楊敏之 陳鶴虎 朱冬 孟繁聰 周怡伶

摘要：抽水蓄能電站機組背靠背啟動是保證電站機組可靠運行的重要手段。因其涉及兩臺機組多個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，十分復雜，導致部分電站機組啟動成功率不高。本文結(jié)合國網(wǎng)新源公司部分抽蓄電站機組背靠背啟動失敗的案例，分析了其失敗的主要原因，并提出了相應的改進措施，為機組背靠背啟動的進一步深入研究提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站 ?背靠背啟動 勵磁電流 調(diào)速器

中圖分類號： TM62文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2021）09（C）-0000-00

Analysis and Research on Back-to-Back Startup Failure of Pumped Storage Power Station Unit

CHEN Hehu1 ?ZHU Dong2 ?MENG Fancong1 ZHOU Yiling1

（1. East China Yixing Pumped Storage Co.， Ltd.，Yixing，Jiangsu Province，214200 China;2.Shanghai Minghua Power Technology Co.， Ltd.，Shanghai，200090 China）

Abstract： Back to back startup of pumped storage power station units is an important means to ensure the reliable operation of power station units. Because it involves the coordination and cooperation of multiple systems of two units， it is very complex， resulting in the low start-up success rate of some power station units. Combined with the cases of back-to-back startup failure of some pumping and storage power plants in State Grid Xinyuan company， this paper analyzes the main causes of the failure， and puts forward the corresponding improvement measures， which provides a useful reference for the further research of back-to-back startup of units.

Key Words： Pumped storage power station; Back to back start; Excitation current; Governor

近年來，隨著風光等不穩(wěn)定電源并網(wǎng)容量的增加以及西電東送帶來的大規(guī)模直流特高壓電源接入東部電網(wǎng)，抽水蓄能電站在電網(wǎng)削峰填谷的調(diào)節(jié)作用越來越突出[1]。抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的安全、穩(wěn)定運行直接影響著電網(wǎng)的可靠性。而對于抽水蓄能機組而言，運行過程中最薄弱的環(huán)節(jié)是包括啟停機在內(nèi)的各種工況間互相轉(zhuǎn)換的暫態(tài)過程，其中又以抽水啟動流程最為繁瑣復雜，涉及機組從停機穩(wěn)態(tài)到抽水調(diào)相，再從抽水調(diào)相到抽水兩個轉(zhuǎn)換過程的成功實現(xiàn)。啟動過程中需要機組在壓水期間，定轉(zhuǎn)子之間的電磁力足夠克服機組靜態(tài)慣性以及各部瓦對主軸的機械阻力才可實現(xiàn)機組水泵方向的旋轉(zhuǎn)。因此在抽水蓄能機組眾多的工況轉(zhuǎn)換流程中，由停機穩(wěn)態(tài)至抽水調(diào)相的轉(zhuǎn)換過程往往最為關(guān)鍵，同時也是相對而言轉(zhuǎn)換失敗率最高的。而背靠背啟動是機組水泵工況啟動的主要方式之一，因此，研究背靠背啟動方式的過程，分析背靠背啟動失敗的原因，對于提高機組啟動成功率和機組運行的可靠性意義重大。

1 ?背靠背啟動失敗原因分析

目前，國內(nèi)多家已正常投運的抽蓄電站均發(fā)生過背靠背啟動失敗的經(jīng)驗案例。部分大學、設備廠家和科研機構(gòu)亦對抽水蓄能電站背靠背啟動過程進行了以下分析研究[2-4]：根據(jù)同步電機的狀態(tài)方程，建立了抽水蓄能機組背靠背啟動的數(shù)學模型;研究了抽水蓄能機組背靠背啟動的機電變化規(guī)律，通過仿真分析得出了啟動過程的相關(guān)物理規(guī)律，最終提出了一些新型的背靠背啟動控制策略;從工程實際出發(fā)，考慮水輪機輸入轉(zhuǎn)矩、水泵阻轉(zhuǎn)矩及線路、變壓器等參數(shù)的影響，進行了起動過程的計算機仿真分析;通過建立仿真數(shù)學模型深入分析了背靠背起動過程中阻尼繞組的影響;該文通過對大量案例和相關(guān)文獻資料的搜集和整理，發(fā)現(xiàn)抽水蓄能機組水泵工況下，采用背靠背啟動方式的成功率，與勵磁電流設置、調(diào)速器控制規(guī)律和保護系統(tǒng)參數(shù)設置有直接關(guān)系。

1.1勵磁電流的影響

當采用背靠背啟動方式，兩臺機組勵磁給定為手動方式，其值為一固定的預置值。這一勵磁電流預置值直接決定了電磁力矩的大小，影響著機組啟動成功與否，因此機組勵磁電流大小的選定十分關(guān)鍵。在實際啟動過程中，常因勵磁電流過小，發(fā)電機在低速運行時未能產(chǎn)生較高的電壓，進而電動機未能產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩，無法使電動機順利啟動。

1.2調(diào)速器控制規(guī)律的影響

抽蓄機組背靠背啟動過程中，拖動機的開啟速度與拖動成功與否直接相關(guān)，當拖動機導葉開啟速度較慢時，拖動機和被拖動機的速度亦較慢上升，可避免發(fā)生失步，但是如果開啟速度過慢將導致兩機長時間處于低速蠕動狀態(tài)，使得機組推力導軸承因轉(zhuǎn)速過慢無法形成油膜，進而發(fā)生燒瓦事件;而當機組導葉開啟速度過快時，機組將在較大動力矩驅(qū)使下轉(zhuǎn)速快速上升，但可能造成拖動機與被拖動機的轉(zhuǎn)速有較大的差值，造成失步，也會引起阻尼繞組電流過大發(fā)熱。因此，不合理的調(diào)速器控制規(guī)律是機組背靠背啟動失敗的重要原因之一。

1.3保護系統(tǒng)參數(shù)設置的影響

每一個工況轉(zhuǎn)換都是通過由若干步驟完成， 而每一步都設置了許可的時間。在自動模式下， 在所設置的許可時間內(nèi)應完成每一步定義對轉(zhuǎn)換設備的操作，同時接收到相應的反饋狀態(tài)信號;不然， 意味著機組工況轉(zhuǎn)換失敗， 將啟動停機程序;如果停機過程中轉(zhuǎn)換時間過長， 則啟動跳機程序。機組背靠背啟動時，拖動過程一直受保護系統(tǒng)所跟蹤保護。然而保護系統(tǒng)會因為機組轉(zhuǎn)速小于某一額定轉(zhuǎn)速、拖動機組和被拖動機組轉(zhuǎn)速差大于某一額定值且持續(xù)一定時間時，保護系統(tǒng)啟動但保護過早或過小動作而導致機組誤跳機的情況發(fā)生，使得機組無法正常完成啟動。

1.4其他系統(tǒng)的影響

從部分實際電站機組背靠背啟動失敗案例中，亦可發(fā)現(xiàn)調(diào)相壓氣系統(tǒng)和導葉漏水量問題與機組背靠背啟動有著直接的關(guān)系。當調(diào)相壓氣時間過長時，引起流程超時發(fā)生跳機現(xiàn)象，或者壓氣排水因故障使得排水不徹底，被拖動機組因被拖動阻尼過大，無法正常啟動;當機組運行過程中出現(xiàn)導葉漏水量過大問題時，會使得兩臺機組在背靠背啟動過程中出現(xiàn)轉(zhuǎn)差過大引發(fā)跳閘而造成啟動失敗;當高壓油頂起系統(tǒng)出現(xiàn)頂轉(zhuǎn)子不到位情形時，因機械摩擦阻力過大可導致不能機組啟動。

2 ?背靠背啟動過程改進措施

針對以上影響背靠背啟動成敗的幾個關(guān)鍵方面，提出以下具體的改進措施。

2.1 ?增大勵磁電流設定值

背靠背啟動時勵磁系統(tǒng)采用恒勵磁電流調(diào)節(jié)方式，因此勵磁電流設定值直接影響拖動機組和被拖動機組在背靠背啟動時的成功率。而勵磁電流過小的話會使得被拖動機組因啟動轉(zhuǎn)矩太小，造成被拖動機組啟動后轉(zhuǎn)速較慢或反轉(zhuǎn)，甚至出現(xiàn)兩臺機轉(zhuǎn)速差超過允許的額定轉(zhuǎn)速偏差值，系統(tǒng)保護裝置啟動使得機組跳機。因此，可以調(diào)整機組背靠背啟動時勵磁系統(tǒng)的勵磁電流設定值，且滿足兩側(cè)勵磁電流差值不大于3%。

2.2 優(yōu)化拖動機組調(diào)速器背靠背工況控制算法

拖動機組導葉初始開度設置直接影響機組背靠背啟動，當其設置過小時會因輸入力矩較小使得兩臺機組均無法啟動，而當其設置過大時會因拖動機組轉(zhuǎn)速上升較快而被拖動機組無法跟上使得機組之間轉(zhuǎn)速差過大。因此，合理設置導葉開度非常重要?？梢罁?jù)現(xiàn)場試驗情況，將導葉開度初始值選取為略大于兩臺機啟動的開度值，這樣可使兩臺機正常啟動，并在進入同步狀態(tài)前保持較小轉(zhuǎn)速差。兩機啟動后，目前的調(diào)速器控制算法是使拖動機組直接進入導葉開度加速開啟階段，這樣就可能發(fā)生兩臺機無法同步現(xiàn)象。為了保證兩臺機組能夠穩(wěn)定同步，可以通過調(diào)速器設置，插入一級調(diào)整過程，將目標轉(zhuǎn)速設置為某一中間值，導葉開度也設置為某一定值，當轉(zhuǎn)速相對緩慢上升至目標轉(zhuǎn)速后再使導葉以一定速度開啟加速階段[5]。

2.3 ?改設保護裝置相關(guān)參數(shù)設定值

在機組背靠背啟動開始階段，當兩臺機組轉(zhuǎn)角差靠近目標轉(zhuǎn)角差時，兩機將進入同步加速階段，然而兩機因機械時間常數(shù)與電氣時間常數(shù)的不同，使得在此階段兩機轉(zhuǎn)速之間必然發(fā)生轉(zhuǎn)速差。而電站的保護裝置如果設有低頻過流保護，就能有效地避免背靠背啟動過程中發(fā)生轉(zhuǎn)速差過大的情況。因此，可以機組背靠背啟動開始階段，對啟動流程進行優(yōu)化：（1）增大轉(zhuǎn)速差設定值;（2）延長超過轉(zhuǎn)速差設定值允許持續(xù)時間。

2.4 ?優(yōu)化拖動流程的先后順序及時間進程

對于監(jiān)控系統(tǒng)而言，整個背靠背啟動的順序控制，步序進程均是依靠監(jiān)控系統(tǒng)逐步實現(xiàn)的。期間包括分合兩臺機組的拖動/被拖動刀閘、啟動母線刀閘、GCB開關(guān);兩臺機組建立電氣連接后，對保護、勵磁、調(diào)速器系統(tǒng)的模式指令及投入順序的下發(fā);拖動機組球閥、導葉的開啟，勵磁的投入，被拖動機組同期裝置的投入;以及最后被拖動機組同期合閘后，拖動機組的停機，被拖動機組的抽水調(diào)相穩(wěn)定運行，等等。因此，通過優(yōu)化整個拖動流程的先后順序及時間進程，亦可以提高背靠背啟動的成功率[6]。

3 ?結(jié)語

背靠背啟動作為抽蓄機組水泵方向異步啟動的一種輔助備用方式，在功能及實際應用中均是不可缺少的。由于背靠背啟動涉及兩臺機組包括勵磁、調(diào)速器、保護、監(jiān)控等多個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，加之不同電站、不同類型的機組其各系統(tǒng)參數(shù)設置不盡相同，因此啟動失敗的原因極其復雜，對其研究亦存在一定難度，該文僅針對現(xiàn)有部分電站啟動失敗案例進行了分析，未來對背靠背啟動流程的設置及相關(guān)系統(tǒng)各參數(shù)的優(yōu)化設置還有待進一步深入研究。

參考文獻

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