■ 哈尔滨电机厂有限责任公司 温海明
我国电力工业发展很快．然而高峰用电量和低谷用电量之间的反差日益增大，已经达到2：1或3：1甚至更加悬殊的地步，迫切需要缓解．用于电力平衡调峰填谷最好办法是建设抽水蓄能电站。
1 调峰填谷能力
由于核电站反应堆不宜熄火，不能停机；风电场又依赖于气象条件，不宜调节。两者都不适用于调峰填谷．可参与电网调峰填谷的发电机组只有以下5种方式：蒸汽轮发电机组、燃气轮发电机组、联合循环燃气蒸汽透平发电机组、水轮发电机组和抽水蓄能发电机组。它们的调峰填谷性能对比见表1。
对比结果表明，抽水蓄能发电机组是电力系统最理想的调峰电源外，其最大优点还在于具有调峰填谷的双重作用：能储存电能，将低谷负荷时多余电能储存起来，而其他方式则不能。低谷时储存的电能用于峰荷时可换来2－3倍的电价收入（如按峰谷比为2：1或3：1计）．抽水蓄能电站建设工期为4－5年，建成为5－7年，比常规水电要快．单位kW投资为2500－4300元，也比传统水电少，所以，被列为优选方式。
我国抽水蓄能机组基本都是买外国货，机器运行之前的调试，外国人都不让我们看，自己又没有进行开发，只能永远买下去，永远受制于人。
在长期陷入“引进－落后－再引进－再落后”的怪圈以后，根据三峡左岸机组的引进经验和燃气轮发电机组打捆招标的利弊分析结果，国家“发改委”战略性的决定，以宝泉、惠州、白莲河三个蓄能电站的16台x300MW机组为依托工程，采取以市场换技术的方针，实施联合设计、合作制造、技贸结合的方式，进行国际打捆招标，积极扶持民族工业，实现大容量、高水头、高转速抽水蓄能发电机组的国产化。
即使实现了国产化，设备的合理使用和运行维护等也必须自主创新、积累经验，以保证产品的长期、安全、可靠运行。
2 机组运行的特点
由于电力系统的运行要求电力平衡，抽水蓄能机组需要经常频繁起动，通常每周或双日起动一次。与常规电站相比，抽水蓄能电站的机组运行工况更加复杂 、条件更加苛刻。它需要经常切换下述几种运行工况：(1)发电机运行工况。其中包括发电机状态下的起动 、发电运行和停机制动等；（2）电动机运行工况。其中包括电动机状态下的起动、抽水运行等；（3）调相运行工况。
针对上述16台300 MW 机组，《发电设备国家工程研究中心》构筑了仿真模型、开发了试验研究程序（软件）、进行了各种运行工况的仿真分析计算，提供了经过优化的最佳方案选择结果。
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3 电动机起动方式
电动机状态下起动方式的选择，主要取决于电站装机台数：（1）当机组台数较少时：对于1到2台机组的电站，可根据机组的容量大小、电网特点、费用等情况综合考虑、折中确定，以便选择直接、变频、或辅助电动机等3种起动方式中的一种。（2）当机组台数较多时：对于2台以上机组的电站，最优选择是变频起动方式，而背靠背起动方式是理想的备用起动方式。
3.1 直接起动方式
3.1.1 优点：起动方法简单，成本低，起动转矩大，起动速度快； 电网电压可以是全压，也可以半压；转轮可以冲水，也可以压（排）水起动。
3.1.2 缺点: 起动电流大，会引起系统电压降 , 并对转子结构有冲击;。
3.1.3 程序:（1）将励磁绕组短接；（2）将发电电动机直接并入电网；（3）此时 阻尼绕组所产生的异步力矩使机组起动并加速；（4） 在接近同步转速时加上励磁、拉入同步。
3.2 背靠背起动方式
3.2.1 优点：不会对电力系统造成干扰，不会对电机的结构产生冲击，成本低，起动速度快，转轮甚至可以不排水，但是一般采用压水起动。
3.2.2 缺点：不能起动最后一台机组（“背靠背”起动的先决条件就是2台以上）。
3.2.3 程序：（1）将两台机组在电气上连接；（2）分别加上励磁（一般给发电机加空载额定励磁，给电动机加80%空载额定励磁）；（3）被起动的电动机在同步转矩作用下跟随发电机逐步升速；（4）将 发电机组的水轮机“导叶”缓慢开启（两台机组容量相同时，导叶开度的最佳速度为每秒0.5%~0.6%的“导叶”全开度）；5.当转速达到额定转速的80%时，两机组投入各自的励磁调解器；（6）当接近同步转速时将电动机并入电网；（7）解除与发电机的电气连接。
3.3 变频起动方式
3.3.1 优点：不会对电力系统产生干扰，不会对电机的结构产生冲击，所有机组都可以起动。
3.3.2 缺点：电站机组台数少（比如1~2台）时，起动成本较高，系统占地面积较大，一般需要压水起动，起动时间较长。
3.3.3 程序：（1）给被起动机组施加空载额定电压的励磁；（2）接通入变频器电源侧开关，使整流器将恒频、恒压交流电变成电压可调的直流电；（3）再 通过逆变器将该直流电逆变成与电机转速相对应的频率和电压的交流电；（4）已被励磁的转子与定子电流产生的旋转磁场相互作用，使转子产生转动力矩而起动；（5）通过永磁机及位置传感器输出转速信号及位置信号，由变频器的控制装置调整可控硅的导通角，由此来进行转速和整流控制；（6） 待转速升至额定值时，将机组并网，同时切除与变频器的连接。
3.3.4 注意：（1）静止变频器容量的选择：要考虑到水力要求（水泵的功率大小）和费用情况（系统的经济性）。（2）变频器的尺寸和价格：取决于水泵的阻力矩，必要的话，可以校核起动时间。（3）二次起动的时间间隔的选择：要考虑到其最小时间间隔应能使变频器完成装置的（充）放电。放电时间应由其制造商提供。
根据仿真模型试验，研究了脉冲驱动方式以及所获得的转速变化曲线、电磁转矩变化曲线、电流变化曲线、相电压变化曲线。
4 运行工况的转换
4.1 由发电机到电动机的工况转换程序如下：
发电——电制动——起动(变频或背靠背)——抽水
4.2 由电动机到发电机的工况转换程序如下：
抽水——电制动——水轮机起动——发电
研究结果表明，在上述2种运行工况切换程序当中，机组的制动均以电气制动为最佳选择。
此外，还针对机端三相、两相及单相对地突然短路进行了建模及仿真计算 。结果表明，当时间为0、0.01、0.1、0.2、0.3、0.4（s）和 ∞ 时，三相突然短路电流各分量的具体数值，短路电流周期分量（有效值和峰值）以及非周期分量中的最大值高达74kA。需要特别注意。
还开发了机组承受150%过转矩的仿真模型 和水轮发电机模型试验系统 （软件）。通过仿真模型试验，获得了电磁转矩、负载转矩、励磁电流和功角分别相对于时间的变化 特性曲线等。
5 结语
抽水蓄能发电机组已成为电网调峰填谷的主力机组。我国自主开发了仿真模型及其试验研究程序（软件）、提供了最佳运行工况优化选择的计算分析结果，对于新产品的开发、现有产品的运行维护以及老产品的技术改造都具有重大指导意义。
