泰山抽水蓄能機組背靠背啟動流程優化方法

肖仁軍，夏 鑫，劉曉波，白劍飛，谷東永

（1.山東泰山抽水蓄能電站有限責任公司，山東 泰安271000；2.北京中水科水電科技開發有限公司，北京100038）

0 引言

泰山抽水蓄能電站（簡稱“泰蓄”）位于山東省的泰山西南麓，電站在電網中主要擔負調峰、填谷作用，兼有調相和緊急事故備用等功能。泰安抽水蓄能電站裝機為容量4×250MW的可逆式水泵水輪機組和發電電動機組，其主要運行工況有發電、發電調相、抽水、抽水調相等[1]。

泰蓄機組抽水調相工況啟動采用SFC啟動為主，背靠背啟動為輔的方式。泰蓄機組SFC啟動成功率很高，背靠背啟動在日常運行中較少用到。泰蓄機組背靠背啟動時，有時會出現啟動失敗的情況。本文分析了泰蓄機組背靠背啟動的失敗原因，提出了改善背靠背啟動成功率的方法。

1 背靠背啟動方式

背靠背啟動方式是1臺機組由另1臺機組拖動并網實現抽水調相啟動的方式。2臺機組中被拖動機組以水泵電動機方式運行，拖動機組以水輪發電機方式運行，拖動機組與被拖動機組通過建立電氣連接軸實現拖動[2]。

背靠背啟動成功率受2臺機組外加勵磁電流、拖動機組導葉開啟規律、2臺機組制動轉矩和保護等多方面因素的影響，各環節要相互協調好才能保證啟動成功率。

泰蓄機組背靠背啟動流程如圖1所示。主要步驟具體說明如下：

圖1 背靠背啟動流程示意圖

（1）被拖動機組（3號機）收到上位機下發的“3號機由2號機背靠背拖動啟動令”后，開機至輔助設備運行。被拖動機組（3號機）解析上位機指令后將該指令傳送給拖動機組（2號機），拖動機組收到指令后也開機至輔助設備運行狀態。此時拖動機組、被拖動機組均啟動發電機高壓油系統，投調速器高壓油系統連續運行，啟動水輪機導向軸承油泵，開主軸密封水泵，停發電機空間加熱器，開發電機冷卻水閥，啟動發電機油水分離器，啟動機組技術供水系統，復位球閥緊急關斷閥。

（2）建立電氣連接軸。合被拖動機組發電機側啟動開關（被拖動刀閘），合拖動機組主變側啟動開關（拖動刀閘），合啟動母聯刀閘GS203，使拖動機組和被拖動機組通過啟動母線形成的電氣軸傳遞拖動力矩。該過程以拖動刀閘和被拖動刀閘都在合閘位置作為下一步啟動點。啟動過程中拖動機產生的低頻電流由拖動機組的定子流經拖動機組的出口斷路器、拖動刀閘、啟動母聯刀閘GS203、被拖動刀閘進入到被拖動機組的定子，流經途徑見圖2。

圖2 背靠背啟動拖動電流流經路徑圖（2號機拖動3號機）

（3）被拖動機組水泵壓水充氣。被拖動機組啟動充氣壓水流程，充氣壓水流程完成后，啟動勵磁，退機械制動。拖動機組開球閥，啟動勵磁。該過程以拖動機組和被拖動機組均起勵作為啟動點。

（4）拖動過程。拖動機組和被拖動機組起勵后，拖動機組的調速器以背靠背模式按預設方案開啟導葉，機組轉動后2機組經由短暫異步運行后，被拖動機由拖動機牽入同步進入同步加速階段直至額定轉速。

（5）同期并網。轉速大于98%額定轉速后，被拖動機組啟動同期并網，并網后設置調速器為調相模式，機組進入抽水調相運行狀態。拖動機組收到被拖動機組GCB合閘信號后，進入發電轉停機流程。背靠背啟動流程結束。

2 影響背靠背啟動的因素

抽水蓄能機組水泵工況下，采用背靠背啟動方式的成功率，與拖動機和被拖動機兩側的調速器系統、勵磁系統、保護系統有密切關系。

2.1 勵磁控制方面

泰蓄機組在背靠背啟動時2臺機組的勵磁均處于手動方式，勵磁電流給定值是預設的固定值。拖動機組設為52%額定勵磁電流，被拖動機組設為47%額定勵磁電流[3]。

恒勵磁電流啟動方式下，拖動機組和被拖動機組的勵磁電流設定值的選取是關鍵，勵磁電流的大小影響著機組電磁力矩的傳遞，直接影響著背靠背啟動的成敗。

2.2 調速器方面

抽水蓄能發電電動機背靠背啟動過程中，通過控制拖動機組導水葉的開度實現背靠背拖動力矩的產生和控制。拖動機的調速器背靠背工況控制算法直接影響背靠背拖動是否成功。導葉慢速開啟能夠保證2臺機組的轉速逐步上升，防止發生失步，但是機組長時間處于低速蠕動，不利于機組推力導軸承油膜的形成，有燒瓦的可能；快速開啟導葉可為機組提供較大動力源，使機組快速轉動，但是有可能造成拖動機與被拖動機的轉速有較大的差值，造成失步，也會引起阻尼繞組電流過大發熱[4]。

泰蓄機組背靠背啟動時，在拖動機組與被拖動機組之間的電氣軸建立完成后，拖動機組LCU發送指令給調速器，調速器控制程序啟用背靠背拖動模塊。背靠背拖動模塊設置導葉初始開度為6.1%，機組開始轉動后導葉開啟改為加速控制模式，此時調速器PID控制器參與計算，機組導葉開度約以0.61%/s的速率開啟直至機組轉速達到90%額定轉速，當調速器計算的導葉開度值小于導葉開度限制值后，以PID計算結果為導葉開度設定，調節導葉開度，使拖動機和被拖動機轉速繼續上升直至額定轉速。

2.3 保護方面

泰蓄機組背靠背啟動時，拖動過程的保護措施主要有保護系統的低頻過流保護以及監控軟件中設置的機組轉速小于90%額定轉速時拖動機組和被拖動機組轉速差大于2%額定轉速持續3s后跳機的保護。

3 背靠背啟動過程失敗原因分析及改進

經現場調研和分析歷史數據，泰蓄機組背靠背啟動失敗的情況多是由于啟動初期被拖動機組與拖動機組的同步轉速差大于定值造成的。從影響背靠背啟動成敗的3個關鍵因素，分析啟動過程中同步轉速差偏大可能的原因。

勵磁系統方面，拖動機組和被拖動機組在背靠背啟動時勵磁系統采用的是恒勵磁電流調節方式，初始的設定值目前是拖動機為52%額定勵磁電流，被拖動機為47%額定勵磁電流。被拖動機勵磁電流過小不能產生足夠的啟動轉矩，可能導致拖動機組轉動后，被拖動機組啟動轉矩不足導致轉動較慢或反轉，而使得2臺機組轉速差大于2%額定轉速導致滿足機組控制系統軟件保護而致跳機。考慮可適當提高拖動機和被拖動機之間的勵磁電流設定值，將拖動機設定值提高為56%額定勵磁電流，被拖動機設定值提高為53%額定勵磁電流，兩側勵磁電流差值不大于3%。

拖動機組調速器背靠背工況控制算法方面，導葉初始開度設置為6.1%，該初始開度設置過小會因輸入力矩較小使2臺機組都無法轉動，該初始開度設置過大可能因拖動機組轉速上升較快而使拖動機組和被動機組轉速差較大。導葉初始開度可根據現場試驗情況，取略大于使2機開始轉動的開度值，以使拖動機轉速緩慢上升，2機能以較小的轉速差進入同步過程。在2機開始轉動后，當前的算法是直接進入導葉開度加速開啟階段。為了保證2臺機組穩定同步，可以再加入一級調整臺階，調速器目標轉速設置為某一定值，導葉開度也設置為某一定值，當轉速上升至目標轉速后再進入導葉約以0.67%/s開度開啟的加速階段。

背靠背啟動初期，2機轉角差接近目標轉角差時，拖動機組和被拖動機組即將形成同步加速的時候，由于電氣時間常數與機械時間常數的差異，2機組在此階段的轉速差不可避免。泰蓄電站保護中設有低頻過流保護，該保護能有效地保護背靠背啟動過程中轉速差過大的情況。因此建議在背靠背啟動初期，將流程中設置的同步轉速差保護改變為：①將原來的2%適當增大（如5%）；②延長時間，將2機轉速差大于5%持續3s改為5s以上即跳機的軟保護。

4 結語

本文分析了影響背靠背啟動的主要因素，結合泰蓄機組實際運行的參數設置，建議適當增大機組在背靠背啟動時恒勵磁電流的初始設定值，根據現場試驗數據適當調整調速器背靠背工況控制算法中導葉初始開度并在開度加速開啟階段前再加入一級導葉開度調整臺階，在控制流程的軟保護中將同步轉速差限值放大為5%，并通過試驗驗證等手段，探討2機同步過程時取消該軟保護的可行性。以上措施可以避免因為啟動初期2機轉速差超過限值而導致啟動失敗，進而提高機組背靠背啟動的成功率。