抽水蓄能电站机组背靠背启动失败的分析和研究

杨敏之 陈鹤虎 朱冬 孟繁聪 周怡伶

摘要：抽水蓄能电站机组背靠背启动是保证电站机组可靠运行的重要手段。因其涉及两台机组多个系统的协调配合，十分复杂，导致部分电站机组启动成功率不高。本文结合国网新源公司部分抽蓄电站机组背靠背启动失败的案例，分析了其失败的主要原因，并提出了相应的改进措施，为机组背靠背启动的进一步深入研究提供了有益的参考。

关键词：抽水蓄能电站  背靠背启动 励磁电流 调速器

中图分类号： TM62文献标识码：A        文章编号：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

近年来，随着风光等不稳定电源并网容量的增加以及西电东送带来的大规模直流特高压电源接入东部电网，抽水蓄能电站在电网削峰填谷的调节作用越来越突出[1]。抽水蓄能电站在电网中的安全、稳定运行直接影响着电网的可靠性。而对于抽水蓄能机组而言，运行过程中最薄弱的环节是包括启停机在内的各种工况间互相转换的暂态过程，其中又以抽水启动流程最为繁琐复杂，涉及机组从停机稳态到抽水调相，再从抽水调相到抽水两个转换过程的成功实现。启动过程中需要机组在压水期间，定转子之间的电磁力足够克服机组静态惯性以及各部瓦对主轴的机械阻力才可实现机组水泵方向的旋转。因此在抽水蓄能机组众多的工况转换流程中，由停机稳态至抽水调相的转换过程往往最为关键，同时也是相对而言转换失败率最高的。而背靠背启动是机组水泵工况启动的主要方式之一，因此，研究背靠背启动方式的过程，分析背靠背启动失败的原因，对于提高机组启动成功率和机组运行的可靠性意义重大。

1  背靠背启动失败原因分析

目前，国内多家已正常投运的抽蓄电站均发生过背靠背启动失败的经验案例。部分大学、设备厂家和科研机构亦对抽水蓄能电站背靠背启动过程进行了以下分析研究[2-4]：根据同步电机的状态方程，建立了抽水蓄能机组背靠背启动的数学模型;研究了抽水蓄能机组背靠背启动的机电变化规律，通过仿真分析得出了启动过程的相关物理规律，最终提出了一些新型的背靠背启动控制策略;从工程实际出发，考虑水轮机输入转矩、水泵阻转矩及线路、变压器等参数的影响，进行了起动过程的计算机仿真分析;通过建立仿真数学模型深入分析了背靠背起动过程中阻尼绕组的影响;该文通过对大量案例和相关文献资料的搜集和整理，发现抽水蓄能机组水泵工况下，采用背靠背启动方式的成功率，与励磁电流设置、调速器控制规律和保护系统参数设置有直接关系。

1.1励磁电流的影响

当采用背靠背启动方式，两台机组励磁给定为手动方式，其值为一固定的预置值。这一励磁电流預置值直接决定了电磁力矩的大小，影响着机组启动成功与否，因此机组励磁电流大小的选定十分关键。在实际启动过程中，常因励磁电流过小，发电机在低速运行时未能产生较高的电压，进而电动机未能产生足够的电磁转矩，无法使电动机顺利启动。

1.2调速器控制规律的影响

抽蓄机组背靠背启动过程中，拖动机的开启速度与拖动成功与否直接相关，当拖动机导叶开启速度较慢时，拖动机和被拖动机的速度亦较慢上升，可避免发生失步，但是如果开启速度过慢将导致两机长时间处于低速蠕动状态，使得机组推力导轴承因转速过慢无法形成油膜，进而发生烧瓦事件;而当机组导叶开启速度过快时，机组将在较大动力矩驱使下转速快速上升，但可能造成拖动机与被拖动机的转速有较大的差值，造成失步，也会引起阻尼绕组电流过大发热。因此，不合理的调速器控制规律是机组背靠背启动失败的重要原因之一。

1.3保护系统参数设置的影响

每一个工况转换都是通过由若干步骤完成， 而每一步都设置了许可的时间。在自动模式下， 在所设置的许可时间内应完成每一步定义对转换设备的操作，同时接收到相应的反馈状态信号;不然， 意味著机组工况转换失败， 将启动停机程序;如果停机过程中转换时间过长， 则启动跳机程序。机组背靠背启动时，拖动过程一直受保护系统所跟踪保护。然而保护系统会因为机组转速小于某一额定转速、拖动机组和被拖动机组转速差大于某一额定值且持续一定时间时，保护系统启动但保护过早或过小动作而导致机组误跳机的情况发生，使得机组无法正常完成启动。

1.4其他系统的影响

从部分实际电站机组背靠背启动失败案例中，亦可发现调相压气系统和导叶漏水量问题与机组背靠背启动有着直接的关系。当调相压气时间过长时，引起流程超时发生跳机现象，或者压气排水因故障使得排水不彻底，被拖动机组因被拖动阻尼过大，无法正常启动;当机组运行过程中出现导叶漏水量过大问题时，会使得两台机组在背靠背启动过程中出现转差过大引发跳闸而造成启动失败;当高压油顶起系统出现顶转子不到位情形时，因机械摩擦阻力过大可导致不能机组启动。

2  背靠背启动过程改进措施

针对以上影响背靠背启动成败的几个关键方面，提出以下具体的改进措施。

2.1  增大励磁电流设定值

背靠背启动时励磁系统采用恒励磁电流调节方式，因此励磁电流设定值直接影响拖动机组和被拖动机组在背靠背启动时的成功率。而励磁电流过小的话会使得被拖动机组因启动转矩太小，造成被拖动机组启动后转速较慢或反转，甚至出现两台机转速差超过允许的额定转速偏差值，系统保护装置启动使得机组跳机。因此，可以调整机组背靠背启动时励磁系统的励磁电流设定值，且满足两侧励磁电流差值不大于3%。

2.2 优化拖动机组调速器背靠背工况控制算法

拖动机组导叶初始开度设置直接影响机组背靠背启动，当其设置过小时会因输入力矩较小使得两台机组均无法启动，而当其设置过大时会因拖动机组转速上升较快而被拖动机组无法跟上使得机组之间转速差过大。因此，合理设置导叶开度非常重要。可依据现场试验情况，将导叶开度初始值选取为略大于两台机启动的开度值，这样可使两台机正常启动，并在进入同步状态前保持较小转速差。两机启动后，目前的调速器控制算法是使拖动机组直接进入导叶开度加速开启阶段，这样就可能发生两台机无法同步现象。为了保证两台机组能够稳定同步，可以通过调速器设置，插入一级调整过程，将目标转速设置为某一中间值，导叶开度也设置为某一定值，当转速相对缓慢上升至目标转速后再使导叶以一定速度开启加速阶段[5]。

2.3  改设保护装置相关参数设定值

在机组背靠背启动开始阶段，当两台机组转角差靠近目标转角差时，两机将进入同步加速阶段，然而两机因机械时间常数与电气时间常数的不同，使得在此阶段两机转速之间必然发生转速差。而电站的保护装置如果设有低频过流保护，就能有效地避免背靠背启动过程中发生转速差过大的情况。因此，可以机组背靠背启动开始阶段，对启动流程进行优化：（1）增大转速差设定值;（2）延长超过转速差设定值允许持续时间。

2.4  优化拖动流程的先后顺序及时间进程

对于监控系统而言，整个背靠背启动的顺序控制，步序进程均是依靠监控系统逐步实现的。期间包括分合两台机组的拖动/被拖动刀闸、启动母线刀闸、GCB开关;两台机组建立电气连接后，对保护、励磁、调速器系统的模式指令及投入顺序的下发;拖动机组球阀、导叶的开启，励磁的投入，被拖动机组同期装置的投入;以及最后被拖动机组同期合闸后，拖动机组的停机，被拖动机组的抽水调相稳定运行，等等。因此，通过优化整个拖动流程的先后顺序及时间进程，亦可以提高背靠背启动的成功率[6]。

3  结语

背靠背启动作为抽蓄机组水泵方向异步启动的一种辅助备用方式，在功能及实际应用中均是不可缺少的。由于背靠背启动涉及两台机组包括励磁、调速器、保护、监控等多个系统的协调配合，加之不同电站、不同类型的机组其各系统参数设置不尽相同，因此启动失败的原因极其复杂，对其研究亦存在一定难度，该文仅针对现有部分电站启动失败案例进行了分析，未来对背靠背启动流程的设置及相关系统各参数的优化设置还有待进一步深入研究。

参考文献

[1]崔杨，程广岩，仲悟之，等.计及受端电网调峰趋势的风-光-火特高压直流外送调度方法[J].太阳能学报，2021，42（8）：32-40.

[2]陶亮，孙建军，查晓明，等.基于虚拟同步发电机技术的改进型背靠背起动方法[J].电工技术学报，2020，35（S2）：413-420.

[3]泰荣，苏春循，夏自平，等.抽蓄机组“背靠背”起动过程电气暂态特性研究[J].人民长江，2021，52（6）：172-178.

[4]王宗收，吴妍，任帅，等.抽水蓄能机组联跳灭磁开关的硬回路设计[J].水电站机电技术，2020，43（12）：4-5，19，80.

[5]肖仁军，夏鑫，刘晓波，等.泰山抽水蓄能机组背靠背启动流程优化方法[J].水电站机电技术，2019，42（1）：18-20.

[6]操俊磊，姜海军，李青，等.深圳抽水蓄能电站机组背靠背拖动监控流程设计[J].水电与抽水蓄能，2019，5（3）：79-83.