泰山抽水蓄能机组背靠背启动流程优化方法

肖仁军，夏 鑫，刘晓波，白剑飞，谷东永

（1.山东泰山抽水蓄能电站有限责任公司，山东 泰安271000；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京100038）

0 引言

泰山抽水蓄能电站（简称“泰蓄”）位于山东省的泰山西南麓，电站在电网中主要担负调峰、填谷作用，兼有调相和紧急事故备用等功能。泰安抽水蓄能电站装机为容量4×250MW的可逆式水泵水轮机组和发电电动机组，其主要运行工况有发电、发电调相、抽水、抽水调相等[1]。

泰蓄机组抽水调相工况启动采用SFC启动为主，背靠背启动为辅的方式。泰蓄机组SFC启动成功率很高，背靠背启动在日常运行中较少用到。泰蓄机组背靠背启动时，有时会出现启动失败的情况。本文分析了泰蓄机组背靠背启动的失败原因，提出了改善背靠背启动成功率的方法。

1 背靠背启动方式

背靠背启动方式是1台机组由另1台机组拖动并网实现抽水调相启动的方式。2台机组中被拖动机组以水泵电动机方式运行，拖动机组以水轮发电机方式运行，拖动机组与被拖动机组通过建立电气连接轴实现拖动[2]。

背靠背启动成功率受2台机组外加励磁电流、拖动机组导叶开启规律、2台机组制动转矩和保护等多方面因素的影响，各环节要相互协调好才能保证启动成功率。

泰蓄机组背靠背启动流程如图1所示。主要步骤具体说明如下：

图1 背靠背启动流程示意图

（1）被拖动机组（3号机）收到上位机下发的“3号机由2号机背靠背拖动启动令”后，开机至辅助设备运行。被拖动机组（3号机）解析上位机指令后将该指令传送给拖动机组（2号机），拖动机组收到指令后也开机至辅助设备运行状态。此时拖动机组、被拖动机组均启动发电机高压油系统，投调速器高压油系统连续运行，启动水轮机导向轴承油泵，开主轴密封水泵，停发电机空间加热器，开发电机冷却水阀，启动发电机油水分离器，启动机组技术供水系统，复位球阀紧急关断阀。

（2）建立电气连接轴。合被拖动机组发电机侧启动开关（被拖动刀闸），合拖动机组主变侧启动开关（拖动刀闸），合启动母联刀闸GS203，使拖动机组和被拖动机组通过启动母线形成的电气轴传递拖动力矩。该过程以拖动刀闸和被拖动刀闸都在合闸位置作为下一步启动点。启动过程中拖动机产生的低频电流由拖动机组的定子流经拖动机组的出口断路器、拖动刀闸、启动母联刀闸GS203、被拖动刀闸进入到被拖动机组的定子，流经途径见图2。

图2 背靠背启动拖动电流流经路径图（2号机拖动3号机）

（3）被拖动机组水泵压水充气。被拖动机组启动充气压水流程，充气压水流程完成后，启动励磁，退机械制动。拖动机组开球阀，启动励磁。该过程以拖动机组和被拖动机组均起励作为启动点。

（4）拖动过程。拖动机组和被拖动机组起励后，拖动机组的调速器以背靠背模式按预设方案开启导叶，机组转动后2机组经由短暂异步运行后，被拖动机由拖动机牵入同步进入同步加速阶段直至额定转速。

（5）同期并网。转速大于98%额定转速后，被拖动机组启动同期并网，并网后设置调速器为调相模式，机组进入抽水调相运行状态。拖动机组收到被拖动机组GCB合闸信号后，进入发电转停机流程。背靠背启动流程结束。

2 影响背靠背启动的因素

抽水蓄能机组水泵工况下，采用背靠背启动方式的成功率，与拖动机和被拖动机两侧的调速器系统、励磁系统、保护系统有密切关系。

2.1 励磁控制方面

泰蓄机组在背靠背启动时2台机组的励磁均处于手动方式，励磁电流给定值是预设的固定值。拖动机组设为52%额定励磁电流，被拖动机组设为47%额定励磁电流[3]。

恒励磁电流启动方式下，拖动机组和被拖动机组的励磁电流设定值的选取是关键，励磁电流的大小影响着机组电磁力矩的传递，直接影响着背靠背启动的成败。

2.2 调速器方面

抽水蓄能发电电动机背靠背启动过程中，通过控制拖动机组导水叶的开度实现背靠背拖动力矩的产生和控制。拖动机的调速器背靠背工况控制算法直接影响背靠背拖动是否成功。导叶慢速开启能够保证2台机组的转速逐步上升，防止发生失步，但是机组长时间处于低速蠕动，不利于机组推力导轴承油膜的形成，有烧瓦的可能；快速开启导叶可为机组提供较大动力源，使机组快速转动，但是有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[4]。

泰蓄机组背靠背启动时，在拖动机组与被拖动机组之间的电气轴建立完成后，拖动机组LCU发送指令给调速器，调速器控制程序启用背靠背拖动模块。背靠背拖动模块设置导叶初始开度为6.1%，机组开始转动后导叶开启改为加速控制模式，此时调速器PID控制器参与计算，机组导叶开度约以0.61%/s的速率开启直至机组转速达到90%额定转速，当调速器计算的导叶开度值小于导叶开度限制值后，以PID计算结果为导叶开度设定，调节导叶开度，使拖动机和被拖动机转速继续上升直至额定转速。

2.3 保护方面

泰蓄机组背靠背启动时，拖动过程的保护措施主要有保护系统的低频过流保护以及监控软件中设置的机组转速小于90%额定转速时拖动机组和被拖动机组转速差大于2%额定转速持续3s后跳机的保护。

3 背靠背启动过程失败原因分析及改进

经现场调研和分析历史数据，泰蓄机组背靠背启动失败的情况多是由于启动初期被拖动机组与拖动机组的同步转速差大于定值造成的。从影响背靠背启动成败的3个关键因素，分析启动过程中同步转速差偏大可能的原因。

励磁系统方面，拖动机组和被拖动机组在背靠背启动时励磁系统采用的是恒励磁电流调节方式，初始的设定值目前是拖动机为52%额定励磁电流，被拖动机为47%额定励磁电流。被拖动机励磁电流过小不能产生足够的启动转矩，可能导致拖动机组转动后，被拖动机组启动转矩不足导致转动较慢或反转，而使得2台机组转速差大于2%额定转速导致满足机组控制系统软件保护而致跳机。考虑可适当提高拖动机和被拖动机之间的励磁电流设定值，将拖动机设定值提高为56%额定励磁电流，被拖动机设定值提高为53%额定励磁电流，两侧励磁电流差值不大于3%。

拖动机组调速器背靠背工况控制算法方面，导叶初始开度设置为6.1%，该初始开度设置过小会因输入力矩较小使2台机组都无法转动，该初始开度设置过大可能因拖动机组转速上升较快而使拖动机组和被动机组转速差较大。导叶初始开度可根据现场试验情况，取略大于使2机开始转动的开度值，以使拖动机转速缓慢上升，2机能以较小的转速差进入同步过程。在2机开始转动后，当前的算法是直接进入导叶开度加速开启阶段。为了保证2台机组稳定同步，可以再加入一级调整台阶，调速器目标转速设置为某一定值，导叶开度也设置为某一定值，当转速上升至目标转速后再进入导叶约以0.67%/s开度开启的加速阶段。

背靠背启动初期，2机转角差接近目标转角差时，拖动机组和被拖动机组即将形成同步加速的时候，由于电气时间常数与机械时间常数的差异，2机组在此阶段的转速差不可避免。泰蓄电站保护中设有低频过流保护，该保护能有效地保护背靠背启动过程中转速差过大的情况。因此建议在背靠背启动初期，将流程中设置的同步转速差保护改变为：①将原来的2%适当增大（如5%）；②延长时间，将2机转速差大于5%持续3s改为5s以上即跳机的软保护。

4 结语

本文分析了影响背靠背启动的主要因素，结合泰蓄机组实际运行的参数设置，建议适当增大机组在背靠背启动时恒励磁电流的初始设定值，根据现场试验数据适当调整调速器背靠背工况控制算法中导叶初始开度并在开度加速开启阶段前再加入一级导叶开度调整台阶，在控制流程的软保护中将同步转速差限值放大为5%，并通过试验验证等手段，探讨2机同步过程时取消该软保护的可行性。以上措施可以避免因为启动初期2机转速差超过限值而导致启动失败，进而提高机组背靠背启动的成功率。