国产化400 MW抽水蓄能机组背靠背启动的试验分析

赵 博，高 翔，秦 俊，邓拓夫

(1. 国网新源控股有限公司技术中心，北京 100161；2. 国家电网公司抽水蓄能技术实验室，北京 100161)

0 引 言

背靠背启动是抽水蓄能机组水泵方向启动的备用启动方式。当电厂的SFC设备故障或检修时，电厂将使用背靠背启动来进行机组的水泵方向启动。背靠背启动涉及拖动机与被拖动机的监控、励磁、调速器、保护以及启动母线等多个设备的协同配合，且不同厂家的设备控制原理各有不同，启动成功难度相对较大。近些年，国内学者及现场试验人员针对背靠背启动进行了广泛分析。文献[1]中，作者分析了背靠背启动过程中发电电动机的状态方程，提出拖动机与被拖动机的励磁电流要合理配合，文中给出的启动成功的仿真案例，拖动机与被拖动机的励磁电流值分别为额定空载励磁电流的1.4倍和1.2倍。文献[2]根据仿真计算结果，认为初始转差角对启动成败的影响可以忽略。另外，文献[2]提出在2机进入同步加速阶段前，采用较小励磁电压和较慢导叶开启速度的控制策略，并仿真证明了这种策略的可行性。结合现场调试经验，文献[3]给出了背靠背启动的常用流程，并推荐了先快后慢的导叶开启规律。背靠背启动过程中，被拖动机发生故障跳机时，2台机组励磁系统不能同时切除，可能引起启动母线过流的现象。针对这一现象，文献[4]提出在LCU及保护之间增加硬接线控制回路的方法，解决了事故停机时，2台机组励磁系统切除的次序问题。文献[5]介绍了背靠背启动低频阶段对主机辅机等设备的影响，分析了背靠背启动对发变组保护的影响。综合以上文献的分析，2台机组励磁系统的配合以及调速器导叶的开启规律是影响背靠背启动成功与否的关键参数。目前的文献中，针对励磁系统配合以及调速器导叶开启规律的分析大多为计算机仿真，且对背靠背启动的参数设置规律尚未统一认识。实际应用中，各设备参数均有限制值，现场试验时需协同配合，选择合理的参数。本文根据国内浙江某新建抽水蓄能电站400 MW机组背靠背启动的试验过程，重点分析导叶开启规律以及拖动机与被拖动机的励磁配合规律对启动过程的影响，对国产化400 MW级机组的背靠背启动试验给出合理建议。

1 背靠背启动的电气原理及监控流程

1.1 背靠背启动的电气原理

国内某400 MW抽水蓄能电站的1、2号机组背靠背启动的电气主接线见图1。2台机组型号相同，通过启动母线电气相连。拖动刀在发电机出口断路器(GCB)与换向刀闸(PRD)之间，被拖动刀在GCB与发电电动机之间。启动前，被拖动机组执行水车室调相压水操作，使转子处于空气之中，以减小启动阻力矩。背靠背启动过程中，从能力转换的角度看，水的势能和动能转换成了拖动机的动能，再经过电磁转矩的传输，转换成了被拖动机的动能，还有一小部分能量经由机械损耗和电磁损耗转换成了热量。拖动机的转子机械方程如下：

(1)

式中，p为微分算子；ωg为机械角速度；Tmg为输入机械转矩；Teg为电磁阻力转矩；Tbg为机械阻力转矩；Hg为转动惯量。

输入转矩的变化由调速器控制导叶开启规律调节。

图1 机组背靠背启动电气主接线

型号相同的2台机组背靠背启动的电气连接方程如下[1,2]：

idm=-cosδidg+sinδiqg

(2)

iqm=-sinδidg-cosδiqg

(3)

udm=cosδudg-sinδuqg

(4)

uqm=sinδudg+cosδuqg

(5)

假定饱和只发生在主磁路，电机的电磁转矩公式如下：

Te=[-Xdid+Xadifd+Xadild]iq-(-Xqiq+Xaqilq)id

(6)

式中：下标d表示直轴分量，q表示交轴分量，m表示被拖动机，g表示拖动机；δ表示2机转角差；Xd、Xq分别为直轴和交轴电抗；Xad、Xaq分别为直轴和交轴电枢反应电抗，ifd为励磁电流的直轴分量，ild、ilq分别为阻尼绕组中电流的直轴和交轴分量。

可以看出，被拖动机的输入电磁转矩既与被拖动机的励磁电流有关，也与被拖动机的定子电流有关，而被拖动机的定子电流也受拖动机的励磁电流影响。而且实际电机中，定子电流的直轴与交轴分量又会对主电抗与漏电抗产生影响。由此可见，2机励磁电流对电磁转矩的影响是非线性的，2者需要合理配合，以保证拖动机向被拖动机提供足够的电磁力矩。

图2 背靠背启动监控流程

1.2 背靠背启动的监控流程分析

背靠背启动主要的监控流程见图2。以下3点需要特别关注：①拖动机启动的第1步是分中性点刀闸，而被拖动机中性点刀闸必须合闸，这是因为发电电动机并网运行时，中性点需要经高阻接地，而背靠背启动时，不能有2点接地，否则会引起保护动作。②并网时，GCB合闸需要同期装置判断GCB两端的电压信号满足合闸条件，只有在背靠背启动前，合拖动机GCB时，同期装置是在GCB两端都没有电压的情况下，下达合闸指令。由于无压合GCB这一功能在背靠背启动前不会使用，因此需要监控厂家人员在背靠背启动试验前，反复验证这一功能，否则，容易造成无压合失败，导致启动流程退出。③被拖动机在启动前要进行压水充气，使转轮浸没在空气中，以减少启动过程中的摩擦阻力。

2 重要参数选择的试验分析

机组运行的安全性是抽水蓄能电站运行的重中之重。因此，机组背靠背启动并不是要求越快越好。更短的启动时间，需要更大的输入力矩，即更快的导叶开启规律，导水机构上的压力变化更大，特别是启动失败情况下，机组的安全隐患更大。目前，还没有准确的理论仿真计算来较为准确地指出每个不同电站的背靠背启动参数设置。现场试验过程中，都是根据经验在一定范围内进行参数的单变量微调，使机组背靠背启动顺利，并且启动时间满足合同要求。

2.1 导叶开启规律的试验分析

背靠背启动过程中，拖动机球阀全开后，拖动机通过调节导叶开度来改变输入力矩。如果导叶开启速率过小，开始时，无法克服2台机组的摩擦阻力以启动机组。导叶开始速率过大，被拖动机容易跟不上拖动机的转速上升速率，导致2机失步。另外，在机组达到额定转速前，转子上的阻尼绕组会产生感应电流，且感应电流随导叶开启速率的增大而增大。经了解，国内主机厂家在设计发电电动机时，充分考虑到了阻尼绕组的发热问题，一般都留有较大裕量。

现场试验中，拖动机励磁电流值设置为额定空载励磁电流，被拖动机励磁电流值设置为0.8倍的额定空载励磁电流，励磁电流的配合将在下一节中讨论。导叶开启规律最初设置为先以每秒1%的开启速率快速将导叶开到最大开度的10%，再以每秒0.2%慢速上升，1号机为拖动机，2号机为被拖动机。但是，这次启动并未成功，拖动机的导叶已开到15%，拖动机与被拖动机仍并未转动，试验人员按紧急事故停机按钮，流程退出。分析启动失败原因，导叶开度第1段开启速率较慢，输入力矩较小，无法克服2台机组的静摩擦阻力矩。

之后，调整导叶开启规律，将第1段开启速率增加到每秒1.5%，第2段依然是每秒上升0.2%，电气开限设置为导叶最大开度的20%，将这一导叶开启规律命名为导叶开启规律01。以1号机为拖动机，2号机为被拖动机，背靠背启动成功，拖动机转速的变化规律见图3。调整电气开限，将电气开限设置为导叶最大开度的25%，将这一导叶开启规律命名为导叶开启规律02。以2号机为拖动机，1号机为被拖动机，背靠背启动成功，拖动机转速变化规律见图3。图3中，导叶开启规律01 2段的开启速率实测值分别为每秒1.41%和0.196%，而导叶开启规律02 2段的开启速率实测值分别为每秒1.59%和0.205%。同样的设置值，在不同机组上测得的反馈值略有区别，实测值与给定值之间存在±6%左右的误差，这一误差在工程应用可接受的范围内。

2次启动过程中，机组导叶开度快速开到9%左右时，拖动机与被拖动机开始转动，之后，2机进入同步快速加速段，到达90%额定转速后，同期装置启动，导叶开度受同期装置控制，机组缓慢加速至额定转速附近，同期并网成功后，拖动机GCB分闸，导叶关闭，机组走停机流程。在导叶开启规律01作用下，机组转速在达到70%额定转速时，导叶开度已达电气开限，导叶开度不再增加，机组加速度度减小，转速达到90%额定开度后，导叶进入同期装置控制模式。在导叶开启规律02的作用下，在未达到导叶电气开限前，机组转速已达90%额定转速，此时，导叶开度达到24%，2机同步加速，加速度几乎保持不变。同期装置启动后，迅速减小导叶开度，以使机组转速平稳上升至额定转速，同期并网时的导叶开度已减小至20%额定转速左右。

图3 2种导叶开启规律下的拖动机转速曲线

在图3所示的2种导叶开度控制规律下，机组从静止到同期并网的时间分别为121 s和140 s，远小于合同规定的240 s。如果将导叶电气开限设置为较高的25%最大开度，机组启动时间较短，但同期装置启动后，导叶开度的改变速率较大。将导叶电气开限设置为略高于单机发电空载运行时的导叶开度，此电站为20%最大开度，机组启动速率在导叶达到电气开限后逐渐减小，同期装置启动后，导叶开度的变化速率比较平稳，但启动时间较长。综合考虑以上因素，在之后的背靠背启动试验中，将导叶开启规律设置为2段式开启。第1段，导叶以每秒1.5%的增速，快速开到最大开度的10%；第2段，以每秒0.2%的增速增加到电气开限。

2.2 励磁电流配合的试验分析

励磁电流的大小影响着机组电磁力矩的传递，也直接影响着背靠背启动的成败。拖动机组的励磁电流值在背靠背启动过程中保持不变，而被拖动机的励磁电流值在同期装置启动之前会保持恒定值，而同期装置启动后，会根据机端电压与电网电压调节被拖动机的励磁电流，以满足同期并网条件。由于被拖动机同期并网时的励磁电流接近于单机发电方向空载并网时的励磁电流值，因此，与之对应的拖动机的励磁电流值宜设置为额定空载励磁电流。被拖动机的励磁电流值分别设置为0.9倍、0.8倍和0.75倍额定空载励磁电流值，额定空载电流值为976 A。

被拖动机的励磁电流设置为0.9倍额定空载励磁电流时，背靠背启动失败。分析启动失败原因，被拖动机励磁电流较大，导致空载电压较高，2台机组电压幅值差较小，启动电流不容易通过启动母线注入被拖动机组中，启动力矩小。当2台机组开始转动后，拖动机转速快速上升，而被拖动机加速较慢，迅速引起频差保护动作，机组跳机。

将被拖动机的励磁电流降低至0.8倍和0.75倍的空载额定励磁电流，背靠背启动均成功，被拖动机转速曲线见图4，被拖动机输入的有功功率见图5。从图4、图5中可以看出，在相同的导叶开启规律，2组不同的励磁电流下，被拖动机的转速上升曲线几乎重合，而从拖动机组中吸收的有功功率曲线也几乎重合。被拖动机转速上升到90%额定空载转速前，输入的有功功率持续增加，同期装置启动后，减小导叶开度，降低机组转速的上升率，被拖动机吸收的有功功率也迅速下降。图4和图5中，分析2条曲线分别近乎重合的原因，2台机组启动的原动力来源于拖动机的水轮机，被拖动机的启动力矩来源于电磁转矩。从能量传递的角度分析，由拖动机传递给被拖动机的电磁力矩为水轮机的输入机械力矩减去拖动机的损耗阻力矩，而导叶开启规律不变的情况下，这2者几乎不变。再分析被拖动机的电磁转矩。被拖动机的励磁电流为零时，电磁转矩为零，逐渐增大励磁电流，电磁转矩也随之逐渐增大；当励磁电流增大到一定程度后，可传递的电磁转矩已达到原动机的输入力矩与损耗阻力矩的差值，再适当增大励磁电流并不能增加传递的电磁力矩；而如果继续增大被拖动机励磁电流，将导致被拖动机的空载电压过高，拖动机与被拖动机的电压差较小，启动电流反而不容易通过启动母线注入被拖动机组中，进而引起电磁转矩降低。因此，被拖动机的励磁电流过小或过大均不能产生足够的启动力矩使背靠背启动成功。由于背靠背启动数学模型的非线性，这一被拖动机电磁转矩随励磁电流的变化曲线，很难通过试验测得。本文试验中的0.9倍额定空载励磁电流应已进入励磁电流过大的区域，因此启动失败。而励磁电流过小导致启动失败的试验，由于现场试验时间的限制，且该试验对工程实践不具价值，因此，并未进行试验。被拖动机的励磁电流值存在一个合适的区间，使得电磁转矩接近最大值，本文试验的0.8倍和0.75倍的空载额定励磁电流值，应已处在此区间范围内，而通过试验的方法很难确定这一区间的上限与下限。而工程实际应用中，也不需找到此区间的边界，只需找到一个合适的运行点，使得背靠背启动能按合同要求时间完成即可。

图4 被拖动机在不同励磁电流下的启动曲线

图5 被拖动机在不同励磁电流下的输入有功功率曲线

在被拖动机转速达到90%额定转速，同期装置启动后，同期装置会逐渐调节被拖动机的励磁电流，以使被拖动机机端电压与电网电压达到同期合闸要求。同期并网时，励磁电流值一般在额定空载励磁电流附近。因此，在同期装置启动后，从被拖动机励磁电流的调节时间上比较，被拖动机初始励磁电流设置为0.8倍额定空载励磁电流比0.75倍额定空载励磁电流调节时间更短。综合以上分析，被拖动机的励磁电流值设置为0.8倍的空载励磁电流更加合理。

3 其他原因导致启动失败的案例分析

现场调试期间，在导叶开启规律和拖动机与被拖动机的励磁电流值均设置得当后，背靠背启动过程中，仍出现过几次启动失败的案例，具体原因分析如下。

(1)调速器导叶开度超过电气开限。在背靠背拖动过程中，此电站使用的调速器在原始程序中设计了导叶电气开限值，这一设置也有其必要性。当导叶开启规律或励磁电流配合值设置不当时，可能导致虽然导叶逐渐开启，但拖动机与被拖动机均未启动，或拖动机转速突然上升，明显高于被拖动机转速，2机突然失步。此时，机组会立即执行跳机流程，2台机励磁跳开后，由于导叶关闭需要一定时间，拖动机转速会迅速上升，如果此时的导叶开度过大，拖动机很有可能迅速升速，甚至远超过额定转速。因此，需要设定调速器导叶开度的上限，防止故障情况下，拖动机转速上升过高。这一导叶开度比机组额定转速空转状态下的导叶开度(导叶最大开度的19%)略大，原始设计值为导叶最大开度的20%。在大多数的背靠背启动试验中，导叶实际开度均未超过电气开限，启动成功。而在少数几次背靠背启动中，在拖动机机组未达到额定转速前，导叶开度已达到电气开限，同期装置启动后，无法通过增大导叶开度来使机组转速到达额定转速，到达同期装置设置的最大同期时间后，同期失败，保护动作，机组跳机。分析原因，几次启动失败的案例中，实际运行水头相比额定水头较低，同样的导叶开度下，水轮机产生的力矩略小，机组无法加速到额定转速。调试时，解决此问题的办法有2种：①请调速器厂家在源程序上略微增大电气开限的上限；②当调速器厂家未在现场，或无法改动源程序时，只能采用在调试器触摸屏面板上手动逐渐增大电气开限的方式，当导叶的实际开限接近电气开限时，手动点击增加开限按钮，以每次0.25%的速率递加，直至同期成功。结合前面的分析，此电站最终将电气开限调整为导叶最大开度的25%。

(2)同期超时，启动失败。电站共有4台机组，在做3号机拖动4号机背靠背启动的实验时，在同期并网的过程中，4号机组连续出现了3次同期并网失败。检查同期装置的报文，显示对象侧电压过低，也就是机端电压与电网电压的电压幅值差值没有达到同期并网的要求，同期装置调节的时间超过设定的时间后，电压差值仍然没有满足并网要求，同期失败，机组事故停机。启动失败后，现场从监控调取了机端电压与电网电压的测量值，经对比计算，2者的电压差值满足同期并网要求。初步判断，为同期装置内部故障。之后，又进行了1号机组拖动4号机组背靠背启动的试验以及4号机组单独发电空载并网和抽水调相并网的试验，也出现了同期失败的现象。由此可以证明，同期装置内部发生了故障。与监控厂家协商后，对同期装置进行了更换，再次进行3号机拖动4号机的背靠背启动试验，同期并网成功。

4 结 语

本文简要分析了背靠背启动的原理以及监控流程中的注意事项，结合现场实际试验方法，选出了适合某电站国产化400 MW抽水蓄能机组背靠背启动的重要参数，主要结论如下。

(1)导叶开启规律建议选择先快后慢的方式，先以每秒1.5%的速率开到最大导叶开度的10%，再以每秒0.2%的速率开到导叶电气开限值。

(2)拖动机的励磁电流值建议设置为额定空载励磁电流值，被拖动机的励磁电流值设置为0.8倍额定空载励磁电流值。

(3)导叶电气开限设置较低及同期装置故障等问题均可能引起背靠背启动失败。导叶电气开限设置值建议略高于单台机组发电空载导叶开度，此电站导叶电气开限设置为25%最大导叶开度。

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