抽水蓄能電站機(jī)組背靠背啟動(dòng)失敗的分析和研究

楊敏之 陳鶴虎 朱冬 孟繁聰 周怡伶

摘要：抽水蓄能電站機(jī)組背靠背啟動(dòng)是保證電站機(jī)組可靠運(yùn)行的重要手段。因其涉及兩臺(tái)機(jī)組多個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，十分復(fù)雜，導(dǎo)致部分電站機(jī)組啟動(dòng)成功率不高。本文結(jié)合國網(wǎng)新源公司部分抽蓄電站機(jī)組背靠背啟動(dòng)失敗的案例，分析了其失敗的主要原因，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，為機(jī)組背靠背啟動(dòng)的進(jìn)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(dòng) 勵(lì)磁電流 調(diào)速器

中圖分類號(hào)： TM62文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：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(fēng)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(yùn)行直接影響著電網(wǎng)的可靠性。而對于抽水蓄能機(jī)組而言，運(yùn)行過程中最薄弱的環(huán)節(jié)是包括啟停機(jī)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(dòng)流程最為繁瑣復(fù)雜，涉及機(jī)組從停機(jī)穩(wěn)態(tài)到抽水調(diào)相，再從抽水調(diào)相到抽水兩個(gè)轉(zhuǎn)換過程的成功實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)過程中需要機(jī)組在壓水期間，定轉(zhuǎn)子之間的電磁力足夠克服機(jī)組靜態(tài)慣性以及各部瓦對主軸的機(jī)械阻力才可實(shí)現(xiàn)機(jī)組水泵方向的旋轉(zhuǎn)。因此在抽水蓄能機(jī)組眾多的工況轉(zhuǎn)換流程中，由停機(jī)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(shí)也是相對而言轉(zhuǎn)換失敗率最高的。而背靠背啟動(dòng)是機(jī)組水泵工況啟動(dòng)的主要方式之一，因此，研究背靠背啟動(dòng)方式的過程，分析背靠背啟動(dòng)失敗的原因，對于提高機(jī)組啟動(dòng)成功率和機(jī)組運(yùn)行的可靠性意義重大。

1 ?背靠背啟動(dòng)失敗原因分析

目前，國內(nèi)多家已正常投運(yùn)的抽蓄電站均發(fā)生過背靠背啟動(dòng)失敗的經(jīng)驗(yàn)案例。部分大學(xué)、設(shè)備廠家和科研機(jī)構(gòu)亦對抽水蓄能電站背靠背啟動(dòng)過程進(jìn)行了以下分析研究[2-4]：根據(jù)同步電機(jī)的狀態(tài)方程，建立了抽水蓄能機(jī)組背靠背啟動(dòng)的數(shù)學(xué)模型;研究了抽水蓄能機(jī)組背靠背啟動(dòng)的機(jī)電變化規(guī)律，通過仿真分析得出了啟動(dòng)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(dòng)控制策略;從工程實(shí)際出發(fā)，考慮水輪機(jī)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(jìn)行了起動(dòng)過程的計(jì)算機(jī)仿真分析;通過建立仿真數(shù)學(xué)模型深入分析了背靠背起動(dòng)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(xiàn)資料的搜集和整理，發(fā)現(xiàn)抽水蓄能機(jī)組水泵工況下，采用背靠背啟動(dòng)方式的成功率，與勵(lì)磁電流設(shè)置、調(diào)速器控制規(guī)律和保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置有直接關(guān)系。

1.1勵(lì)磁電流的影響

當(dāng)采用背靠背啟動(dòng)方式，兩臺(tái)機(jī)組勵(lì)磁給定為手動(dòng)方式，其值為一固定的預(yù)置值。這一勵(lì)磁電流預(yù)置值直接決定了電磁力矩的大小，影響著機(jī)組啟動(dòng)成功與否，因此機(jī)組勵(lì)磁電流大小的選定十分關(guān)鍵。在實(shí)際啟動(dòng)過程中，常因勵(lì)磁電流過小，發(fā)電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)未能產(chǎn)生較高的電壓，進(jìn)而電動(dòng)機(jī)未能產(chǎn)生足夠的電磁轉(zhuǎn)矩，無法使電動(dòng)機(jī)順利啟動(dòng)。

1.2調(diào)速器控制規(guī)律的影響

抽蓄機(jī)組背靠背啟動(dòng)過程中，拖動(dòng)機(jī)的開啟速度與拖動(dòng)成功與否直接相關(guān)，當(dāng)拖動(dòng)機(jī)導(dǎo)葉開啟速度較慢時(shí)，拖動(dòng)機(jī)和被拖動(dòng)機(jī)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(dǎo)致兩機(jī)長時(shí)間處于低速蠕動(dòng)狀態(tài)，使得機(jī)組推力導(dǎo)軸承因轉(zhuǎn)速過慢無法形成油膜，進(jìn)而發(fā)生燒瓦事件;而當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉開啟速度過快時(shí)，機(jī)組將在較大動(dòng)力矩驅(qū)使下轉(zhuǎn)速快速上升，但可能造成拖動(dòng)機(jī)與被拖動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有較大的差值，造成失步，也會(huì)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(jī)組背靠背啟動(dòng)失敗的重要原因之一。

1.3保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的影響

每一個(gè)工況轉(zhuǎn)換都是通過由若干步驟完成， 而每一步都設(shè)置了許可的時(shí)間。在自動(dòng)模式下， 在所設(shè)置的許可時(shí)間內(nèi)應(yīng)完成每一步定義對轉(zhuǎn)換設(shè)備的操作，同時(shí)接收到相應(yīng)的反饋狀態(tài)信號(hào);不然， 意味著機(jī)組工況轉(zhuǎn)換失敗， 將啟動(dòng)停機(jī)程序;如果停機(jī)過程中轉(zhuǎn)換時(shí)間過長， 則啟動(dòng)跳機(jī)程序。機(jī)組背靠背啟動(dòng)時(shí)，拖動(dòng)過程一直受保護(hù)系統(tǒng)所跟蹤保護(hù)。然而保護(hù)系統(tǒng)會(huì)因?yàn)闄C(jī)組轉(zhuǎn)速小于某一額定轉(zhuǎn)速、拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)速差大于某一額定值且持續(xù)一定時(shí)間時(shí)，保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)但保護(hù)過早或過小動(dòng)作而導(dǎo)致機(jī)組誤跳機(jī)的情況發(fā)生，使得機(jī)組無法正常完成啟動(dòng)。

1.4其他系統(tǒng)的影響

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

2 ?背靠背啟動(dòng)過程改進(jìn)措施

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

2.1 ?增大勵(lì)磁電流設(shè)定值

背靠背啟動(dòng)時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)采用恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)方式，因此勵(lì)磁電流設(shè)定值直接影響拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組在背靠背啟動(dòng)時(shí)的成功率。而勵(lì)磁電流過小的話會(huì)使得被拖動(dòng)機(jī)組因啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩太小，造成被拖動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速較慢或反轉(zhuǎn)，甚至出現(xiàn)兩臺(tái)機(jī)轉(zhuǎn)速差超過允許的額定轉(zhuǎn)速偏差值，系統(tǒng)保護(hù)裝置啟動(dòng)使得機(jī)組跳機(jī)。因此，可以調(diào)整機(jī)組背靠背啟動(dòng)時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電流設(shè)定值，且滿足兩側(cè)勵(lì)磁電流差值不大于3%。

2.2 優(yōu)化拖動(dòng)機(jī)組調(diào)速器背靠背工況控制算法

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

2.3 ?改設(shè)保護(hù)裝置相關(guān)參數(shù)設(shè)定值

在機(jī)組背靠背啟動(dòng)開始階段，當(dāng)兩臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)角差靠近目標(biāo)轉(zhuǎn)角差時(shí)，兩機(jī)將進(jìn)入同步加速階段，然而兩機(jī)因機(jī)械時(shí)間常數(shù)與電氣時(shí)間常數(shù)的不同，使得在此階段兩機(jī)轉(zhuǎn)速之間必然發(fā)生轉(zhuǎn)速差。而電站的保護(hù)裝置如果設(shè)有低頻過流保護(hù)，就能有效地避免背靠背啟動(dòng)過程中發(fā)生轉(zhuǎn)速差過大的情況。因此，可以機(jī)組背靠背啟動(dòng)開始階段，對啟動(dòng)流程進(jìn)行優(yōu)化：（1）增大轉(zhuǎn)速差設(shè)定值;（2）延長超過轉(zhuǎn)速差設(shè)定值允許持續(xù)時(shí)間。

2.4 ?優(yōu)化拖動(dòng)流程的先后順序及時(shí)間進(jìn)程

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

3 ?結(jié)語

背靠背啟動(dòng)作為抽蓄機(jī)組水泵方向異步啟動(dòng)的一種輔助備用方式，在功能及實(shí)際應(yīng)用中均是不可缺少的。由于背靠背啟動(dòng)涉及兩臺(tái)機(jī)組包括勵(lì)磁、調(diào)速器、保護(hù)、監(jiān)控等多個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，加之不同電站、不同類型的機(jī)組其各系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不盡相同，因此啟動(dòng)失敗的原因極其復(fù)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(dòng)失敗案例進(jìn)行了分析，未來對背靠背啟動(dòng)流程的設(shè)置及相關(guān)系統(tǒng)各參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置還有待進(jìn)一步深入研究。

參考文獻(xiàn)

[1]崔楊，程廣巖，仲悟之，等.計(jì)及受端電網(wǎng)調(diào)峰趨勢的風(fēng)-光-火特高壓直流外送調(diào)度方法[J].太陽能學(xué)報(bào)，2021，42（8）：32-40.

[2]陶亮，孫建軍，查曉明，等.基于虛擬同步發(fā)電機(jī)技術(shù)的改進(jìn)型背靠背起動(dòng)方法[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2020，35（S2）：413-420.

[3]泰榮，蘇春循，夏自平，等.抽蓄機(jī)組“背靠背”起動(dòng)過程電氣暫態(tài)特性研究[J].人民長江，2021，52（6）：172-178.

[4]王宗收，吳妍，任帥，等.抽水蓄能機(jī)組聯(lián)跳滅磁開關(guān)的硬回路設(shè)計(jì)[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2020，43（12）：4-5，19，80.

[5]肖仁軍，夏鑫，劉曉波，等.泰山抽水蓄能機(jī)組背靠背啟動(dòng)流程優(yōu)化方法[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2019，42（1）：18-20.

[6]操俊磊，姜海軍，李青，等.深圳抽水蓄能電站機(jī)組背靠背拖動(dòng)監(jiān)控流程設(shè)計(jì)[J].水電與抽水蓄能，2019，5（3）：79-83.