抽蓄机组“背靠背”起动过程电气暂态特性研究

泰荣 苏春循 夏自平 周大庆 阚阚 陈会向

摘要：“背靠背”起动是抽水蓄能机组泵水方向的重要起动方式。基于白莲河抽水蓄能电站实际参数和MATLAB/Simulink平台，以拖动机转速变化作为输入参数建立了仿真数学模型，该模型考虑了发电机的起动转速、励磁电流的影响，用以探究“背靠背”起动过程中阻尼绕组的影响。仿真计算结果表明：① 发电机起动转速增幅不宜超过正常起动发电机起动转速的13%，发电机外加励磁电流不应低于0.6倍空载励磁电流;② 适当减小发电机起动转速、增大励磁电流有利于提高机组起动的成功率;③ 电机阻尼绕组在起动过程中会消耗掉一部分的母线电流并产生对电动机转速上升有阻碍作用的电磁力矩。

关 键 词：

背靠背起动; MATLAB; 电机拖动; 阻尼绕组; 励磁电流; 抽水蓄能机组; 白莲河抽水蓄能电站

中图法分类号： TV743

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.029

0 引 言

“背靠背”起动具有无需电网供给电源、起动速度快、可靠性高的特点，在蓄能机组的日常运行中，常常将其作为变频起动装置起动的后备手段[1-2]。在起动过程中，由于机械阻力矩与电磁转矩的配合以及被拖动机组初始转角差的不同，都会引起同步电机产生振荡，使得机组振动的摆度增加，这样不仅会使“背靠背”拖动过程失步，导致开机失败，还会损伤机组机械的使用寿命[3]。因此，如何对起动控制策略进行合理设定从而有效避免振荡的影响，是“背靠背”开机成功的关键;对起动过程进行有效准确的仿真，对实际控制策略的制定，均具有重要的指导意义。

对“背靠背”起动的研究，高金玲[4]编制了计算机仿真软件，通过解耦法对电动机、发电机的状态方程分别进行了数值计算，并给出了仿真计算结果;王自涛等[5]把2台电机合并成为统一的整体，以研究磁饱和对电机状态方程和电机内部参数的影响;康永林等[6]通过研究导叶开启过程、励磁以及次同步过流保护对起动过程的影响，以某大型抽蓄电站“背靠背”起动试验为实例，阐述了被拖动机组的开启物理过程以及抽水蓄能电站机组“背靠背”的起动流程;赵博等[7]通过现场试验的数据，给出了起动过程中导叶开启规律和同步发电机、同步电动机外加励磁电流大小的建议;王青亚等[8]总结了长期以来桐柏抽水蓄能电站的运行经验，并结合对“背靠背”起动过程中常见故障的具体解决方案进行了分析和论述;Li等[9]利用电磁暂态程序包DC（EMTDC），对“背靠背”起动过程中的短路故障进行了研究。“背靠背”起动过程是水、电、机3种时变非线性系统相互影响的综合过渡过程，以上研究主要集中在对起动控制条件变化导致的结果进行仿真来优化控制过程等方面，而对起动过程中机组间电气特性方面的分析研究较少。

本文建立了抽蓄机组“背靠背”起动过程的数学模型，并基于MATLAB/Simulink平台，利用白莲河抽蓄电站的实际参数，针对不同的发电机起动速度和同步电机外加励磁电流進行了仿真模拟，以探究起动过程中的电气暂态特性，研究成果可为电站实际起动控制策略的制定提供参考。

1 “背靠背”系统的仿真建模

“背靠背”起动的基本形式如图1所示。由图1可知：起动过程中同步发电机（G）由水轮机带动发电，发出的电能通过母线直接传输给同步电动机（M），带动水泵起动，同步电动机转速上升且能够与发电机同步稳定时，起动成功;否则，起动失败。

1.1 同步电机的电压与磁链方程

起动所用电机均为凸极同步电机，本文采用三阶动态模型，根据Park方程，采用标幺值，列出同步发电机和同步电动机的电压与磁链方程。具体描述如下。

同步发电机的电压方程：

UdUqUf00g=Xd0XadXad00Xq00XaqXad0XfXad0Xad0XadXD00Xag00XQgpIdIqIfIDIQg

+Rs00000Rs00000Rf00000RD00000RQgpIdIqIfIDIQg

+ωg-Xd0-Xad-Xad00Xq00Xaq000000000000000gpIdIqIfIDIQg

（1）

同步电动机的电压方程：

UdUqUf00m=Xd0XadXad00Xq00XaqXad0XfXad0Xad0XadXD00Xaq00XQmpIdIqIfIDIQm

+Rs00000Rs00000Rf00000RD00000RQmpIdIqIfIDIQm

+ωm-Xd0-Xad-Xad00Xq00Xaq000000000000000mpIdIqIfIDIQm

（2）

构成的“背靠背”起动联合状态方程组为

U=A×pI+BI（3）

pI=A-1×U+A-1×BI（4）

I=IgdIgqIgfIgDIgeωgσgImfImDImeωmσmT（5）

U=00Ugf00TgMHg0Umf00-TmfHm0T（6）

以上公式中：上标g表示发电机，m表示电动机，p代表微分算子，Xad、Xaq表示定子绕组漏抗，TgM表示水轮机输入机械转矩，Tmf是电动机阻力矩，Xf表示励磁绕组漏抗，Xd、Xq、XD、XQ分别为d轴和q轴电枢反应电抗、阻尼

绕组的漏抗，ωg、ωm、δg、δm表示发电机、转速、转角，Igd、Igq、IgD、IgQ、Imd、Imq、ImD、ImQ分别表示

发电机、电动机定子d轴、q轴、阻尼绕组D轴、Q轴的电流;Igf、Imf表示发电机电动机转子励磁电流;Hg、Hm表示转动惯量。

1.2 “背靠背”系统的Simulink仿真模型

Simulink软件具有仿真精准、操作灵活、结构清晰等优点，利用MATLAB/Simulink提供的丰富的电力库元件，按照系统间的相关耦联进行连接，并对基本回路进行封装。建立的“背靠背”起动封装模型如图2所示。

2 仿真计算

首先将实际电站数据带入所建立的“背靠背”起动系统模型进行仿真。电站的水轮机型号为HL-N-LJ-550，发电机励磁系统型号为P320-AVR，调速器为并联PID，其主要参数如表1所列。

根据上述的数学模型以及在Simulink中建成的模型，对基本回路实施仿真研究。通过监测2台电机的转速、2台机间的机角差变化来判断其起动成功与否，对不同发电机的启动转速、电机外加励磁大小的情况进行仿真分析，具体情况描述如下。

2.1 发电机起动转速的影响

图3为正常开启时发电机和电动机的电气参数暂态过程曲线。由图3可以看出：两机转速同时上升，经过短暂振荡后速度趋于平稳;转角差先是迅速上升，后随着转速逐渐同步而趋于平稳，以此为对比。在保证其他条件不变的情况下，分别对发电机起动转速较正常，起动转速减小15%、减小20%、增大5%、增大10%、增大15%分别进行仿真。结果发现，相较于正常起动转速增大15%时起动失败，对此可以确定10%～15%为启动转速增大的最大范围。仿真结果如表2所列，取特征工况图像分别如图4～7所示。

为保障电机稳定运行，大型水轮发电机中都带有阻尼绕组，阻尼绕组在正常运行时不会产生感应电流，但当电机转速突变时，阻尼绕组则感应电流产生阻尼力矩阻止电机转子剧烈摆动[10]。通过仿真可以发现，起动过程中，随着电机转速的波动，阻尼绕组感应电流也在不断变化，电机转速加速度越大，阻尼绕组感应电流越大，对应产生的电磁阻力矩也越大。由上述各图可以看出：在电动机转速突变的位置，即电动机起动同步前，此时转速变化最大，对应的阻尼绕组感应电流也最大;当减小发电机起动转速，电动机起动同步时间变短、转速变化较小时，对应的阻尼绕组感应电流相对减小。

当发电机开启转速减小15%以及20%时，母线电流上升较为平稳，电动机阻尼绕组电流变小，产生的机械作用力小。在这种情况下，电动机产生的电磁力矩能够克服阻力矩从而起动成功，这也符合实际情况。因此，适当减小发电机开启转速可以减少同步加速前振荡阶段的时间，有利于提高起动的成功率。

当发电机起动转速增大时，电动机阻尼绕组产生的感应电流变大，产生的机械作用力会阻碍电动机转动，此时电动机产生的电磁力矩需要克服静态阻力以及增大的电磁阻尼力矩。在这种情况下，两机的转角差持续上升，从而导致起动失败，甚至过大的阻尼绕组电流还会导致电机发热。为此进行了仿真计算，计算结果表明，发电机开启转速增幅不宜超过正常起动发电机开启转速的13%。

2.2 外加励磁电流的影响

“背靠背”起动过程中电机外加励磁电流的选择十分重要，一般将空载励磁电流设定为I0f。目前，国内电站对起动外加励磁电流的取值各不相同，对于最佳的励磁電流的取值，则应通过试验来确定[11-12]。为了减少励磁配合方面的影响，探究机组励磁电流在起动过程中的作用，本次研究采用了两机相同恒定励磁的方式，在控制其他参数正常的情况下，对两机外加以0.6～1.3倍的空载励磁电流I0进行仿真，得到的仿真结果如表3所列，取特征工况图像如图8所示。

由图8可以看出：当增大两机外加励磁电流时，两机的转角差振荡至平稳所用的时间越短，电动机阻尼绕组电流变小，机组可以正常起动;当将两机外加励磁电流降至0.6倍空载励磁电流时，电动机产生的电磁力矩过小而无法克服阻力[13]，使得转速上升较慢导致机组起动失败;当提高电动机外加励磁至1.0倍空载励磁电流时，电动机电磁力矩增大转速明显提升，阻尼绕组电流增大，阻力矩增大，但发电机产生的电流较弱，电动机产生的电磁力矩较小，使得电动机转速上升较慢，导致机组起动失败[14]。当发电机外加励磁1.0倍空载励磁电流、电动机外加励磁0.6倍空载励磁电流时，发电机产生的电流增大，电动机电磁力矩增大能够克服阻力矩，转速上升较快，起动成功。

由仿真结果可知：“背靠背”起动时，发电机励磁电流越大，通过母线注入电动机的电流越大，从而产生更大的电磁力，这样有利于提高起动的成功率;电动机励磁电流越大，电磁阻尼绕组感应电磁阻力矩增大，但产生的电磁力矩也会更大，当电动机励磁电流大于发电机励磁电流时，电动机空载电压较高，此时通过母线注入电动机的电流较小，而导致起动力矩小。已有仿真结果证实：在起动过程初期，外加发电机励磁电流发挥着主导作用;在起动过程后期，外加电动机励磁电流发挥的作用更大[15]。

3 结 论

本文考虑发电机开启转速、励磁电流的影响，建立了“背靠背”起动过程的仿真模型，对起动过程中机组间的暂态电气特性展开了研究，通过进行仿真分析，得出下结论。

（1） 电机阻尼绕组能够防止发电机在负载突然变化时对电机绕组的冲击，但是在起动过程中，电动机转速的变化会引起阻尼绕组的感应电流，从而产生阻碍电动机转动的电磁力矩，严重时则会导致起动失败。

（2） 当发电机起动转速增大时，电机转速可以上升得很快，此时电动机的阻尼绕组中感应电流会变大，产生的电磁阻力矩变大，同步加速前振荡阶段的时间变长，而发电机起动转速增幅不宜超过正常起动发电机起动转速的13%;当发电机起动转速减小时，同步加速前振荡阶段的时间变短，因此，适当减慢发电机的起动转速将有利于提高起动的成功率。

（3） 采用恒励磁方式起动时，“背靠背”起动前期，发电机外加励磁电流相较于电动机励磁电流而言发挥着主导作用，发电机外加励磁电流不应低于0.6倍的空载励磁电流。工程实践中，可对两机外加不同的励磁电流，但是外加电动机励磁电流要小于外加发电机的励磁电流;适当增大电机外加励磁电流，有利于提高起动的成功率。

參考文献：

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（编辑：赵秋云）

Research on electrical transient characteristics of pumped storage

unit during“back to back” starting process

TAI Rong1，SU Chunxun2，XIA Ziping1，ZHOU Daqing2，KAN Kan2，CHEN Huixiang3

（1.HubeiBailianhe Pumped Storage Power Station Co.，Ltd，Huanggang 438000，China; 2.College of Energy and Electrical Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China; 3.College of Agricultural Science and Engineering，Hohai University，Nanjing 211100，China）

Abstract：

“Back to back” starting is an important starting mode of pumped storage units in pumping direction.Based on the actual parameters of the Bailianhe Pumped Storage Power Station and MATLAB/Simulink platform，this paper establishes a simulation mathematical model with the speed change of the tractor as the input parameter.This model considers the effects of the starting speed and the excitation current of the generator to explore the influence of the damper winding during the back-to-back starting process.The simulation results show that the increase of starting speed of generator should not exceed 13% of the normal starting speed，and the external excitation current of the generator should not be less than 0.6 times of the no-load excitation current.Properly reducing the starting speed and increasing the excitation current are conducive to improving the starting power of the unit.The damping winding of the motor will consume a part of the bus current during the starting process and generate the electromagnetic torque that hinders the rise of engine speed.

Key words：

back to back starting;MATLAB;motor drag;damper winding;excitation current;pumped storage unit;Bailianhe Pumped Storage Power Station