李璟延

（國網(wǎng)新源控股有限公司基建部，北京市 100761)

抽水蓄能電站保安電源配置分析

李璟延

（國網(wǎng)新源控股有限公司基建部，北京市 100761)

抽水蓄能電站能為電網(wǎng)提供優(yōu)質(zhì)的大容量清潔電力儲備，很好地滿足了電網(wǎng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行需求，更是吸納新型綠色能源穩(wěn)定入網(wǎng)的關(guān)鍵保障。為了使抽蓄電站更好地服務(wù)電網(wǎng)，本文介紹了我國在運、在建抽蓄電站典型樞紐結(jié)構(gòu)，重點介紹了抽蓄電站保安電源配置及負荷分配原則，統(tǒng)計分析了現(xiàn)行抽蓄電站事故保安電源配置情況和主要影響因素，明確了保安負荷確定原則以及保安容量的計算方法。研究不僅為從事抽蓄建設(shè)管理的人員提供技術(shù)指導(dǎo)和幫助，也為我國抽蓄電站未來的設(shè)計規(guī)劃提供重要的參考和依據(jù)。

抽水蓄能電站；樞紐結(jié)構(gòu)；廠用電；保安負荷；保安電源

0 引言

作為電力系統(tǒng)的特殊電源，抽水蓄能電站具有調(diào)峰、填谷、事故備用和黑啟動等多種功能，不同運行方式間啟停、轉(zhuǎn)換靈活迅捷，是電力系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、經(jīng)濟運行的重要支撐，也是目前電網(wǎng)最經(jīng)濟的大規(guī)模儲能設(shè)施[1]。隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，用電負荷和峰谷差持續(xù)加大，電力用戶對供電質(zhì)量要求不斷提高；此外隨機性、間歇性綠色新能源大規(guī)模開發(fā)，抽蓄發(fā)展對保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行、緩解電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻矛盾、增加新能源電力消納、促進能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重大意義[2]。

研究表明，抽水蓄能容量在電力系統(tǒng)中所占最佳比例應(yīng)為總裝機容量的5%～10%。而我國抽水蓄能僅占不到2%，未來仍有巨大發(fā)展空間[3]。抽蓄電站面臨歷史上最好的發(fā)展時期，未來具有良好的經(jīng)濟效益和廣闊的發(fā)展空間。當前智能電網(wǎng)建設(shè)飛速發(fā)展，電力儲能技術(shù)要求日益提高，可以說未來智能電網(wǎng)的核心應(yīng)該是電力儲能技術(shù)智能化的發(fā)展，因此抽水蓄能電站建設(shè)顯得日益重要和迫切。

由于抽水蓄能電站在電網(wǎng)中承擔的特殊功能，要求其必須配置事故保安電源，用以應(yīng)對抽蓄電站可能與電力系統(tǒng)和外來電源失去聯(lián)系而無法啟動或可能影響人身、電站、設(shè)備安全的事故應(yīng)急工況。正確選取抽蓄電站保安負荷，合理配置抽蓄電站保安電源關(guān)系到抽蓄電站設(shè)計的科學(xué)性和經(jīng)濟性[4-6]。

1 抽蓄電站的發(fā)展

最早以蓄水為目的的抽蓄電站發(fā)展至今，已有近百年歷史[7]。截至2014年底，我國建成并投運的大中型抽蓄電站三十多座，極大優(yōu)化了能源結(jié)構(gòu)。目前，世界各國政府紛紛降低化石能源比例，努力推進綠色能源開發(fā)和終端用戶電力替代，實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護和諧共處[8]。2014年，電網(wǎng)帶頭落實“一帶一路”戰(zhàn)略，構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng)，極大促進了風(fēng)能、太陽能、潮汐能及生物等可再生清潔能源的開發(fā)與利用。抽蓄電站具有獨特的運行特點和結(jié)構(gòu)形式，立足于常規(guī)水電，運行理念和管理方式又不同于常規(guī)水電。實現(xiàn)了儲能和發(fā)電的自由轉(zhuǎn)換，是目前運行環(huán)境最優(yōu)良的物理儲能方式[9]。

2 抽蓄電站的典型樞紐結(jié)構(gòu)

抽蓄電站樞紐建筑物主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等組成。輸水系統(tǒng)位于上、下水庫間的山體內(nèi)，主要包括：上水庫進出水口、上水庫閘門井、上平洞、引水調(diào)壓室、上斜井、中平洞、下斜井、下平洞、引水鋼管等[9]。

由于兼顧抽水和發(fā)電需要，機組需要有一定的淹沒深度，因而主設(shè)備大都布置在山體內(nèi)。地下廠房洞群主要包括主副廠房、主變洞、尾水閘門洞、母線洞、進場交通洞、通風(fēng)兼安全洞等附屬洞室。主副廠房洞與主變洞、尾水閘門洞依次平行布置。典型抽蓄電站水道系統(tǒng)引水部分為一洞兩機供水方式，尾水部分采用兩機一洞布置。中央集控室布置在地面，機組開停機操作主要在地面控制室內(nèi)進行，設(shè)備巡檢和維修則在地下廠房內(nèi)進行，運維人員配置較分散。某抽蓄電站典型地下引水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 抽蓄電站廠用電系統(tǒng)介紹

抽水蓄能電站為地下廠房，主要電氣設(shè)備布置在地下洞室內(nèi)，廠房內(nèi)的通風(fēng)、供排水、消防、照明等廠用電負荷較常規(guī)水電站大；地面建筑物如上水庫、下水庫、開關(guān)站、中控樓等生產(chǎn)用電均取自廠用電系統(tǒng)。因此抽水蓄能電站要求廠用電有較高的供電可靠性和靈活性，以確保電站安全可靠運行[10]。

廠用電接線取自兩個聯(lián)合單元的發(fā)電電動機機端換相開關(guān)與主變壓器低壓側(cè)之間。當機組發(fā)電時由機端取得電源；當機組停機或作水泵工況運行時，可以從500kV系統(tǒng)倒送廠用電。

為確保廠用電可靠，從地區(qū)電網(wǎng)另引接一回電源進入電站作為備用電源，該備用電源一般是在電站施工期之初完成引接，主要擔負電站施工期用電運行需求。以四段廠用電母線為例，某抽蓄電站廠用電接線如圖2所示。

由圖2可知，電站廠用電電源有四種獲取方式：①從發(fā)電電動機出口引接一臺廠用變壓器；②500kV系統(tǒng)倒送電；③從地區(qū)電網(wǎng)引接一回廠用備用電源；④事故保安電源。各段母線之間設(shè)置母聯(lián)開關(guān)，各段母線負荷平均分配，保證抽蓄電站各用電負荷供電電源安全可靠。

圖1 抽蓄電站典型地下引水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 某抽蓄電站廠用電接線圖

4 抽蓄電站事故保安電源配置

4.1 事故保安電源配置原則

除了從發(fā)電電動機出口引接一臺廠用變壓器，以及500kV系統(tǒng)倒送廠用電兩路電源外，抽水蓄能電站在施工期會從地區(qū)電網(wǎng)引接一至兩回電源作為施工供電電源，施工期結(jié)束后自行轉(zhuǎn)為電站運行備用電源，但因為該電源為地區(qū)電源，可靠性難以保證。抽水蓄能電站是地下廠房，作為電網(wǎng)的重要緊急事故備用電源，必須保證在緊急情況下電站地下廠房、大壩的安全和系統(tǒng)的緊急事故備用，故需要設(shè)置事故保安電源[11]。

相關(guān)標準規(guī)定，對于擔任系統(tǒng)峰荷、經(jīng)常全廠停機的特別重要的大型水電廠或抽水蓄能電廠，如有可能與系統(tǒng)失去聯(lián)系，又無其他可靠的廠用電外來電源，致使機組無法啟動，影響大壩度汛安全或廠房可能被淹沒及人身或設(shè)備安全時，經(jīng)濟技術(shù)比較后，可設(shè)置應(yīng)急電源[11]。應(yīng)急電源，也稱事故保安電源，主要用于滿足保安負荷要求。

事故保安電源設(shè)置應(yīng)遵循以下原則[12]設(shè)置：抽水蓄能電站設(shè)置保安電源，容量配置及電能質(zhì)量應(yīng)滿足保安負荷要求。當抽水蓄能機組承擔黑啟動功能時，保安電源宜兼作黑啟動電源，其容量應(yīng)保證黑啟動機組安全啟動必要的附屬和輔助設(shè)備電源負荷需求。保安電源與廠用電工作電源應(yīng)獨立，且應(yīng)有防止兩種電源并列運行的措施。需要時，保安電源應(yīng)能自動啟動投入運行。當供電距離較遠時，可將保安電源布置在壩區(qū)附近。保安電源應(yīng)包括廠房保安電源、黑啟動機組及其他。蓄能電站宜設(shè)置專用的保安電源母線。當保安電源與電站廠用電備用電源共用一段母線時，應(yīng)設(shè)置閉鎖裝置。此外保安負荷應(yīng)由兩回獨立電源供電，分別取自廠用電電源和保安電源。

4.2 事故保安電源裝置選取原則

近年來由于柴油發(fā)電機性價比的日益提高，已經(jīng)成為抽蓄電站常用的事故保安電源選擇之一，尤其是北方抽蓄電站，常常采用柴油發(fā)電機作為事故保安電源。南方因為河流雨水充沛，常選用小水電作為事故保安電源。此外也可采用逆變直流電源作為保安電源。統(tǒng)計分析了全國29個抽水蓄能電站的事故保安電源選取類別，如圖3所示。其中，采用小水電的占6%，采用直流蓄電池的占6%，絕大多數(shù)抽蓄電站采用柴油發(fā)電機，約占88%。

圖3 抽蓄電站事故保安電源選取統(tǒng)計

柴油發(fā)電機組作為保安電源時，應(yīng)具備快速啟動功能，當廠用電系統(tǒng)電源恢復(fù)正常后，應(yīng)能自動切換和自動延時停機。由于柴油發(fā)電機一般布置在靠近負荷端，且10kV額定電壓柴油發(fā)電機價格較高，故宜優(yōu)選額定電壓0.4kV，中性點直接接地的柴油發(fā)電機組做事故保安電源。由于柴油發(fā)電機需要定期維護檢修，故不宜布置在地下廠房。

當電站專設(shè)小水電機組作為保安電源時，為保證保安電源的可靠性，宜配置兩臺小水電機組，且單臺機組的容量應(yīng)能滿足電站保安負荷所需。此外，為滿足黑啟動功能，小水電機組應(yīng)具備孤網(wǎng)運行能力。因為小水電多在水庫附近，遠離中控室，故小水電機組應(yīng)具備遠方啟停功能，當廠用電電源恢復(fù)正常后，應(yīng)能自動切換和自動停機。

4.3 事故保安負荷確定原則

事故保安電源負荷主要包括：廠房保安負荷、黑啟動機組所需負荷以及上下水庫大壩泄洪設(shè)施用電負荷三部分[13]。其中廠房保安負荷主要包括：滲漏排水用負荷；電站消防水泵、消防排煙風(fēng)機、消防電梯等消防用設(shè)施用電負荷；以及應(yīng)急照明、疏散指示等負荷。黑啟動機組所需負荷主要包括：機組啟停和正常運行時所需要用電負荷；主變壓器空載冷卻系統(tǒng)等電氣設(shè)備所需用電負荷。

當抽水蓄能機組承擔黑啟動功能時，事故保安負荷應(yīng)當包括機組黑啟動機組所必須的附屬和輔助設(shè)備負荷要求，保安電源負荷應(yīng)當能涵蓋廠房保安負荷和黑啟動機組所需的負荷。

此外，如果上、下水庫大壩承擔泄洪任務(wù)時，由于與地下廠房距離相隔較遠，需要單獨加裝保安電源以滿足泄洪設(shè)施用電負荷需求。統(tǒng)計分析了29個抽蓄電站，其中擔負泄洪功能的有11個，約占38%。為滿足泄洪功能需求，抽蓄電站根據(jù)泄洪用電負荷，均單獨在大壩附近加裝了保安電源。

4.4 事故保安電源容量確定原則

事故保安電源容量一般應(yīng)同時滿足幾種負荷的需要。根據(jù)保安負荷特征，確定保安電源容量。如抽蓄電站具有黑啟動功能，保安電源容量按電站事故時可能的最大運行方式，最低的黑啟動負荷容量加上廠房保安電源容量等綜合計算比較確定。

廠房保安電源容量應(yīng)滿足相應(yīng)保安負荷用電的需要，主要包括電站全部工作滲漏排水泵運行容量。如當滲漏排水泵所需的保安電源容量過大時，可與其他保安電源分開單獨設(shè)置。調(diào)研統(tǒng)計分析了29個抽蓄電站，在保安電源容量選取中，滲漏排水泵的運行容量對保安電源容量的確定起了關(guān)鍵決定作用。7個具有自流排水洞的抽蓄電站，其地下廠房所需的保安電源容量大大減小，可見滲漏排水是影響抽蓄電站保安電源容量非常重要的因素。滲漏排水泵與柴油發(fā)電機的容量比統(tǒng)計如圖4所示。

由圖4可知，18個需要安裝滲漏排水泵的抽蓄電站，滲漏排水泵容量占事故保安電源容量60%以上的有12個，也即12個電站事故保安電源60%以上的容量分給了滲漏排水泵使用。故滲漏排水泵是事故保安電源的重要負荷，抽蓄電站地下廠房的特點決定了滲漏排水防范是廠房安保的第一要務(wù)。

此外廠房保安電源還需滿足消防系統(tǒng)用電負荷，包括消防水泵、事故排煙風(fēng)機、消防電梯等的最低需要。滿足無交、直流逆變電源的應(yīng)急照明需要。滿足最大單臺電動機或成組電動機的啟動容量，并進行校驗。滿足啟動最大單臺電動機時母線允許電壓降校驗電源容量。當最大電動機啟動時，廠用電母線上的電壓水平不應(yīng)低于額定電壓的80%。

黑啟動機組負荷容量應(yīng)滿足一臺機組黑啟動、運行時所需的最低用電負荷。當兼作黑啟動電源時，其容量按廠房保安負荷、黑啟動負荷兩者的最大值確定。

其他事故保安電源容量應(yīng)滿足上、下水庫大壩防汛設(shè)施等所需的用電負荷要求。

4.5 事故保安電源容量計算

保安電源容量計算需要考慮穩(wěn)定負荷容量，以及保安電源啟動負荷包含最大單臺容量電動機或成組電動機時的負荷計算，最后選取兩種計算的最大值[10]。

（1）保安電源的穩(wěn)定負荷計算，可采用式(1)計算。

式中：SJS1——計算負荷，kVA；

ηΣ——計算負荷的效率，一般取0.82～0.88；

cos?——計算負荷的功率因數(shù)，可取0.80。

（2）保安電源啟動負荷包含最大單臺容量電動機或成組電動機時，保安電源計算負荷，可采用式（2）計算。

式中：SJS2—— 當負荷包含最大單臺容量電動機或成組電動機時，保安電源計算負荷，kVA；

Pm—— 啟動最大容量電動機或成組電動機的容量，kW；

cosφm——電動機的啟動功率因數(shù)，一般取0.4；

ηd·cosφd—— 電動機的效率和額定功率因素乘積，簡化計算時取0.80；

cosφG—— 當保安電源為柴油發(fā)電機時的功率因素，可取0.80；

Kdq——電動機的啟動倍數(shù)；

C—— 按電動機啟動方式確定的系數(shù)；全壓啟動C=l.0，—△啟動C=0.67；

PΣ、ηΣ——含義同式(1)說明。

（3）保安電源輸出容量最大計算負荷，可采用式（3）確定。

式中：SB1——保安電源的額定容量，kVA。

5 結(jié)論

抽蓄儲能產(chǎn)業(yè)在我國起步較晚，近幾年才開始大力發(fā)展。因為抽蓄本身優(yōu)良的儲能特性，對電網(wǎng)穩(wěn)定運行起到了至關(guān)重要的作用。隨著風(fēng)能、太陽能以及潮汐等新能源的開發(fā)和利用，反過來也催生了儲能技術(shù)，尤其是抽蓄儲能產(chǎn)業(yè)的進一步的發(fā)展和完善。目前，抽水蓄能領(lǐng)域有許多問題等待探索和規(guī)范。為了對以后抽水蓄能電站的建設(shè)和運行提供指導(dǎo)和幫助，本文介紹了抽蓄電站的現(xiàn)狀和運行特點，抽蓄電站典型樞紐結(jié)構(gòu)，以及電站廠用電系統(tǒng)，重點研究探討了蓄能電站事故保安電源的配置，統(tǒng)計分析了現(xiàn)行抽蓄電站事故保安電源的配置情況和主要影響因素。

[1]李浩良，孫華平. 抽水蓄能電站運行與管理 [M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2014.

[2]劉振亞. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)[M]. 北京：中國電力出版社，2015.

[3]國家發(fā)展改革委關(guān)于促進抽水蓄能電站健康有序發(fā)展有關(guān)問題的意見(發(fā)改能源[2014]2482) [Z]. 2014.

[4]邱彬如，劉連希. 抽水蓄能電站工程技術(shù)[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[5]黃悅照. 抽水蓄能電站建設(shè)與運行案例分析[M]. 北京：中國電力出版社，2008.

[6]何永泉，林肖男. 已投運大型抽水蓄能電站運行情況概述//抽水蓄能電站運行技術(shù)文集[M]. 鄭州：黃河水利出版社， 2006： 3-9.

[7]晏志勇，翟國壽. 我國抽水蓄能電站建設(shè)前景展望//抽水蓄能電站工程建設(shè)文集 [M]. 北京：中國電力出版社，2006： 15-19.

[8]馬明剛. 抽水蓄能電站運行管理模式淺析//抽水蓄能電站運行技術(shù)文集 [M].鄭州： 黃河水利出版社， 2006： 10-16.

[9]劉振亞. 國家電網(wǎng)公司抽水蓄能電站工程通用設(shè)計——地下廠房分冊 [M].北京： 中國電力出版社， 2013.

[10]NB/T 35044—2014 水力發(fā)電廠廠用電設(shè)計規(guī)程 [S]. 北京：新華出版社，2015.

[11]DL/T 5208—2005 抽水蓄能電站設(shè)計導(dǎo)則 [S]. 北京：中國電力出版社，2005.

[12]DL/T 5186—2004 水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范 [S]. 北京：中國電力出版社，2004.

[13]中國水電顧問集團北京勘測設(shè)計研究院. 河北豐寧抽水蓄能電站設(shè)計報告 [R]. 2010.

李璟延（1977—），女，博士，高級工程師，主要從事抽水蓄能電站電氣技術(shù)研究及管理工作。

The Design and Analysis on the Emergency Power Supply Configuration of Pumped Storage Power Plant

LI Jingyan
(State Grid Xinyuan Company LTD, Infrastructure Department,Beijing 100761, China)

Pumped storage power plant can provide high-quality and large-capacity clean power for the current power grid. It is good to meet the needs of grid security and stability. Besides,it is the stable storage guarantee for the new green energy accessed to the grid. To make the pumped storage power plants to better serve the grid, the paper elaborated on the development and the operating characteristics of the pumped storage power plants under construction and operation. It was described that the typical hub structure of pumped storage power plant, and the power and load distribution principle of their auxiliary power system. The research focused on the principles and requirements of emergency power supply, and determined the principles and calculation methods of the security load capacity. At last, the ideas had been put forward the future settings of the emergency power supply of pumped storage power plant. The study not only provides technical the guidance and assistance for the construction managers, but also provide the important reference and basis for our future pumped storage power plant design and planning.

pumped storage power plant; Hub structure; auxiliary power; security load; emergency power supply