潮汐電站的機組控制

呂惠青

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江杭州 310014）

潮汐電站的機組控制

呂惠青

（中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江杭州 310014）

針對潮汐電站機組運行的不同工況，并結合現有電站運行經驗對潮汐電站的機組控制過程進行介紹；特別是抽水運行工況在潮汐電站中應用，不僅增加電站運行的靈活性，促進潮汐能的利用，也提高電站經濟效益。

潮汐電站；機組控制；運行工況；正向；反向；抽水

0 引言

潮漲潮落，往復不歇，潮汐能是一種可再生的綠色能源。利用潮汐發電，不會受枯水期和洪水期的影響，電量穩定而且還可以做到精確預報；不會造成建壩的淹沒損失和人口遷移，不受燃料的開采和運輸條件的制約，具有良好的綜合效益。潮汐能的利用因其無比的優越性和寬廣的前途，已為世界各國所關注。

1 潮汐電站的控制特點

潮汐電站一般根據海水潮位的周期性變化進行發電，水流從水庫流向海洋進行的運行工況定為正向運行工況、海洋流向水庫進行的運行工況定為反向運行工況。潮汐電站與常規水電站控制相比，主要有以下幾個特點：

（1）運行工況多

常規水輪發電機組的運行工況不外乎停機、發電和調相三種；而潮汐電站機組的工況一般有停機、發電、泄水、抽水四種，并且有正反向之分，即正反向發電、正反向泄水和正反向抽水等工況。

目前國內的潮汐能機組容量不大，且為燈泡貫流式機組，均未考慮調相工況。就抽水工況而言，潮汐電站機組似乎與抽水蓄能機組相似，但實際有區別。潮汐電站機組的抽水工況有正反兩個方向，即庫側向海側抽水（正向）和海側向庫側抽水（反向），而抽水蓄能機組只有一個方向，即永遠是下庫向上庫抽水。另一個區別是，抽水蓄能機組抽水的目的是削峰填谷，利用用電低谷時富裕電能抽水，在用電高峰時發電；而潮汐電站機組的抽水，是在潮汐運動過程中，當兩側水位差處于相對較小的特定時段，進行抽水，以較少的電能獲得更大的水位落差，以使下階段發電時獲得更多的電能。

（2）潮汐電站一般會有泄水閘參與水位控制，機組泄水運行可提高發電量，但也增加了機組控制的復雜性。

（3）由于潮汐電站利用海水的潮汐能源，每天一般會有兩次潮漲潮落，所以機組的開停機操作比較頻繁、復雜。特別是具有雙向發電和抽水運行工況機組，由于被控對象多，切換操作復雜，其控制系統較常規水電機組要復雜得多。機組順序控制需按嚴格和周密的閉鎖自動進行，要求采用最優的操作路徑，且操作時間最短。

（4）潮汐電站的機組臺數相對較多，而且各機組的運行方式在同一時間內又是一致的，所以全站須配置一套公用工況控制系統，以便對各機組的運行方式進行統一的切換和閉鎖。每一工況啟動條件是水頭值的大小和方向，它們由一套公用的水位發送器、水位差接收器組成的水頭信號裝置發出。

2 潮汐電站的機組控制過程

潮汐能過程變化很快，水量又無法儲存，如果不及時利用，將很快消失，只有機組運行正常，潮汐能量才能轉化成電能。因此機組的運行工況、控制方式是否合理會直接影響電站發電量和效益。下面借鑒國內某潮汐電站6號機組實踐經驗，對雙向運行方式中含抽水運行工況的機組控制過程進行簡要介紹。

根據潮位的周期性變化，6號機組運行的工況順序正常情況下為：停機→正向發電→正向泄水→正向抽水→停機→反向發電→反向泄水→反向抽水→停機。機組的運行工況參見下圖1。其控制過程如下：

圖1 機組運行工況圖

正向發電：落潮時，當海側潮位消落至低于庫水位H1時，同時機組具備自動開機條件即可啟動運行發電，此時為正向發電工況。正向發電時海水從庫側流向海側。由于海側潮位消落速度比庫水位降落速度快，工作水頭不斷提高，機組出力亦隨之增加，直到海側開始漲潮，而庫水位隨著發電運行仍繼續下降，工作水頭便開始不斷下降，機組出力亦隨之降低。直到發電水頭降低至設定值H2時，機組減負荷至空載并跳發電機斷路器，此時機組正向發電運行工況結束轉正向泄水流程。

正向泄水：解列后機組仍空載運行，海水繼續通過機組從庫側流向海側，稱為正向泄水運行工況。此時機組處于空轉狀態。同時開啟泄水閘門加快庫水排向海側的速度以進一步加快降低庫水位，為反向發電做準備。當庫海側水位差為零時（即平潮），泄水閘門關閉，即正向泄水運行工況完畢。

正向抽水：在泄水運行過程中，當水頭降低使機組轉速降至60%Ne轉速時，合上發電機斷路器，在調速器和勵磁系統的配合下，機組轉入抽水運行工況。海水從庫側抽向海側，當水頭至H3時，跳發電機斷路器，正向抽水運行工況完畢轉停機流程。

反向發電：機組停轉、泄水閘門關閉后，庫水位保持不變，但海側潮位不斷升高，至海側潮位高于庫水位H4時，機組即可啟動運行發電，此時為反向發電運行工況。反向發電時海水從海側流向庫側。由于海側潮位升高速度比庫側水位上升速度快，工作水頭不斷提高，機組出力亦隨之增加，直至海側開始落潮，而庫水位隨著發電運行仍繼續上升，工作水頭便開始不斷下降，機組出力亦隨之降低。直至水頭降至H5時，機組減負荷至空載并跳發電機斷路器，此時機組反向發電運行工況結束轉反向泄水流程。

反向泄水：解列后機組仍在空載運行，海水繼續通過機組從海側流向庫側，稱為反向泄水工況。同時開啟泄水閘門加快向水庫充水的速度，以進一步提高庫水位，為正向發電做準備。當庫海側水位差為零時（即平潮），泄水閘門關閉，即反向泄水運行工況完畢。

反向抽水：同正向抽水運行工況相似，只是海水從海側抽向庫側，當水頭至H6時，跳發電機斷路器，反向抽水運行工況完畢轉停機流程。

3 潮汐電站的機組控制流程

正常情況下，機組工況的流轉遵循如下順序：停機→正向發電→正向泄水→正向抽水→停機→反向發電→反向泄水→反向抽水→停機。隨著潮漲潮落，庫水位和潮位發生往復周期性變化，機組按上述順序循環往復地運行，前一步工況完成后，開放下一步工況。正向、反向工況取決于庫水位和潮位，庫水位高于潮位，為正向，正向條件滿足時，閉鎖一切可能發生的反向工況，反之亦然。事故情況下，則無論機組處于何種運行工況，均執行事故停機流程。

現以6號機組為例，介紹潮汐電站的機組控制流程，下述流程均通過計算機監控系統實現。

3.1 停機→發電流程

（1）第一步：開機準備

機組開機準備狀態如下：機組無事故、發電機斷路器分位、制動閘復歸位、機械制動腔無壓、正向或反向斷路器合位。當以上開機條件具備后，程序自動解除對第二步的閉鎖，為第二步操作做準備。一旦值班人員發出開機令，則開始執行第二步操作。

（2）第二步：開輔機

a.開啟軸承供油自保持球閥，命令發出后經延時，檢測到軸承回油管油流正常后，執行后續流程。否則發故障信號，停止執行后續流程。

b.開啟主軸密封水自保持球閥，命令發出后經延時，檢測到密封水流正常后，執行后續流程。否則發故障信號，停止執行后續流程。

c.投高壓油頂起油泵。兩臺高壓油泵互相輪換，當其中作為工作油泵出現故障或該油泵啟動后高壓頂起油泵管路壓力還是偏低，經過延時后，啟動另一臺油泵，如果兩臺油泵均故障，或兩臺都啟動延時后管路壓力還是偏低，則報警并停止執行后續流程。

d.如果滅磁開關未在合位，則合滅磁開關。

當以上條件滿足后，程序自動解除對第三步操作的閉鎖。

（3）第三步：啟動調速器

啟動調速器，將導葉和輪葉開啟至空載開度。

（4）第四步：停高壓頂起油泵

當機組轉速上升至95%Ne轉速時，切除高壓油頂起油泵。

（5）第五步：投勵磁裝置

當機組轉速上升至95%Ne轉速時，投入勵磁裝置，給發電機建壓。

（6）第六步：投準同期裝置

當發電機機端電壓至90%額定電壓以上時，投入準同期裝置。

（7）第七步：合發電機斷路器

準同期裝置檢測到機組并列條件滿足后，機組以準同步方式并入系統。

3.2 發電→泄水→抽水→停機流程

（1）第一步：減負載

處于發電運行的機組，發電水頭和有功功率降低至設定值，自動降有功和無功功率至最小。當機組有功和無功功率至設定值時，程序自動解除對第二步操作的閉鎖。

（2）第二步：跳開發電機斷路器

跳開發電機斷路器，使機組與系統解列。當發電機斷路器在開斷位置時，程序自動解除對第三步操作的閉鎖。

（3）第三步：勵磁滅磁

給勵磁裝置發滅磁令，降低發電機機端電壓。

（4）第四步：給調速器發泄水命令

給調速器發泄水命令，將導葉和輪葉開度調至泄水角度，機組轉入泄水工況，同時開啟泄水閘門。當庫海側水位差為零時，泄水閘門關閉。

（5）第五步：向勵磁調節器發出抽水指令

當機組在泄水工況下，轉速降低至90%Ne轉速，向勵磁調節器發出抽水指令，程序自動解除對第六步操作的閉鎖。

（6）第六步：向調速器發抽水指令

在泄水工況下，當轉速降低至80%Ne轉速，向調速器發出抽水指令，將導葉和輪葉開度調至抽水角度。

（7）第七步：合發電機斷路器

當機組轉速降至60%Ne轉速的時候和以上條件執行完成，合發電機斷路器。

（8）第八步：投入勵磁

當斷路器合上后，電機轉子阻尼繞組產生的感應電流與定子繞組產生的旋轉磁場相互作用形成電磁轉矩，使電機像感應電動機一樣啟動起來，待機組轉速接近同步轉速（95%Ne）時投入勵磁，機組即納入同步，機組轉入抽水工況。

（9）第九步：跳發電機斷路器

機組在抽水工況下，當水頭至設定值(H3或H6)時，跳發電機斷路器，轉入停機流程。程序自動解除對第十步的閉鎖，為第十步操作作準備。

（10）第十步：給調速器發停機令

給調速器發停機令，關閉導葉和輪葉開度至全關位置。

（11）第十一步：投入機械制動

當機組轉速降至20%Ne轉速時，開啟制動電磁閥，轉速降至5%Ne轉速以下并經過延時后，程序自動解除第十二步操作的閉鎖。

（12）第十二步：停輔機

復歸制動電磁閥、關閉軸承供油自保持球閥、關閉主軸密封水自保持球閥、切除高壓油頂起裝置、投入調速器鎖錠、切除冷卻風機、投入除濕器、投入加熱器。

3.3 機組事故停機流程

無論機組處于何種運行工況，一旦發生事故，立即執行事故停機流程。事故分電氣事故和水機事故。

（1）電氣事故

當繼電保護動作，則跳閘、滅磁和停機。

（2）水機事故

當發生以下水機事故：軸承過熱、高位油箱油位過低、潤滑油中斷時，則首先作用于緊急停機電磁閥，負荷卸至空載后，再跳閘、滅磁和停機。

當發生以下水機事故：機組過速、事故停機過程中導葉彎曲連桿彎曲、調速器主配拒動時，則首先作用于卸壓閥，使重錘動作關導葉，負荷卸至空載后，再跳閘、滅磁和停機。

4 潮汐電站機組控制的特殊要求

潮汐電站機組控制對輔機設備的可靠性、靈活性要求較高。潮汐電站的機組容量較小，但運行復雜，隨著漲潮落潮，每天的負荷變化大，這就要求勵磁系統和調速器系統適應性強，調節速度快，精度高。同時由于機組正、反向運行時，電氣主回路的相序要作變換，這就需要調速器和勵磁系統能正確識別工況信號并提前做好準備。

潮汐電站的機組控制，要求合理選擇抽水工況的起動方式。針對抽水工況，啟動方式的選擇十分重要，采用變頻起動、全電壓異步起動還是降壓異步起動等方式需要針對具體情況作論證。從本文介紹的6號機組來看，采用低轉速時直接合斷路器異步啟動方式，此時發電機內部阻尼繞組產生的異步力矩適中，啟動效果比較理想，可以在較短時間內把機組牽入同步，轉入同步之前機組運行、振動擺度等參數滿足設計要求。

潮汐電站的機組啟動控制過程中，有必要采用高壓油頂轉子裝置。這在機組剛啟動時，減少靜摩擦力矩有較明顯的作用，同時對推力軸承形成油膜起到重要作用。對于常規的水輪發電機組，推力瓦是靠偏心支撐使機組在啟動過程中形成鍥形油膜，而對于有兩個旋轉方向的可逆機組是不可能利用這種方法形成油膜，需要靠高壓油頂轉子裝置在推力瓦和鏡板間注入高壓油，在機組啟動過程中，如果高壓油頂起失敗，則轉入事故停機，以免燒壞推力軸瓦。

潮汐電站的機組控制方式要求具有靈活性。一年之中，一月之中，最高漲潮潮位是變化的，電站實際的開機水頭、停機水頭也將隨之修正，要根據潮位、投入運行的機組臺數等因素進行調整。當最高漲潮潮位很低時，可能改雙向發電為單向正向發電，總發電量反而比雙向發電量多，此時，反向不發電，僅僅開啟泄水閘門對水庫充水，至海側和庫側水位相等時關閉閘門，然后等落潮時正向發電運行。因此電站操作人員要根據實際情況選擇不同的運行方式，機組控制系統要能適應這種方式變化。

5 結束語

我國擁有漫長的海岸線，海岸曲折，港灣眾多，潮汐能源非常豐富。與風能、太陽能一樣，潮汐能也是一種可再生的新能源，建設潮汐電站，開發利用潮汐能，大有可為。

TV 744

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1672-5387（2010）03-0044-03

2010-04-28

呂惠青（1973-），女，工程師，主要從事電氣二次設計。（E-mail：lu_hq@ecidi.com）