抽水蓄能電站

第2章抽水蓄能抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的原理抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式抽水蓄能電站的應(yīng)用案例總結(jié)與展望

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抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的基本概念

抽水蓄能是一種以水為能量載體，通過抽水和放水過程實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和利用的儲(chǔ)能技術(shù)。

抽水蓄能電站，一般由上水庫、輸水系統(tǒng)、廠房和下水庫等組成。抽水蓄能電站的上水庫用于儲(chǔ)蓄能量。下水庫用于儲(chǔ)蓄上水庫發(fā)電過程放下來的水。輸水系統(tǒng)是電站儲(chǔ)蓄的水在上水庫與下水庫之間雙向流動(dòng)的傳輸通道。

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抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的作用抽水蓄能電站可有效調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)的供需，使其達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，大幅度提高電網(wǎng)的運(yùn)行安全和供電質(zhì)量。具體作用包括削峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相（調(diào)壓）、事故備用和黑啟動(dòng)等。削峰填谷在用電負(fù)荷高峰時(shí)段向電網(wǎng)提供電能；在用電負(fù)荷低谷時(shí)段消納電網(wǎng)中其他電源（如火電、風(fēng)電和太陽能等）過剩的電量。

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抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的作用調(diào)頻抽水蓄能電站的調(diào)頻作用又稱負(fù)荷自動(dòng)跟蹤作用。抽水蓄能電站具有啟停速度快、工況轉(zhuǎn)換迅速能隨時(shí)并迅速地調(diào)整出力以消除功率的不平衡量，實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定。調(diào)相抽水蓄能電站的調(diào)相作用又稱為調(diào)壓作用。抽水蓄能發(fā)電機(jī)的調(diào)相運(yùn)行方式可分為調(diào)相運(yùn)行和進(jìn)相運(yùn)行兩種。調(diào)相運(yùn)行是指發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送感性無功功率的運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)相運(yùn)行是指發(fā)電機(jī)吸收電網(wǎng)的感性無功功率的運(yùn)行狀態(tài)。

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抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的作用事故備用抽水蓄能電站的事故備用作用是指抽水蓄能電站可以作為電力系統(tǒng)中備用容量的組成部分之一。黑啟動(dòng)抽水蓄能電站的黑啟動(dòng)作用是指抽水蓄能電站可在無外界電力供應(yīng)的情況下，迅速自啟動(dòng)，并為其他機(jī)組提供啟動(dòng)功率，使電力系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)供電，保證電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

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抽水蓄能電站概述抽水蓄能電站的類別及其特點(diǎn)

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抽水蓄能電站概述按開發(fā)方式分類引水式抽水蓄能電站：

一般建在天然高度落差較大、流量相對較小的山區(qū)或丘陵地區(qū)的河流上。根據(jù)廠房在輸水系統(tǒng)中的位置，可進(jìn)一步分為首部式布置、中部式布置和尾部式布置三種。抬水式抽水蓄能電站：一般在天然河道中攔河筑壩形成上水庫，以抬高上水庫的水位。抬水式抽水蓄能電站的布置形式主要分為壩后式布置和河岸式布置。

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抽水蓄能電站概述引水式抽水蓄能電站首部式布置

首部式布置的抽水蓄能電站將廠房布置在輸水系統(tǒng)的上游側(cè)，靠近上水庫。常用于水頭不太高的電站。中部式布置

中部式布置的抽水蓄能電站一般將廠房布置在輸水系統(tǒng)的中部。中部地形一般不太高，電站的上下游一般都有比較長的輸水道。尾部式布置

尾部式布置的抽水蓄能電站一般將廠房布置在輸水系統(tǒng)的下游側(cè)，靠近下水庫。目前在抽水蓄能電站中應(yīng)用較多。

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抽水蓄能電站概述抬水式抽水蓄能電站壩后式布置

壩后式布置的抽水蓄能電站將廠房布置在壩的后側(cè)，一般為地面式，不需承受水壓。

壩后式抽水蓄能電站的水頭一般較低，但機(jī)組安裝高程普遍較高。河岸式布置河岸式布置的抽水蓄能電站將廠房布置在河岸邊或河岸內(nèi)。

河岸式布置抽水蓄能電站的引水道多采用山體隧洞；

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抽水蓄能電站概述按天然徑流條件分類純抽水蓄能電站純抽水蓄能電站的上水庫一般沒有或只有少量的天然來水進(jìn)入。純抽水蓄能電站一般水頭較高，上水庫和下水庫常的庫容大小相似?；旌鲜匠樗钅茈娬净旌鲜匠樗钅茈娬镜纳纤畮煲话憬ㄔ诤哟ㄉ匣蚶锰烊缓醋鳛樯纤畮欤哂刑烊粡搅鲄R入，其來水流量可達(dá)到安裝常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組承擔(dān)系統(tǒng)負(fù)荷的要求?；旌鲜匠樗钅茈娬居址Q為常蓄結(jié)合式抽水蓄能電站?；旌鲜匠樗钅茈娬緩S房內(nèi)所安裝的機(jī)組一般由兩部分組成，一部分是常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組，另一部分是抽水蓄能機(jī)組。

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抽水蓄能電站概述按水庫座數(shù)分類兩庫式抽水蓄能電站兩庫式抽水蓄能電站指具有兩座水庫的抽水蓄能電站。兩庫式抽水蓄能電站是比較常見的抽水蓄能電站。三庫式抽水蓄能電站三庫式抽水蓄能電站是指具有三座水庫的抽水蓄能電站。三庫式抽水蓄能電站一般是由一座上水庫與兩座下水庫組成。

當(dāng)兩座下水庫是相鄰水電站梯級的兩座水庫，可實(shí)現(xiàn)同流域抽水蓄能；當(dāng)兩座下水庫是相鄰流域的兩座水電站水庫，可實(shí)現(xiàn)跨流域抽水蓄能。

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抽水蓄能電站概述按發(fā)電廠房形式分類地面式抽水蓄能電站地面式抽水蓄能電站采用地面式廠房。地面式廠房一般適用于水頭不太高，下游水位變化幅度不太大和地質(zhì)條件不宜做地下廠房的抽水蓄能電站，在抽水蓄能電站中應(yīng)用較少。半地下式抽水蓄能電站半地下式抽水蓄能電站采用半地下式廠房。半地下廠房能適應(yīng)抽水蓄能機(jī)組較大的淹沒深度和下游水位較大的變幅，在抽水蓄能電站中應(yīng)用較多。地下式抽水蓄能電站地下式抽水蓄能電站采用地下式廠房。地下廠房由于能夠適應(yīng)尾水位的變化和抽水蓄能機(jī)組需要較大淹沒深度的要求，在抽水蓄能電站中應(yīng)用最多。

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抽水蓄能電站概述按水頭高低分類低水頭抽水蓄能電站低水頭抽水蓄能電站水頭在100m以下。我國的潘家口抽水蓄能電站是典型的低水頭抽水蓄能電站。中水頭抽水蓄能電站中水頭抽水蓄能電站水頭在100~700m之間的抽水蓄能電站稱為中水頭抽水蓄能電站。我國的廣州抽水蓄能電站是典型的中水頭抽水蓄能電站。高水頭抽水蓄能電站高水頭抽水蓄能電站水頭在700m以上的抽水蓄能電站稱為高水頭抽水蓄能電站。我國的河北豐寧抽水蓄能電站是典型的高水頭抽水蓄能電站。電站單位kW造價(jià)通常隨水頭的增高而降低，具有較大的經(jīng)濟(jì)性。

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抽水蓄能電站概述按機(jī)組型式分類分置式(四機(jī)式)抽水蓄能電站分置式抽水蓄能電站在分置式抽水蓄能機(jī)組中，水泵、水輪機(jī)、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)這四種部件是分開布置的，占地大，布置復(fù)雜，工程投資大，目前已很少被采用。串聯(lián)式(三機(jī)式)抽水蓄能電站串聯(lián)式抽水蓄能電站的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)功能被集成到同一臺(tái)機(jī)組中,抽水蓄能電機(jī)同時(shí)與水輪機(jī)和水泵相聯(lián)結(jié)，稱為串聯(lián)式機(jī)組。串聯(lián)式機(jī)組具有較高的運(yùn)行效率，但工程投資偏大。

可逆式抽水蓄能電站可逆式抽水蓄能電站在串聯(lián)式抽水蓄能電站的基礎(chǔ)上將水泵和水輪機(jī)合并為一套，稱為可逆式水泵水輪機(jī)?？赡媸剿盟啓C(jī)具有貫流式、軸流式、斜流式和混流式四種結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)不同應(yīng)用場景下的水流差異。

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抽水蓄能電站概述按水庫調(diào)節(jié)周期分類日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站是指以日為循環(huán)周期的抽水蓄能電站。目前的大部分純抽水蓄能電站都屬于日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站。周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站是指以周為循環(huán)周期的抽水蓄能電站。一般周調(diào)節(jié)抽水蓄能電站的庫容應(yīng)滿足電力系統(tǒng)一周以內(nèi)對調(diào)峰的需求。季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站是指以季為循環(huán)周期的抽水蓄能電站。一般季調(diào)節(jié)抽水蓄能電站的庫容應(yīng)滿足電力系統(tǒng)一季度以內(nèi)對調(diào)峰的需求。年調(diào)節(jié)抽水蓄能電站年調(diào)節(jié)抽水蓄能電站是指以年為循環(huán)周期的抽水蓄能電站。一般年調(diào)節(jié)抽水蓄能電站的庫容應(yīng)滿足電力系統(tǒng)一年以內(nèi)對調(diào)峰的需求。年調(diào)節(jié)抽水蓄能電站中多數(shù)為混合式抽水蓄能電站。

2.2抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的能量轉(zhuǎn)換過程在電力系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)：將電網(wǎng)過剩的電能先轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再把過剩的電能轉(zhuǎn)換而來的機(jī)械能以水體的勢能形式儲(chǔ)存起來；

在電力系統(tǒng)負(fù)荷轉(zhuǎn)為高峰時(shí)：

再將這部分水體的重力勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，最后機(jī)械能重新轉(zhuǎn)換為電能，以彌補(bǔ)電力系統(tǒng)的尖峰容量和電量不足，滿足系統(tǒng)調(diào)峰需求。

2.2抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的能量轉(zhuǎn)換過程水庫水位正常蓄水位：抽水蓄能電站正常運(yùn)行情況下，水庫蓄水能達(dá)到的最高水位。死水位：抽水蓄能電站正常運(yùn)行情況下，水庫蓄水的最低工作水位。工作深度：水庫的正常蓄水位與死水位之間的高程差（高度落差）。水庫水頭最大水頭：抽水蓄能電站的上、下水庫的水面高度落差的最大數(shù)值。最小水頭：抽水蓄能電站的上、下水庫的水面高度落差的最小數(shù)值。平均水頭：取最大水頭和最小水頭的算術(shù)平均值。水庫庫容蓄能庫容：水庫在正常蓄水位與死水位之間所包含的庫容。上水庫與下水庫之間的水面高度落差越大（水頭越大），存于上水庫的能量也越大。

2.2抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的水頭特性抽水蓄能電站的水頭特性主要用以描述該電站的水頭值與蓄水量之間的變化規(guī)律。在抽水蓄能電站完成一次完整的抽水和發(fā)電的循環(huán)過程中，電站水頭值與蓄水位將在一個(gè)范圍內(nèi)變化。電站的最大、最小水頭計(jì)算公式如下

電站的最大水頭上水庫的正常蓄水位下水庫的死水位

電站的最小水頭

上水庫的死水位

下上水庫的正常蓄水位

2.2抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的水頭特性

當(dāng)上水庫的蓄水位下降至死水位ZUD后，抽水蓄能電站不再能繼續(xù)放水發(fā)電，下水庫的蓄水位也將上升至其正常蓄水位ZLN。此時(shí)，抽水蓄能電站的水頭最小注：抽水蓄能電站的水頭可通過上水庫放水曲線與下水庫的蓄水曲線的垂直距離表示。假定上水庫從正常蓄水位ZUN開始放水，當(dāng)放水量達(dá)到ΔV1時(shí)，其水位下降至ZU1；此時(shí)，下水庫由于接收到ΔV1的水量，其水位也由死水位ZLD上升至ZL1。抽水蓄能電站的水頭與蓄水位的變化規(guī)律主要由水庫形狀以及庫容大小決定。二、沖孔工序分類由于實(shí)心沖子沖孔時(shí)，坯料處于局部加載，坯料是整體受力和整體發(fā)生變形的狀態(tài)。

1實(shí)心沖子沖孔(1)變形特點(diǎn)：1—坯料實(shí)心沖子沖孔2—沖墊3—沖子4—芯料當(dāng)D0/d≤（2~3）時(shí)，外徑明顯增大，上端面拉縮嚴(yán)重；當(dāng)D0/d＝（3~5）時(shí)，外徑有所增大，端面幾乎無拉縮；當(dāng)D0/d＞5時(shí)，因環(huán)壁較厚，擴(kuò)徑困難，圓環(huán)區(qū)內(nèi)層金屬擠向端面形成凸臺(tái)。(2)實(shí)心沖子沖孔時(shí)，毛坯的形狀與毛坯直徑D0和孔徑d之比有關(guān)沖孔時(shí)坯料形狀變化的情況環(huán)壁厚度D0/d太小，此值越小，走樣越嚴(yán)重。原因?qū)⑴髁乡叴种罝0/d>3后再?zèng)_孔，沖孔后進(jìn)行端面平整。措施a)走樣(3)實(shí)心沖子沖孔時(shí)易產(chǎn)生的缺陷及防止措施一是最初沖頭定位不準(zhǔn)；二是坯料加熱溫度不均勻。原因先用沖頭在坯料表面壓出淺印，目測定位后再繼續(xù)往下沖，另外保證坯料加熱溫度均勻。措施b)孔偏心(3)沖孔時(shí)易產(chǎn)生的缺陷及防止措施一是操作不當(dāng)，二是坯料或工具不規(guī)范。原因沖孔前，坯料端面要平，沖頭要標(biāo)準(zhǔn)，壓入后要檢查沖頭是否與坯料端面垂直。措施c)斜孔(3)沖孔時(shí)易產(chǎn)生的缺陷及防止措施低塑性材料，或者坯料溫度較低。原因一是增大D0/d比值，減小沖孔坯料走樣程度，二是對低塑性材料用多次加熱沖孔方法，三是減小沖子錐度。措施d)裂紋(3)沖孔時(shí)易產(chǎn)生的缺陷及防止措施二、沖孔工序分類沖孔時(shí)坯料形狀變化較小，但芯料損失較大，當(dāng)鍛造大鍛件時(shí)，能將鋼錠中心品質(zhì)差的部分沖掉。為此，鋼錠沖孔時(shí)，應(yīng)把鋼錠冒口端向下。

2空心沖子沖孔這種方法主要用于孔徑大于400mm以上的大鍛件?？招臎_子沖孔二、沖孔工序分類在墊環(huán)上沖孔時(shí)，坯料形狀變化很小，但芯料損失較大，如下圖所示。這種方法只適應(yīng)于高徑比H/D<0.125的薄餅類鍛件。

3墊環(huán)上沖孔

2.2抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的水頭特性對圖2-16中同一橫坐標(biāo)的上水庫放水曲線與下水庫的蓄水曲線取差值，便可制作出圖2-17所示的抽水蓄能電站的水頭特性。

一般而言，庫容越大，水頭變化特性曲線就越平緩，反之亦然。取差值

2.2抽水蓄能電站的原理蓄能水庫的能量特性蓄能水庫的能量特性主要用以描述抽水蓄能電站的發(fā)電量與上水庫蓄能庫容的放水量之間的關(guān)系。抽水蓄能電站的主要任務(wù)是調(diào)峰，因而系統(tǒng)能容納的調(diào)峰容量（功率）N（kW）或調(diào)峰電量（能量）ET（kWh）是決定上、下水庫容積的主要依據(jù)。

在規(guī)劃選點(diǎn)或可行性研究階段，蓄能庫容VS可按下式估算。

h

日發(fā)電小時(shí)數(shù)，單位小時(shí)

K

損失系數(shù)，由水庫表面蒸發(fā)、水庫滲漏和事故庫容等因素所確定，數(shù)值不小于1。

2.2抽水蓄能電站的原理蓄能水庫的能量特性在所能修建的水庫的容積無法達(dá)到調(diào)峰所需蓄能庫容要求時(shí)，只能按照所能建成的最大庫容確定該抽水蓄能電站的調(diào)峰能力。

當(dāng)K=1，ηT=85%時(shí)，上水庫的放水量ΔV與發(fā)電量ET的關(guān)系式為

在一次完整的放水發(fā)電調(diào)峰運(yùn)行過程中，發(fā)電量ET為發(fā)電工況的運(yùn)行效率，單位%。

2.2抽水蓄能電站的原理蓄能水庫的能量特性利用抽水蓄能電站的水頭-能量特性圖，可求出上水庫從某一水位開始放水至另一水位對應(yīng)的發(fā)電量。

在抽水蓄能電站運(yùn)行過程中，可借助蓄能水庫的能量特性圖計(jì)算用去的蓄能量和尚存的蓄能量，或用來預(yù)測發(fā)多少電時(shí)上水庫水位將下降至何處。

2.2抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的綜合效率抽水蓄能電站的綜合效率η（即抽水用電與放水發(fā)電的電量轉(zhuǎn)換效率）是衡量抽水蓄能電站調(diào)峰循環(huán)過程中電量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要指標(biāo)。抽水蓄能電站的綜合效率η為：

發(fā)電工況下的運(yùn)行效率，由輸水系統(tǒng)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和主變壓器的發(fā)電工況運(yùn)行效率組成。抽水工況下的運(yùn)行效率，由輸水系統(tǒng)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和主變壓器的抽水工況運(yùn)行效率組成。

2.2抽水蓄能電站的原理抽水蓄能電站的綜合效率抽水蓄能電站綜合效率主要由變壓器、電動(dòng)機(jī)、水泵、輸水系統(tǒng)等工作部件的運(yùn)行效率共同決定。一般情況下，抽水蓄能電站的容量越大，綜合效率就越高。

對于中小型抽水蓄能電站，其綜合效率一般為0.67~0.70之間；

對于大型抽水蓄能電站，其綜合效率一般都在0.7以上，條件優(yōu)越的大型抽水蓄能電站的綜合效率甚至可以達(dá)到0.78。運(yùn)行工況抽水工況發(fā)電工況電站綜合效率工作部件變壓器電動(dòng)機(jī)水泵輸水系統(tǒng)輸水系統(tǒng)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)變壓器運(yùn)行效率0.9950.9780.9110.9790.9710.9070.9760.9950.742

2.2抽水蓄能電站的原理

解：由公式(2-3)先求抽水蓄能電站的蓄能庫容VS，即由VS結(jié)合公式(2-3)，可反推求出最大調(diào)峰容量N和調(diào)峰電量ET，即

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式抽蓄機(jī)組的工況靜止工況靜止工況指抽水蓄能機(jī)組處于停機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)。此時(shí)，機(jī)組可作靜止備用，以便在電網(wǎng)發(fā)生緊急情況下快速投入使用；可對機(jī)組安排檢查維修，提高運(yùn)行安全性。此外，為了機(jī)組安全性，靜止工況還可以作為發(fā)電工況和抽水工況切換的過渡狀態(tài)。發(fā)電工況及抽水工況

發(fā)電工況指抽水蓄能機(jī)組處于發(fā)電狀態(tài)。當(dāng)電力負(fù)荷出現(xiàn)高峰時(shí)，抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行在發(fā)電工況，向電力系統(tǒng)輸送電能。

抽水工況指抽水蓄能機(jī)組處于抽水狀態(tài)。當(dāng)電力負(fù)荷低谷時(shí)，抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行在抽水工況，消納系統(tǒng)中多余的電能。

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式調(diào)相工況

調(diào)相工況指抽水蓄能機(jī)組處于調(diào)相狀態(tài)，與系統(tǒng)進(jìn)行無功功率的交換，以調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行在發(fā)電和抽水兩種不同的模式可以進(jìn)一步分為發(fā)電調(diào)相工況和抽水調(diào)相工況。

調(diào)相工況下機(jī)組與電網(wǎng)交換的有功功率，機(jī)組輸出的有功功率和電磁功率可近似為0。從而有

電網(wǎng)電壓，保持恒定不變功角，超前的角度功率因數(shù)角，超前的角度定子電流空載電勢，正比于勵(lì)磁電流2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式

機(jī)組調(diào)相運(yùn)行向量圖

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式V形曲線的最低點(diǎn)對應(yīng)狀態(tài)1，此時(shí)定子電流為0，機(jī)組與電網(wǎng)并未交換無功功率。V形曲線的右側(cè)對應(yīng)狀態(tài)2，此時(shí)定子電流滯后電壓90°，機(jī)組向電網(wǎng)輸出感性無功功率V形曲線的左側(cè)對應(yīng)狀態(tài)3，此時(shí)定子電流超前電壓90°，機(jī)組向電網(wǎng)吸收感性無功功率調(diào)相原理可總結(jié)為：增加勵(lì)磁電流機(jī)組輸出的無功功率增加（吸收的無功功率減少）；減小勵(lì)磁電流輸出的無功功率減少（吸收的無功功率增加）。機(jī)組調(diào)相運(yùn)行V形曲線2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式發(fā)電調(diào)相工況與抽水調(diào)相工況的區(qū)別轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向不同：轉(zhuǎn)子在發(fā)電方向下的轉(zhuǎn)向與抽水方向下的相反。保護(hù)配置不同在發(fā)電和抽水兩種不同的工況下，機(jī)組的電壓、電流相序相反，因此一些與相位相序有關(guān)的保護(hù)需要分開配置，如負(fù)序過電流保護(hù)、相序保護(hù)、失磁保護(hù)和失步保護(hù)等。使用頻次不同抽水調(diào)相工況作為機(jī)組抽水工況起動(dòng)的一個(gè)過渡狀態(tài)，十分常見。相較之下，發(fā)電調(diào)相工況僅在電網(wǎng)遭遇緊急情況時(shí)才會(huì)啟用。2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式

解：首先求解電網(wǎng)相電壓，即

可做出相量圖：2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式由圖可得：進(jìn)一步可算出調(diào)整勵(lì)磁前后機(jī)組輸出的無功功率為：故增發(fā)的無功功率為：2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式抽蓄機(jī)組的工況切換工況切換方式

常見的工況切換一般的方式有12種：(1)靜止至發(fā)電;(2)發(fā)電至靜止;(3)靜止至發(fā)電方向調(diào)相；(4)發(fā)電方向調(diào)相至靜止;(5)靜止至抽水;(6)抽水至靜止；(7)靜止至抽水方向調(diào)相;(8)抽水方向調(diào)相至靜止;(9)發(fā)電至發(fā)電方向調(diào)相；(10)發(fā)電方向調(diào)相至發(fā)電;(11)抽水至抽水方向調(diào)相;(12)抽水方向調(diào)相至抽水；

發(fā)電發(fā)電調(diào)相抽水調(diào)相靜止抽水發(fā)電方向抽水方向

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式抽蓄機(jī)組的起動(dòng)對于四機(jī)式和三機(jī)式的抽蓄機(jī)組，其內(nèi)部負(fù)責(zé)抽水和負(fù)責(zé)發(fā)電的結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立，不需要特殊的起動(dòng)方法。

對于二機(jī)式抽蓄機(jī)組，由于其使用同一套設(shè)備來實(shí)現(xiàn)抽水和發(fā)電的功能，起動(dòng)方式十分復(fù)雜。因此下面將以二機(jī)式抽水蓄能機(jī)組為例來介紹抽水蓄能機(jī)組的起動(dòng)方式。起動(dòng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)

起動(dòng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)將專門的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)與抽蓄機(jī)組相連接。起動(dòng)時(shí)通過起動(dòng)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)來牽引抽蓄機(jī)組起動(dòng)。起動(dòng)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的接線簡單，獨(dú)立性高；起動(dòng)電動(dòng)機(jī)不僅可以在起動(dòng)時(shí)提供動(dòng)力矩，還可以在制動(dòng)時(shí)提供阻力矩；起動(dòng)電動(dòng)機(jī)需架設(shè)在抽蓄機(jī)組之上，增加了廠房高度，導(dǎo)致投資增加。

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式異步起動(dòng)

基本方法：在發(fā)電電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組短接后，給定子繞組通電；在定子繞組產(chǎn)生磁場和轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生磁場的相互作用下，轉(zhuǎn)子側(cè)將產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子加速；

當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達(dá)到同步轉(zhuǎn)速時(shí)加上主勵(lì)磁，將電機(jī)拉進(jìn)同步。根據(jù)定子繞組所接電壓大小可分為全壓起動(dòng)，降壓起動(dòng)和部分繞組起動(dòng)，如下圖所示：

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式異步起動(dòng)特點(diǎn)全壓起動(dòng)下定子繞組所接電壓為電網(wǎng)電壓，轉(zhuǎn)子繞組所受異步轉(zhuǎn)矩較大，響應(yīng)快，耗時(shí)少。但在起動(dòng)初期，起動(dòng)電流過大，不利于機(jī)組和電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此，全壓起動(dòng)僅適用于起動(dòng)容量少的機(jī)組，并且要求盡可能減少起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子所受阻力。降壓起動(dòng)下定子繞組所接電壓為降壓后的電網(wǎng)電壓。根據(jù)不同的降壓原理可分為電抗器降壓起動(dòng)，起動(dòng)變壓器降壓起動(dòng)，主變抽頭降壓起動(dòng)等。降壓起動(dòng)起動(dòng)電流小，對機(jī)組和電網(wǎng)正常運(yùn)行的影響較小，但起動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，起動(dòng)過程耗時(shí)長。部分繞組起動(dòng)利用改接定子繞組來降低起動(dòng)電壓，可將其看作一種特殊的降壓起動(dòng)。與降壓起動(dòng)相類似，部分繞組起動(dòng)起動(dòng)電流較小，起動(dòng)時(shí)間延長。

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式同步起動(dòng)同步起動(dòng)利用頻率可變的電流來帶動(dòng)機(jī)組起動(dòng)。根據(jù)可變電流來源不同可分為背靠背同步起動(dòng)和靜止變頻器同步起動(dòng)。

背靠背同步起動(dòng)背靠背同步起動(dòng)的起動(dòng)電流由另一臺(tái)發(fā)電機(jī)提供。起動(dòng)前，發(fā)電機(jī)與待起動(dòng)機(jī)組需處于靜止?fàn)顟B(tài)。起動(dòng)時(shí)，待起動(dòng)機(jī)組在起動(dòng)電流的作用下逐漸增加至額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)符合并網(wǎng)條件時(shí)，將待起動(dòng)機(jī)組并入電網(wǎng)，并切斷發(fā)電機(jī)。背靠背同步起動(dòng)的起動(dòng)電流適用范圍廣，對電網(wǎng)沖擊??；響應(yīng)慢，耗時(shí)較長起動(dòng)設(shè)備簡單，但接線復(fù)雜1-發(fā)電電動(dòng)機(jī)（起動(dòng)用）

2-發(fā)電電動(dòng)機(jī)（被起動(dòng)）3-勵(lì)磁裝置

4-廠用電母線5-水泵水輪機(jī)（被起動(dòng)）6-水泵水輪機(jī)（起動(dòng)用）

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式

靜止變頻器起動(dòng)具有耗時(shí)短、對系統(tǒng)沖擊小、起動(dòng)成功率高等優(yōu)點(diǎn)，是目前抽水蓄能機(jī)組的主流起動(dòng)方式

靜止變頻器起動(dòng)的起動(dòng)電流由電力電子變頻電路提供。起動(dòng)時(shí)先閉合開關(guān)S和斷路器CB2，接通主勵(lì)磁回路，再閉合斷路器CB1，產(chǎn)生頻率逐漸上升的電流。在此電流的作用下機(jī)組不斷加速，符合并網(wǎng)條件后并入電網(wǎng)，并切除變頻裝置靜止變頻器同步起動(dòng)TR-輸出變壓器

REC-整流器

INV-逆變器DCL-直流平波電抗器

ACL-交流電抗器

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式半同步起動(dòng)

半同步起動(dòng)結(jié)合了異步起動(dòng)和同步起動(dòng)的特點(diǎn)。半同步起動(dòng)先起動(dòng)發(fā)電機(jī)，為被起動(dòng)機(jī)組提供電壓。被起動(dòng)機(jī)組在發(fā)電機(jī)提供的電壓下異步起動(dòng)，待被起動(dòng)機(jī)組加速到與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相當(dāng)時(shí)，閉合機(jī)組勵(lì)磁回路，使其以同步起動(dòng)方式加速到額定轉(zhuǎn)速。

半同步起動(dòng)的特點(diǎn)與背靠背起動(dòng)的特點(diǎn)基本相同。但由于異步起動(dòng)過程的存在，發(fā)電機(jī)在起動(dòng)多臺(tái)機(jī)組時(shí)無需回到靜止?fàn)顟B(tài)，因而速動(dòng)性較背靠背同步起動(dòng)好。

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式抽蓄機(jī)組的制動(dòng)抽蓄機(jī)組從其他工況切換至靜止工況時(shí)，由于轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性較大，依靠機(jī)組本來配備的水力制動(dòng)、風(fēng)耗制動(dòng)和軸承制動(dòng)等機(jī)械制動(dòng)方式難以使機(jī)組在短時(shí)間內(nèi)停轉(zhuǎn)，影響了機(jī)組的速動(dòng)性。因而需要引入電氣制動(dòng)。不同制動(dòng)方法制動(dòng)轉(zhuǎn)矩對比結(jié)論：機(jī)械制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速下降而減少，而電氣制動(dòng)則相反。這說明了電氣制動(dòng)在低轉(zhuǎn)速下能發(fā)揮更大的作用，印證了電氣制動(dòng)的有效性。

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式當(dāng)轉(zhuǎn)速過低時(shí)，磁通強(qiáng)度不足，難以在定子側(cè)感應(yīng)出電流，因此電氣制動(dòng)轉(zhuǎn)矩會(huì)急劇下降至零。從而電氣制動(dòng)存在失效點(diǎn)。如右圖，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于S時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速降低，電氣制動(dòng)轉(zhuǎn)矩急劇下降，因此S為對應(yīng)失效點(diǎn)。S的計(jì)算公式如下：由上式可知，不能通過無限制地增加外接電阻來提高制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致電氣制動(dòng)會(huì)在高轉(zhuǎn)速下失效。

電機(jī)縱軸電抗定子內(nèi)阻電氣制動(dòng)的缺陷

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式由于抽蓄機(jī)組作為抽蓄電站的“心臟”，牽一發(fā)而動(dòng)全身，因此有必要對抽蓄機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行評估。機(jī)組的運(yùn)行指標(biāo)分為可用率和起動(dòng)成功率，下面分別對其進(jìn)行介紹。

抽蓄機(jī)組由不同元件組合而成，故機(jī)組可用率可由元件可用率計(jì)算得到。下面先介紹元件可用率計(jì)算方法，再給出機(jī)組可用率計(jì)算公式。元件可用率

（1）故障率和故障密度函數(shù)：抽蓄機(jī)組的運(yùn)行指標(biāo)

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式特別地，當(dāng)故障率為常數(shù)時(shí)，有

（2）修復(fù)率和修復(fù)密度函數(shù)：

類似地，當(dāng)修復(fù)率為常數(shù)時(shí),兩者有如下關(guān)系

經(jīng)推導(dǎo)可得到兩者關(guān)系為元件可用率2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式

（4）平均修復(fù)時(shí)間：

特別地，當(dāng)故障率為常數(shù)時(shí)

平均修復(fù)時(shí)間是元件修復(fù)密度函數(shù)的數(shù)學(xué)期望：類似地，當(dāng)修復(fù)率為常數(shù)時(shí),兩者有如下關(guān)系：

（3）平均無故障工作時(shí)間：平均無故障工作時(shí)間為故障密度函數(shù)的數(shù)學(xué)期望元件可用率2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式

特別地，當(dāng)故障率和修復(fù)率均為常數(shù)時(shí)，有（6）元件可用率計(jì)算公式由數(shù)理統(tǒng)計(jì)相關(guān)知識(shí)可知，元件可用率近似等于平均運(yùn)行時(shí)間內(nèi)平均無故障工作時(shí)間所占比例：平均運(yùn)行時(shí)間是平均故障時(shí)間和平均修復(fù)時(shí)間之和：（5）平均運(yùn)行時(shí)間：元件可用率2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式

串聯(lián)組合方式如圖所示，當(dāng)組成元件中的任意一個(gè)變得不可用時(shí)，機(jī)組也會(huì)變得不可用。此時(shí)組合元件的計(jì)算公式為

并聯(lián)組合方式如圖所示，當(dāng)組成元件中的所有變得不可用時(shí)，機(jī)組才會(huì)變得不可用。此時(shí)組合元件的計(jì)算公式為：元件基本組合方式及其計(jì)算公式

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式起動(dòng)成功率

起動(dòng)成功率為一段時(shí)間內(nèi)（如一月、一年等），機(jī)組起動(dòng)成功次數(shù)與機(jī)組起動(dòng)總次數(shù)的比值，計(jì)算公式如下：

起動(dòng)總次數(shù)發(fā)電方向起動(dòng)失敗次數(shù)抽水方向起動(dòng)失敗次數(shù)起動(dòng)失敗次數(shù)起動(dòng)成功次數(shù)起動(dòng)因素。起動(dòng)過程中靜止變頻器的信號傳輸鏈路受到外界因素干擾導(dǎo)致起動(dòng)失敗。調(diào)相壓水因素。在機(jī)組起動(dòng)初期需要調(diào)相壓水，壓水太過和壓水不足都會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)失敗。設(shè)計(jì)因素。隨著運(yùn)行狀況不斷變化，老式機(jī)組往往不能滿足運(yùn)行條件，導(dǎo)致起動(dòng)失敗。

起動(dòng)成功率影響因素

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式可用率與起動(dòng)成功率的關(guān)系過度追求高可用率必然會(huì)壓縮機(jī)組停運(yùn)檢修時(shí)間，造成導(dǎo)致起動(dòng)成功率降低。因此需要平衡好可用率和起動(dòng)成功率之間的關(guān)系，合理安排檢修時(shí)間。隨著監(jiān)測技術(shù)的不斷進(jìn)步，能夠更有針對性地對機(jī)組進(jìn)行檢修，可以實(shí)現(xiàn)可用率和起動(dòng)成功率的同步提高。工況切換時(shí)間是機(jī)組運(yùn)行的重要指標(biāo)。為了減少對電網(wǎng)的影響，工況切換時(shí)間要控制的盡量短。但過短的切換時(shí)間會(huì)對機(jī)組造成較大的沖擊。工況切換時(shí)間

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式

再由可用率的計(jì)算公式得

2.3抽蓄機(jī)組的運(yùn)行模式注：本題如果積分較難計(jì)算，則可用下述方法計(jì)算運(yùn)行可用率首先由故障密度函數(shù)以及連續(xù)停運(yùn)時(shí)間的分布可知

進(jìn)一步由指數(shù)分布下故障率、修復(fù)率與平均無故障工作時(shí)間、平均修復(fù)時(shí)間的關(guān)系可得

2.4抽水蓄能電站的應(yīng)用案例國內(nèi)典型應(yīng)用案例潘家口混合式抽水蓄能電站在京津唐電網(wǎng)中的應(yīng)用1)電站簡介潘家口混合式抽水蓄能電站位于河北省遷西縣境內(nèi)，電站最大水頭85.7m，最小水頭36.0m。

電站的上水庫是一個(gè)多年調(diào)節(jié)水庫，在蓄水發(fā)電的同時(shí)，還兼顧防