽机发电机侧，但火电比相对简单。其主要控制部分可类比于火电厂汽机发电机侧，但 由于担负电网调功、调压等任务，以及地理条件限制，其自动发电控由于担负电网调功、调压等任务，以及地理条件限制，其自动发电控 制（制（AGCAGC）功能的设计比对火电厂要复杂，尤其是在大型水电厂控制）功能的设计比对火电厂要复杂，尤其是在大型水电厂控制 中。大

3、型水电厂监控系统分现地控制单元层（中。大型水电厂监控系统分现地控制单元层（LCULCU）、站级监控层）、站级监控层 （PCLPCL）及调度中心层（）及调度中心层（CCLCCL）。因此系统结构相对复杂。水电调度特）。因此系统结构相对复杂。水电调度特 点是点是“可调厂可调机可调厂可调机”. . P3LOGO TM P3 抽水蓄能电站在电力系统中的主要作用是抽水蓄能电站在电力系统中的主要作用是 调峰填谷、调频、调相和事故备用，包括抽水、调峰填谷、调频、调相和事故备用，包括抽水、 抽水调相、发电、发电调相和静止五个基本运行抽水调相、发电、发电调相和静止五个基本运行 工况，可逆式机组存在双向旋转，输水系

4、统中存工况，可逆式机组存在双向旋转，输水系统中存 在双向水流，与常规机组比较，抽水蓄能机组运在双向水流，与常规机组比较，抽水蓄能机组运 行工况较多，工况转换多样而复杂。行工况较多，工况转换多样而复杂。 抽水蓄能电站是以水体为储能介质，起调节抽水蓄能电站是以水体为储能介质，起调节 作用。主要解决电力系统的调峰问题。作用。主要解决电力系统的调峰问题。 抽水蓄能电站(pumped storage power station) P4LOGO TM P4 抽水蓄能电站的组成部分及各部分所起的作用 抽水蓄能电站由上水库、输水系统、安装有机组的抽水蓄能电站由上水库、输水系统、安装有机组的 厂房和下水库等建筑

5、物组成。厂房和下水库等建筑物组成。 抽水蓄能电站的上水库是蓄存水量的工程设施，电抽水蓄能电站的上水库是蓄存水量的工程设施，电 网负荷低谷时段可将抽上来的水储存在库内，负荷高峰时网负荷低谷时段可将抽上来的水储存在库内，负荷高峰时 段由水库放下来发电。输水系统是输送水量的工程设施，段由水库放下来发电。输水系统是输送水量的工程设施， 在水泵工况在水泵工况( (抽水抽水) )把下水库的水量输送到上水库，在水轮把下水库的水量输送到上水库，在水轮 机工况机工况( (发电发电) )将上水库放出的水量通过厂房输送到下水库。将上水库放出的水量通过厂房输送到下水库。 厂房是放置蓄能机组和电气设备等重要机电设备的场

6、所，厂房是放置蓄能机组和电气设备等重要机电设备的场所， 也是电厂生产的中心。抽水蓄能电站无论是完成抽水、发也是电厂生产的中心。抽水蓄能电站无论是完成抽水、发 电等基本功能，还是发挥调频、调相、升荷爬坡和紧急事电等基本功能，还是发挥调频、调相、升荷爬坡和紧急事 故备用等重要作用，都是通过厂房中的机电设备来完成的。故备用等重要作用，都是通过厂房中的机电设备来完成的。 抽水蓄能电站的下水库也是蓄存水量的工程设施，负荷低抽水蓄能电站的下水库也是蓄存水量的工程设施，负荷低 谷时段可满足抽水的需要，负荷高峰时段可蓄存发电放水谷时段可满足抽水的需要，负荷高峰时段可蓄存发电放水 的水量。的水量。 P5LOGO

7、 TM P5 抽水蓄能电站典型监控对象 （1 1）水轮机、发电电动机及辅助设备）水轮机、发电电动机及辅助设备 （2 2）主变压器）主变压器 （3 3）发电机机端电压设备）发电机机端电压设备 （4 4）进水球阀和尾水事故门）进水球阀和尾水事故门 （5 5）配电装置）配电装置 GISGIS（GAS INSTULATED SWITCHGEARGAS INSTULATED SWITCHGEAR） （6 6）全厂公用设备）全厂公用设备 静止变频起动装置（静止变频起动装置（SFCSFC）；厂用电交、直）；厂用电交、直 流电源；全厂公用油、气、水系统；通风及空调流电源；全厂公用油、气、水系统；通风及空调 系

8、统；水力测量系统；水库闸门系统系统；水力测量系统；水库闸门系统 P6LOGO TM P6 抽水蓄能电站控制流程 n发电工况n发电 n抽水 n停机静止n发电调相 n抽水工况 n抽水调相 n 蓄能电站机组运行工况及工况变换方式蓄能电站机组运行工况及工况变换方式 P7LOGO TM P7 蓄能电站机组运行工况及工况变换方式蓄能电站机组运行工况及工况变换方式 常规水轮机组的运行工况基本上只有三种：停机、常规水轮机组的运行工况基本上只有三种：停机、 发电和调相，而抽水蓄能电站机组有停机、发电、发电调发电和调相，而抽水蓄能电站机组有停机、发电、发电调 相、抽水、抽水调相五种稳定运行工况和背靠背启动、黑相、

9、抽水、抽水调相五种稳定运行工况和背靠背启动、黑 启动两种特殊工况。蓄能电站可有启动两种特殊工况。蓄能电站可有1414种工况转换过程，其种工况转换过程，其 中抽水转满载发电又可分正常与紧急二种方式，其中紧急中抽水转满载发电又可分正常与紧急二种方式，其中紧急 转换时间虽然短，但在运行中尽量避免采用，因这种转换转换时间虽然短，但在运行中尽量避免采用，因这种转换 过程中机组的振动很大，对机组有较大的危害。过程中机组的振动很大，对机组有较大的危害。 P8LOGO TM P8 操作方式 l 水轮机工况发电及停机水轮机工况发电及停机2 2种操作方式种操作方式 l 水泵工况抽水及停机水泵工况抽水及停机2 2种

10、操作方式种操作方式 l 发电转调相及返回发电转调相及返回2 2种操作方式种操作方式 l 抽水转调相及返回抽水转调相及返回2 2种操作方式种操作方式 l 停止至发电方向调相及停机停止至发电方向调相及停机2 2种操作方式种操作方式 l 停止至抽水方向调相及停机停止至抽水方向调相及停机2 2种操作方式种操作方式 l 发电转空载转抽水发电转空载转抽水1 1种操作方式种操作方式 l 抽水转空载转发电抽水转空载转发电1 1种操作方式种操作方式 l 抽水直接转发电抽水直接转发电1 1种操作方式种操作方式 l 黑启动黑启动1 1种操作方式种操作方式 P9LOGO TM P9 抽水蓄能电站的运行方式及常规水电机

11、组的不同 抽水蓄能电站有发电和抽水两种主要运行方式，在两种运行方式之间又抽水蓄能电站有发电和抽水两种主要运行方式，在两种运行方式之间又 有多种从一个工况转到另一工况的运行转换方式。正常的运行方式具有以下有多种从一个工况转到另一工况的运行转换方式。正常的运行方式具有以下 功能：功能： (1) (1) 发电功能。常规水电站最主要的功能是发电，即向电力系统提供发电功能。常规水电站最主要的功能是发电，即向电力系统提供 电能。蓄能电站本身不能向电力系统供应电能，它只是将系统中其他电站的电能。蓄能电站本身不能向电力系统供应电能，它只是将系统中其他电站的 低谷电能和多余电能，通过抽水将水流的机械能变为势能，

12、存蓄于上水库中，低谷电能和多余电能，通过抽水将水流的机械能变为势能，存蓄于上水库中， 待到电网需要时放水发电。蓄能机组发电的年利用时数一般在待到电网需要时放水发电。蓄能机组发电的年利用时数一般在8008001000h1000h之之 间。蓄能电站的作用是实现电能在时间上的转换。经过抽水和发电两种环节，间。蓄能电站的作用是实现电能在时间上的转换。经过抽水和发电两种环节， 它的综合效率为它的综合效率为75%75%左右。左右。 (2)(2)调峰功能。具有日调节以上功能的常规水电站，通常在夜间负荷低调峰功能。具有日调节以上功能的常规水电站，通常在夜间负荷低 谷时不发电，而将水量储存于水库中，待尖峰负荷时

13、集中发电，即通常所谓谷时不发电，而将水量储存于水库中，待尖峰负荷时集中发电，即通常所谓 带尖峰运行。而蓄能电站是利用夜间低谷时其他电源带尖峰运行。而蓄能电站是利用夜间低谷时其他电源( (包括火电站、核电站和包括火电站、核电站和 水电站水电站) )的多余电能，抽水至上水库储存起来，待尖峰负荷时发电。因此，蓄的多余电能，抽水至上水库储存起来，待尖峰负荷时发电。因此，蓄 能电站抽水时相当于一个用电大户，其作用是把日负荷曲线的低谷填平了，能电站抽水时相当于一个用电大户，其作用是把日负荷曲线的低谷填平了， 即实现填谷。填谷的作用使火电出力平衡，可降低煤耗，从而获得节煤效益。即实现填谷。填谷的作用使火电出

14、力平衡，可降低煤耗，从而获得节煤效益。 蓄能电站同时可以使径流式水电站原来要弃水的电能得到利用。蓄能电站同时可以使径流式水电站原来要弃水的电能得到利用。 (3) (3) 调频功能。调频功能又称旋转备用或负荷自动跟随功能。常规水调频功能。调频功能又称旋转备用或负荷自动跟随功能。常规水 电站和蓄能电站都有调频功能，但在负荷跟踪速度电站和蓄能电站都有调频功能，但在负荷跟踪速度( (爬坡速度爬坡速度) )和调频容量变和调频容量变 化幅度上蓄能电站更为有利。化幅度上蓄能电站更为有利。 常规水电站自起动到满载一般需数分钟。而抽水蓄能机组在设计上就常规水电站自起动到满载一般需数分钟。而抽水蓄能机组在设计上就

15、 考虑了快速起动和快速负荷跟踪的能力。现代大型蓄能机组可以在一两分钟考虑了快速起动和快速负荷跟踪的能力。现代大型蓄能机组可以在一两分钟 之内从静止达到满，增加出力的速度可达每秒之内从静止达到满，增加出力的速度可达每秒1 1万万kWkW，并能频繁转换工况。，并能频繁转换工况。 P10LOGO TM P10 蓄能电站机组运行工况及工况变换方式蓄能电站机组运行工况及工况变换方式 (4) (4) 调相功能。调相运行的目的是为稳定电网电压，包括发出无功的调相运行调相功能。调相运行的目的是为稳定电网电压，包括发出无功的调相运行 方式和吸收无功的进相运行方式。常规水电机组的发电机功率因数为方式和吸收无功的进

16、相运行方式。常规水电机组的发电机功率因数为0.850.85 0.90.9，机组可以降低功率因数运行，多发无功，实现调相功能。，机组可以降低功率因数运行，多发无功，实现调相功能。 抽水蓄能机组在设计上有更强的调相功能，无论在发电工况或在抽水工抽水蓄能机组在设计上有更强的调相功能，无论在发电工况或在抽水工 况，都可以实现调相和进相运行，并且可以在水轮机和水泵两种旋转方向进况，都可以实现调相和进相运行，并且可以在水轮机和水泵两种旋转方向进 行，故其灵活性更大。另外，蓄能电站通常比常规水电站更靠近负荷中心，行，故其灵活性更大。另外，蓄能电站通常比常规水电站更靠近负荷中心， 故其对稳定系统电压的作用要比

17、常规水电机组更好。故其对稳定系统电压的作用要比常规水电机组更好。 (5) (5) 事故备用功能。有较大库容的常规水电站都有事故备用功能。事故备用功能。有较大库容的常规水电站都有事故备用功能。 抽水蓄能电站在设计上也考虑有事故备用的库容，但蓄能电站的库容相抽水蓄能电站在设计上也考虑有事故备用的库容，但蓄能电站的库容相 对于同容量常规水电站要小，所以其事故备用的持续时间没有常规水电站长。对于同容量常规水电站要小，所以其事故备用的持续时间没有常规水电站长。 在事故备用操作后，机组需抽水将水库库容恢复。同时，抽水蓄能机组由于在事故备用操作后，机组需抽水将水库库容恢复。同时，抽水蓄能机组由于 其水力设计

18、的特点，在作旋转备用时所消耗电功率较少，并能在发电和抽水其水力设计的特点，在作旋转备用时所消耗电功率较少，并能在发电和抽水 两个旋转方向空转，故其事故备用的反应时间更短。两个旋转方向空转，故其事故备用的反应时间更短。 此外，蓄能机组如果在抽水时遇电网发生重大事故，则可以由抽水工况此外，蓄能机组如果在抽水时遇电网发生重大事故，则可以由抽水工况 快速转换为发电工况，即在一两分钟内，停止抽水并以同样容量转为发电。快速转换为发电工况，即在一两分钟内，停止抽水并以同样容量转为发电。 所以有人说，蓄能机组有两倍装机容量的能力来作为事故备用。当然这种功所以有人说，蓄能机组有两倍装机容量的能力来作为事故备用。

19、当然这种功 能是在一定条件下才能产生的。能是在一定条件下才能产生的。 (6) (6) 黑启动功能。黑启动是指出现系统解列事故后，要求机组在无电源的情况黑启动功能。黑启动是指出现系统解列事故后，要求机组在无电源的情况 下迅速起动。常规水电站一般不具备这种功能。现代抽水蓄能电站在设计时下迅速起动。常规水电站一般不具备这种功能。现代抽水蓄能电站在设计时 都要求有此功能。都要求有此功能。 P11LOGO TM P11 抽水蓄能电站监控系统结构 P12LOGO TM P12 回龙抽水蓄能电站监控系统结构 P13LOGO TM P13 白山三期与桦甸调度中心 P14LOGO TM P14 发电黑启动控制流

20、程1 P15LOGO TM P15 发电黑启动控制流程2 P16LOGO TM P16 发电黑启动控制流程3 P17LOGO TM P17 发电黑启动控制流程4 P18LOGO TM P18 自动发电控制（AGC） 定义：定义： 自动发电控制，即根据系统频率输电线负荷或它们之间负荷的变自动发电控制，即根据系统频率输电线负荷或它们之间负荷的变 化，对某一规定地区内发电机有功出力进行调节，以维持计划预定的化，对某一规定地区内发电机有功出力进行调节，以维持计划预定的 系统频率和与其他地区商定的交换功率在一定的限值之内。系统频率和与其他地区商定的交换功率在一定的限值之内。 梯级梯级AGCAGC的任务的

21、任务 跟踪电网运行状态跟踪电网运行状态( (电压、频率等电压、频率等) )，与机组状态，与机组状态( (水、机、电、水、机、电、 磁磁) )监测，故障诊断系统连接和协调，在电网运行稳定要求的精度内，监测，故障诊断系统连接和协调，在电网运行稳定要求的精度内， 分分 配、调整控制机组的有功功率，以满足电力系统的运行要求。配、调整控制机组的有功功率，以满足电力系统的运行要求。 主要内容主要内容: : l 满足梯级及各母线有功功率目标设定值满足梯级及各母线有功功率目标设定值; ; l 保持系统频率稳定在允许的范围内，使机组的有功出力在其运行限制保持系统频率稳定在允许的范围内，使机组的有功出力在其运行限

22、制 内内; ; l 及时向各电厂及时向各电厂( (机组机组) )监控系统发布调度指令监控系统发布调度指令; ; l 在系统事故及故障时，按系统运行规程规定和系统命令，启停机组自在系统事故及故障时，按系统运行规程规定和系统命令，启停机组自 动和远动措施，维持系统稳定。动和远动措施，维持系统稳定。 P19LOGO TM P19 三峡梯级调度AGC P20LOGO TM P20 三峡梯级调度AGC说明 三峡梯级三峡梯级AGCAGC设计有下述不同运行方式的切换软开关设计有下述不同运行方式的切换软开关: : 控制权限控制权限:“:“国调国调/ /梯调梯调” 调节对象调节对象:“:“母线母线/ /枢纽枢纽

23、 调节方式调节方式:“:“功给、曲线、调频、频差功给、曲线、调频、频差” 对应不同的运行方式对应不同的运行方式,AGC,AGC动态调整各受控厂站间的负荷分配。动态调整各受控厂站间的负荷分配。 1)1)当梯级当梯级AGCAGC的控制权限在的控制权限在“国调国调”时，只有时，只有“功率给定：一种调节功率给定：一种调节 方式。方式。 调节对象为调节对象为“母线母线”时时: : 梯级梯级AGCAGC进行约束条件检查，满足条件时，将国调给定值转发到各厂进行约束条件检查，满足条件时，将国调给定值转发到各厂 站站; ;不满足条件时，报警，数据不转发，不满足条件时，报警，数据不转发， AGCAGC维持原值运行

24、。维持原值运行。 调节对象为调节对象为“枢纽枢纽”时时: : 在满足在满足AGCAGC的约束条件下，按照总耗水量最小，优化分配枢纽内各电的约束条件下，按照总耗水量最小，优化分配枢纽内各电 站间的负荷。站间的负荷。 2)2)当梯级当梯级AGCAGC的控制权限在的控制权限在“梯调梯调”时，可以实现下述功能时，可以实现下述功能: : 调节对象为母线调节对象为母线”时时: : 在调节方式为在调节方式为“功给功给”时，可以手动设定各梯级各电站母线时，可以手动设定各梯级各电站母线(AGC(AGC单单 元元) )的总有功。的总有功。 P21LOGO TM P21 三峡梯级调度AGC说明 在调节方式为在调节方

25、式为“曲线曲线”时，时，AGCAGC根据当日负荷曲线母线给定值，根据当日负荷曲线母线给定值， 进行约束条件的检查，满足条件时，将给定值转发到各厂站进行约束条件的检查，满足条件时，将给定值转发到各厂站; ;不满足不满足 条件时，报警，数据不下发，条件时，报警，数据不下发，AGCAGC维持原值运行；维持原值运行； 在调节方式为在调节方式为“调频调频”时，时，AGCAGC根据当前母线频率是否超过调频根据当前母线频率是否超过调频 死区情况，计算当前梯级总有功，并将负荷分配到梯级电站各母线；死区情况，计算当前梯级总有功，并将负荷分配到梯级电站各母线； 在调节方式为在调节方式为“频差频差”时，时，AGCA

26、GC根据当前母线频率是否超过紧急根据当前母线频率是否超过紧急 调频上、下限情况，计算当前梯级总有功，并将负荷分配到梯级电站调频上、下限情况，计算当前梯级总有功，并将负荷分配到梯级电站 各母线。各母线。 调节对象为调节对象为“枢纽枢纽”时：时： 在调节方式为在调节方式为“功给功给”时时,AGC,AGC读取梯调运行人员给定的枢纽总有读取梯调运行人员给定的枢纽总有 功，并将负荷分配到梯级电站各母线；功，并将负荷分配到梯级电站各母线； 在调节方式为在调节方式为“曲线，时沪曲线，时沪CCCC读取今日负荷曲线的枢纽总有功；读取今日负荷曲线的枢纽总有功； 并将负荷分配到梯级电站各母线；并将负荷分配到梯级电站

27、各母线； 在调节方式为在调节方式为“调频调频”时，时，AGCAGC根据当前母线频率是否超过调频根据当前母线频率是否超过调频 死区情况，计算当前梯级总有功，并将负荷分配到梯级电站各母线；死区情况，计算当前梯级总有功，并将负荷分配到梯级电站各母线； 在调节方式为在调节方式为“频差频差”时，时，AGCAGC根据当前母线频率是否超过紧急根据当前母线频率是否超过紧急 调频上、下限情况，计算当前梯级总有功，并将负荷分配到梯级电站调频上、下限情况，计算当前梯级总有功，并将负荷分配到梯级电站 各母线。各母线。 P22LOGO TM P22 AGC负荷优化分配原则 根据经济运行的原则，采用分层动态规划法分配总有

28、功，在满足各项约根据经济运行的原则，采用分层动态规划法分配总有功，在满足各项约 束条件的情况下，根据枢纽各厂电价的不同，加人电价系数，使总耗水量最束条件的情况下，根据枢纽各厂电价的不同，加人电价系数，使总耗水量最 小小( (或梯级效益最大或梯级效益最大) )。 约束条件：约束条件： l 每个电厂所分配的负荷应介于最大、最小出力之间每个电厂所分配的负荷应介于最大、最小出力之间 l 考虑旋转备用容量考虑旋转备用容量 l 上下游水位约束上下游水位约束: :下限下限Hi Hi 上限上限 l 流量约束流量约束: :下限下限Hi Hi 上限上限 l 水位变幅约束水位变幅约束: :水位库间变幅限制，小时水位

29、变幅限制。水位库间变幅限制，小时水位变幅限制。 l 水库间流量变幅约束水库间流量变幅约束 l 机组特性曲线约束机组特性曲线约束 计算出电厂的等效震动区，以避免分配给电厂的负荷在电厂的机组中无计算出电厂的等效震动区，以避免分配给电厂的负荷在电厂的机组中无 法分配和全厂误差超过允许误差。法分配和全厂误差超过允许误差。 l 负荷转移约束，避免各电厂负荷转移约束，避免各电厂( (母线母线) )之间的负荷大规模的转移之间的负荷大规模的转移 l 负荷调节幅度约束，为了避免大幅度负荷调节对电网的冲击，并对电厂负荷调节幅度约束，为了避免大幅度负荷调节对电网的冲击，并对电厂 的安全进行考虑，对相邻两次负荷差值进

30、行限制，并对每个电厂一次开、停的安全进行考虑，对相邻两次负荷差值进行限制，并对每个电厂一次开、停 机组台数进行限制。机组台数进行限制。 l 开、停机约束开、停机约束: :考虑考虑AGCAGC的控制方式的控制方式:“:“开环开环/ /半闭环半闭环/ /闭环闭环”、旋转备用、旋转备用 容量及开停机时间等因素的约束。容量及开停机时间等因素的约束。 P23LOGO TM P23 自动电压调节（AVC） P24LOGO TM P24 AVC控制 即接收电网调度能量管理系统来的电压指令，根据当前母线电压即接收电网调度能量管理系统来的电压指令，根据当前母线电压 值，通过增减励磁电流，改变发电机无功，将母线电压调节到正常范值，通过增减励磁电流，改变发电机无功，将母线电压调节到正常范 围。围。 AVCAVC无功负荷分配原则无功负荷分配原则 AVCAVC无功负荷分配的原则即补偿单控机组的无功变化。无功负荷分配的原则即补偿单控机组的无功变化。 当单控机组无功变化达到一定死区时，当单控机组无功变化达到一定死区时，AVCAVC自动把变化的无功分自动把变化的无功分 配到参加配到参加AVCAVC的机组，从而保持全厂总无功不变。分配方法主要有的机组，从而保持全厂总无功不变。分配方法主要有: :等等 功率因素法功率因素法; ;考虑机组无功限制考虑机组无功限