肖仁軍，夏 鑫，劉曉波，白劍飛，谷東永

（1.山東泰山抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山東 泰安271000；2.北京中水科水電科技開發(fā)有限公司，北京100038）

0 引言

泰山抽水蓄能電站（簡稱“泰蓄”）位于山東省的泰山西南麓，電站在電網(wǎng)中主要擔(dān)負(fù)調(diào)峰、填谷作用，兼有調(diào)相和緊急事故備用等功能。泰安抽水蓄能電站裝機(jī)為容量4×250MW的可逆式水泵水輪機(jī)組和發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，其主要運(yùn)行工況有發(fā)電、發(fā)電調(diào)相、抽水、抽水調(diào)相等[1]。

泰蓄機(jī)組抽水調(diào)相工況啟動(dòng)采用SFC啟動(dòng)為主，背靠背啟動(dòng)為輔的方式。泰蓄機(jī)組SFC啟動(dòng)成功率很高，背靠背啟動(dòng)在日常運(yùn)行中較少用到。泰蓄機(jī)組背靠背啟動(dòng)時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)失敗的情況。本文分析了泰蓄機(jī)組背靠背啟動(dòng)的失敗原因，提出了改善背靠背啟動(dòng)成功率的方法。

1 背靠背啟動(dòng)方式

背靠背啟動(dòng)方式是1臺(tái)機(jī)組由另1臺(tái)機(jī)組拖動(dòng)并網(wǎng)實(shí)現(xiàn)抽水調(diào)相啟動(dòng)的方式。2臺(tái)機(jī)組中被拖動(dòng)機(jī)組以水泵電動(dòng)機(jī)方式運(yùn)行，拖動(dòng)機(jī)組以水輪發(fā)電機(jī)方式運(yùn)行，拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組通過建立電氣連接軸實(shí)現(xiàn)拖動(dòng)[2]。

背靠背啟動(dòng)成功率受2臺(tái)機(jī)組外加勵(lì)磁電流、拖動(dòng)機(jī)組導(dǎo)葉開啟規(guī)律、2臺(tái)機(jī)組制動(dòng)轉(zhuǎn)矩和保護(hù)等多方面因素的影響，各環(huán)節(jié)要相互協(xié)調(diào)好才能保證啟動(dòng)成功率。

泰蓄機(jī)組背靠背啟動(dòng)流程如圖1所示。主要步驟具體說明如下：

圖1 背靠背啟動(dòng)流程示意圖

（1）被拖動(dòng)機(jī)組（3號(hào)機(jī)）收到上位機(jī)下發(fā)的“3號(hào)機(jī)由2號(hào)機(jī)背靠背拖動(dòng)啟動(dòng)令”后，開機(jī)至輔助設(shè)備運(yùn)行。被拖動(dòng)機(jī)組（3號(hào)機(jī)）解析上位機(jī)指令后將該指令傳送給拖動(dòng)機(jī)組（2號(hào)機(jī)），拖動(dòng)機(jī)組收到指令后也開機(jī)至輔助設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)拖動(dòng)機(jī)組、被拖動(dòng)機(jī)組均啟動(dòng)發(fā)電機(jī)高壓油系統(tǒng)，投調(diào)速器高壓油系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行，啟動(dòng)水輪機(jī)導(dǎo)向軸承油泵，開主軸密封水泵，停發(fā)電機(jī)空間加熱器，開發(fā)電機(jī)冷卻水閥，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)油水分離器，啟動(dòng)機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)，復(fù)位球閥緊急關(guān)斷閥。

（2）建立電氣連接軸。合被拖動(dòng)機(jī)組發(fā)電機(jī)側(cè)啟動(dòng)開關(guān)（被拖動(dòng)刀閘），合拖動(dòng)機(jī)組主變側(cè)啟動(dòng)開關(guān)（拖動(dòng)刀閘），合啟動(dòng)母聯(lián)刀閘GS203，使拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組通過啟動(dòng)母線形成的電氣軸傳遞拖動(dòng)力矩。該過程以拖動(dòng)刀閘和被拖動(dòng)刀閘都在合閘位置作為下一步啟動(dòng)點(diǎn)。啟動(dòng)過程中拖動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的低頻電流由拖動(dòng)機(jī)組的定子流經(jīng)拖動(dòng)機(jī)組的出口斷路器、拖動(dòng)刀閘、啟動(dòng)母聯(lián)刀閘GS203、被拖動(dòng)刀閘進(jìn)入到被拖動(dòng)機(jī)組的定子，流經(jīng)途徑見圖2。

圖2 背靠背啟動(dòng)拖動(dòng)電流流經(jīng)路徑圖（2號(hào)機(jī)拖動(dòng)3號(hào)機(jī)）

（3）被拖動(dòng)機(jī)組水泵壓水充氣。被拖動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)充氣壓水流程，充氣壓水流程完成后，啟動(dòng)勵(lì)磁，退機(jī)械制動(dòng)。拖動(dòng)機(jī)組開球閥，啟動(dòng)勵(lì)磁。該過程以拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組均起勵(lì)作為啟動(dòng)點(diǎn)。

（4）拖動(dòng)過程。拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組起勵(lì)后，拖動(dòng)機(jī)組的調(diào)速器以背靠背模式按預(yù)設(shè)方案開啟導(dǎo)葉，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)后2機(jī)組經(jīng)由短暫異步運(yùn)行后，被拖動(dòng)機(jī)由拖動(dòng)機(jī)牽入同步進(jìn)入同步加速階段直至額定轉(zhuǎn)速。

（5）同期并網(wǎng)。轉(zhuǎn)速大于98%額定轉(zhuǎn)速后，被拖動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)同期并網(wǎng)，并網(wǎng)后設(shè)置調(diào)速器為調(diào)相模式，機(jī)組進(jìn)入抽水調(diào)相運(yùn)行狀態(tài)。拖動(dòng)機(jī)組收到被拖動(dòng)機(jī)組GCB合閘信號(hào)后，進(jìn)入發(fā)電轉(zhuǎn)停機(jī)流程。背靠背啟動(dòng)流程結(jié)束。

2 影響背靠背啟動(dòng)的因素

抽水蓄能機(jī)組水泵工況下，采用背靠背啟動(dòng)方式的成功率，與拖動(dòng)機(jī)和被拖動(dòng)機(jī)兩側(cè)的調(diào)速器系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)有密切關(guān)系。

2.1 勵(lì)磁控制方面

泰蓄機(jī)組在背靠背啟動(dòng)時(shí)2臺(tái)機(jī)組的勵(lì)磁均處于手動(dòng)方式，勵(lì)磁電流給定值是預(yù)設(shè)的固定值。拖動(dòng)機(jī)組設(shè)為52%額定勵(lì)磁電流，被拖動(dòng)機(jī)組設(shè)為47%額定勵(lì)磁電流[3]。

恒勵(lì)磁電流啟動(dòng)方式下，拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組的勵(lì)磁電流設(shè)定值的選取是關(guān)鍵，勵(lì)磁電流的大小影響著機(jī)組電磁力矩的傳遞，直接影響著背靠背啟動(dòng)的成敗。

2.2 調(diào)速器方面

抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)背靠背啟動(dòng)過程中，通過控制拖動(dòng)機(jī)組導(dǎo)水葉的開度實(shí)現(xiàn)背靠背拖動(dòng)力矩的產(chǎn)生和控制。拖動(dòng)機(jī)的調(diào)速器背靠背工況控制算法直接影響背靠背拖動(dòng)是否成功。導(dǎo)葉慢速開啟能夠保證2臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)速逐步上升，防止發(fā)生失步，但是機(jī)組長時(shí)間處于低速蠕動(dòng)，不利于機(jī)組推力導(dǎo)軸承油膜的形成，有燒瓦的可能；快速開啟導(dǎo)葉可為機(jī)組提供較大動(dòng)力源，使機(jī)組快速轉(zhuǎn)動(dòng)，但是有可能造成拖動(dòng)機(jī)與被拖動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速有較大的差值，造成失步，也會(huì)引起阻尼繞組電流過大發(fā)熱[4]。

泰蓄機(jī)組背靠背啟動(dòng)時(shí)，在拖動(dòng)機(jī)組與被拖動(dòng)機(jī)組之間的電氣軸建立完成后，拖動(dòng)機(jī)組LCU發(fā)送指令給調(diào)速器，調(diào)速器控制程序啟用背靠背拖動(dòng)模塊。背靠背拖動(dòng)模塊設(shè)置導(dǎo)葉初始開度為6.1%，機(jī)組開始轉(zhuǎn)動(dòng)后導(dǎo)葉開啟改為加速控制模式，此時(shí)調(diào)速器PID控制器參與計(jì)算，機(jī)組導(dǎo)葉開度約以0.61%/s的速率開啟直至機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到90%額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)調(diào)速器計(jì)算的導(dǎo)葉開度值小于導(dǎo)葉開度限制值后，以PID計(jì)算結(jié)果為導(dǎo)葉開度設(shè)定，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，使拖動(dòng)機(jī)和被拖動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升直至額定轉(zhuǎn)速。

2.3 保護(hù)方面

泰蓄機(jī)組背靠背啟動(dòng)時(shí)，拖動(dòng)過程的保護(hù)措施主要有保護(hù)系統(tǒng)的低頻過流保護(hù)以及監(jiān)控軟件中設(shè)置的機(jī)組轉(zhuǎn)速小于90%額定轉(zhuǎn)速時(shí)拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)速差大于2%額定轉(zhuǎn)速持續(xù)3s后跳機(jī)的保護(hù)。

3 背靠背啟動(dòng)過程失敗原因分析及改進(jìn)

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研和分析歷史數(shù)據(jù)，泰蓄機(jī)組背靠背啟動(dòng)失敗的情況多是由于啟動(dòng)初期被拖動(dòng)機(jī)組與拖動(dòng)機(jī)組的同步轉(zhuǎn)速差大于定值造成的。從影響背靠背啟動(dòng)成敗的3個(gè)關(guān)鍵因素，分析啟動(dòng)過程中同步轉(zhuǎn)速差偏大可能的原因。

勵(lì)磁系統(tǒng)方面，拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組在背靠背啟動(dòng)時(shí)勵(lì)磁系統(tǒng)采用的是恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)方式，初始的設(shè)定值目前是拖動(dòng)機(jī)為52%額定勵(lì)磁電流，被拖動(dòng)機(jī)為47%額定勵(lì)磁電流。被拖動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流過小不能產(chǎn)生足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，可能導(dǎo)致拖動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)后，被拖動(dòng)機(jī)組啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩不足導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)較慢或反轉(zhuǎn)，而使得2臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)速差大于2%額定轉(zhuǎn)速導(dǎo)致滿足機(jī)組控制系統(tǒng)軟件保護(hù)而致跳機(jī)?？紤]可適當(dāng)提高拖動(dòng)機(jī)和被拖動(dòng)機(jī)之間的勵(lì)磁電流設(shè)定值，將拖動(dòng)機(jī)設(shè)定值提高為56%額定勵(lì)磁電流，被拖動(dòng)機(jī)設(shè)定值提高為53%額定勵(lì)磁電流，兩側(cè)勵(lì)磁電流差值不大于3%。

拖動(dòng)機(jī)組調(diào)速器背靠背工況控制算法方面，導(dǎo)葉初始開度設(shè)置為6.1%，該初始開度設(shè)置過小會(huì)因輸入力矩較小使2臺(tái)機(jī)組都無法轉(zhuǎn)動(dòng)，該初始開度設(shè)置過大可能因拖動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升較快而使拖動(dòng)機(jī)組和被動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)速差較大。導(dǎo)葉初始開度可根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)情況，取略大于使2機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)的開度值，以使拖動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速緩慢上升，2機(jī)能以較小的轉(zhuǎn)速差進(jìn)入同步過程。在2機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)后，當(dāng)前的算法是直接進(jìn)入導(dǎo)葉開度加速開啟階段。為了保證2臺(tái)機(jī)組穩(wěn)定同步，可以再加入一級(jí)調(diào)整臺(tái)階，調(diào)速器目標(biāo)轉(zhuǎn)速設(shè)置為某一定值，導(dǎo)葉開度也設(shè)置為某一定值，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至目標(biāo)轉(zhuǎn)速后再進(jìn)入導(dǎo)葉約以0.67%/s開度開啟的加速階段。

背靠背啟動(dòng)初期，2機(jī)轉(zhuǎn)角差接近目標(biāo)轉(zhuǎn)角差時(shí)，拖動(dòng)機(jī)組和被拖動(dòng)機(jī)組即將形成同步加速的時(shí)候，由于電氣時(shí)間常數(shù)與機(jī)械時(shí)間常數(shù)的差異，2機(jī)組在此階段的轉(zhuǎn)速差不可避免。泰蓄電站保護(hù)中設(shè)有低頻過流保護(hù)，該保護(hù)能有效地保護(hù)背靠背啟動(dòng)過程中轉(zhuǎn)速差過大的情況。因此建議在背靠背啟動(dòng)初期，將流程中設(shè)置的同步轉(zhuǎn)速差保護(hù)改變?yōu)椋孩賹⒃瓉淼?%適當(dāng)增大（如5%）；②延長時(shí)間，將2機(jī)轉(zhuǎn)速差大于5%持續(xù)3s改為5s以上即跳機(jī)的軟保護(hù)。

4 結(jié)語

本文分析了影響背靠背啟動(dòng)的主要因素，結(jié)合泰蓄機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)設(shè)置，建議適當(dāng)增大機(jī)組在背靠背啟動(dòng)時(shí)恒勵(lì)磁電流的初始設(shè)定值，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)適當(dāng)調(diào)整調(diào)速器背靠背工況控制算法中導(dǎo)葉初始開度并在開度加速開啟階段前再加入一級(jí)導(dǎo)葉開度調(diào)整臺(tái)階，在控制流程的軟保護(hù)中將同步轉(zhuǎn)速差限值放大為5%，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，探討2機(jī)同步過程時(shí)取消該軟保護(hù)的可行性。以上措施可以避免因?yàn)閱?dòng)初期2機(jī)轉(zhuǎn)速差超過限值而導(dǎo)致啟動(dòng)失敗，進(jìn)而提高機(jī)組背靠背啟動(dòng)的成功率。