抽水蓄能電站機組背靠背啟動失敗的分析和研究

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的協調配合，十分復雜，導致部分電站機組啟動成功率不高。本文結合國網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。

關鍵詞：抽水蓄能電站 ?背靠背啟動 勵磁電流 調速器

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，隨著風光等不穩定電源并網容量的增加以及西電東送帶來的大規模直流特高壓電源接入東部電網，抽水蓄能電站在電網削峰填谷的調節作用越來越突出[1]。抽水蓄能電站在電網中的安全、穩定運行直接影響著電網的可靠性。而對于抽水蓄能機組而言，運行過程中最薄弱的環節是包括啟停機在內的各種工況間互相轉換的暫態過程，其中又以抽水啟動流程最為繁瑣復雜，涉及機組從停機穩態到抽水調相，再從抽水調相到抽水兩個轉換過程的成功實現。啟動過程中需要機組在壓水期間，定轉子之間的電磁力足夠克服機組靜態慣性以及各部瓦對主軸的機械阻力才可實現機組水泵方向的旋轉。因此在抽水蓄能機組眾多的工況轉換流程中，由停機穩態至抽水調相的轉換過程往往最為關鍵，同時也是相對而言轉換失敗率最高的。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，國內多家已正常投運的抽蓄電站均發生過背靠背啟動失敗的經驗案例。部分大學、設備廠家和科研機構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]：根據同步電機的狀態方程，建立了抽水蓄能機組背靠背啟動的數學模型;研究了抽水蓄能機組背靠背啟動的機電變化規律，通過仿真分析得出了啟動過程的相關物理規律，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，考慮水輪機輸入轉矩、水泵阻轉矩及線路、變壓器等參數的影響，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文獻資料的搜集和整理，發現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、調速器控制規律和保護系統參數設置有直接關系。

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鍵。在實際啟動過程中，常因勵磁電流過小，發電機在低速運行時未能產生較高的電壓，進而電動機未能產生足夠的電磁轉矩，無法使電動機順利啟動。

1.2調速器控制規律的影響

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，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，使得機組推力導軸承因轉速過慢無法形成油膜，進而發生燒瓦事件;而當機組導葉開啟速度過快時，機組將在較大動力矩驅使下轉速快速上升，但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。因此，不合理的調速器控制規律是機組背靠背啟動失敗的重要原因之一。

1.3保護系統參數設置的影響

每一個工況轉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應完成每一步定義對轉換設備的操作，同時接收到相應的反饋狀態信號;不然， 意味著機組工況轉換失敗， 將啟動停機程序;如果停機過程中轉換時間過長， 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所跟蹤保護。然而保護系統會因為機組轉速小于某一額定轉速、拖動機組和被拖動機組轉速差大于某一額定值且持續一定時間時，保護系統啟動但保護過早或過小動作而導致機組誤跳機的情況發生，使得機組無法正常完成啟動。

1.4其他系統的影響

從部分實際電站機組背靠背啟動失敗案例中，亦可發現調相壓氣系統和導葉漏水量問題與機組背靠背啟動有著直接的關系。當調相壓氣時間過長時，引起流程超時發生跳機現象，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轉差過大引發跳閘而造成啟動失敗;當高壓油頂起系統出現頂轉子不到位情形時，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采用恒勵磁電流調節方式，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矩太小，造成被拖動機組啟動后轉速較慢或反轉，甚至出現兩臺機轉速差超過允許的額定轉速偏差值，系統保護裝置啟動使得機組跳機。因此，可以調整機組背靠背啟動時勵磁系統的勵磁電流設定值，且滿足兩側勵磁電流差值不大于3%。

2.2 優化拖動機組調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速上升較快而被拖動機組無法跟上使得機組之間轉速差過大。因此，合理設置導葉開度非常重要。可依據現場試驗情況，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，并在進入同步狀態前保持較小轉速差。兩機啟動后，目前的調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，這樣就可能發生兩臺機無法同步現象。為了保證兩臺機組能夠穩定同步，可以通過調速器設置，插入一級調整過程，將目標轉速設置為某一中間值，導葉開度也設置為某一定值，當轉速相對緩慢上升至目標轉速后再使導葉以一定速度開啟加速階段[5]。

2.3 ?改設保護裝置相關參數設定值

在機組背靠背啟動開始階段，當兩臺機組轉角差靠近目標轉角差時，兩機將進入同步加速階段，然而兩機因機械時間常數與電氣時間常數的不同，使得在此階段兩機轉速之間必然發生轉速差。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生轉速差過大的情況。因此，可以機組背靠背啟動開始階段，對啟動流程進行優化：（1）增大轉速差設定值;（2）延長超過轉速差設定值允許持續時間。

2.4 ?優化拖動流程的先后順序及時間進程

對于監控系統而言，整個背靠背啟動的順序控制，步序進程均是依靠監控系統逐步實現的。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;兩臺機組建立電氣連接后，對保護、勵磁、調速器系統的模式指令及投入順序的下發;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相穩定運行，等等。因此，通過優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、調速器、保護、監控等多個系統的協調配合，加之不同電站、不同類型的機組其各系統參數設置不盡相同，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系統各參數的優化設置還有待進一步深入研究。

參考文獻

[1]崔楊，程廣巖，仲悟之，等.計及受端電網調峰趨勢的風-光-火特高壓直流外送調度方法[J].太陽能學報，2021，42（8）：32-40.

[2]陶亮，孫建軍，查曉明，等.基于虛擬同步發電機技術的改進型背靠背起動方法[J].電工技術學報，2020，35（S2）：413-420.

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

[4]王宗收，吳妍，任帥，等.抽水蓄能機組聯跳滅磁開關的硬回路設計[J].水電站機電技術，2020，43（12）：4-5，19，80.

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

[6]操俊磊，姜海軍，李青，等.深圳抽水蓄能電站機組背靠背拖動監控流程設計[J].水電與抽水蓄能，2019，5（3）：79-83.