宜兴抽水蓄能电站机组背靠背启动故障试验分析_陈鹤虎.pdf
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1、40水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期(总第 48 期)2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,20230引言目前国内抽水蓄能机组水泵工况的启动方式以静止变频器(SFC)启动为主,背靠背启动为辅。早期建造的抽水蓄能电站机电设备全套引进国外技术,尤其是励磁及 SFC等关键装置,一直由国外厂家技术垄断。考虑成本因素,国内前期的抽水蓄能电站大多只配备一台 SFC 装置,因此背靠背模式是其机组抽水调相启动的唯一备用手段。尽管背靠背启动的使用频率不高,但当 SFC 装置出现故障或到达检修周期时,背靠背是
2、电站持续运行的重要保证。此外背靠背启动输入转矩大于 SFC 的拖动转矩,因此启动时间一般比 SFC 拖动快一倍以上8。在未来新型电力系统中,抽水启动时间的缩短将为电网提供更快捷的负备用,因此具有较强的实用价值。宜兴抽水蓄能电站现阶段背靠背启动的成功率不高,拖动过程常出现超时仍无转速、电气低频过流保护等导致拖动失败。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,其中的各项参数针对不同电站、不同类型的机组并不完全通用,因此结合现场实际开展机组背靠背启动故障诊断试验,分析并找出故障主因以提高背靠背启动的成功率十分必要。1宜兴背靠背相关配置分析如图 1 所示,抽水蓄能机组背靠
3、背启动过程,是将拖动机的输入机械转矩转化成电磁转矩,通过启动母线传递给被拖动机,再转换为被拖动机的机械转矩的过程。拖动机和被拖动机的转子机械方程如式(1)和式(2)所示,其中拖动机的机械输入转矩的变化由调速器控制导叶开启规律调节;而两机之间电磁转矩的传递,则主要与拖动机和被拖动机的励磁系统密切相关;拖动机和被拖动机的机械阻力转矩,均包括发电机的风阻和轴承摩擦力矩等、被拖动机的机械阻力转矩还包括导叶漏水转矩,以及启动初期转轮未压水阶段的水力矩等。拖动机被拖动机励磁励磁机械转矩发电机电动机电枢电流端电压门漏转矩机械摩擦转矩图 1 背靠背启动示意图Figure 1Schematic diagram
4、of back-to-back startup拖动机的转子运动方程如下:(1)宜兴抽水蓄能电站机组背靠背启动故障试验分析陈鹤虎1,胡静2,梁庆春1,张冰冰1,姚洋阳2(1华东宜兴抽水蓄能有限公司,江苏省宜兴市214200;2上海明华电力科技有限公司,上海市200090)摘要:背靠背启动模式是抽水蓄能电站机组抽水调相启动的唯一备用手段,宜兴抽水蓄能电站自投运以来,机组背靠背启动一直存在超时和低频过流等问题导致启动成功率较低。本文针对机组背靠背启动故障开展了完整的现场对比试验,通过数据分析和主因诊断,探明了启动故障的原因,并进一步通过优化试验验证该诊断结论,优化拖动机导叶开启规律和拖动机/被拖动机
5、励磁电流能有效提高宜兴抽蓄机组的背靠背启动成功率。关键词:抽水蓄能电站;背靠背启动;导叶开启规律;励磁电流中图分类号:TV743文献标识码:A学科代码:570.30DOI:10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.007基金项目:国网新源控股有限公司 2020 年科技项目(SGXYKJ-2020-032)。41陈鹤虎等:宜兴抽水蓄能电站机组背靠背启动故障试验分析被拖动机的转子运动方程如下:t (2)背靠背启动过程是水、机、电三种时变非线性系统相互作用的复杂综合过渡过程4,6,7,尽管可以根据拖动机和被拖动机的电压状态方程、转子运动方程和接口方程,构建背靠背启动的系统状态
6、方程组建立数学模型进行定性分析。但完整、精确的背靠背启动数学模型的参数辨识难度很大,因此解决现场实际问题仍需结合试验开展研究验证5。通过对大量案例和相关文献资料的搜集和整理,背靠背启动方式的成功率,与调速器导叶控制规律、励磁电流设置、被拖动机的顺控流程、保护系统参数设置、拖动机和被拖动机的阻力矩有直接关系1-3。1.1拖动机调速器导叶开启规律合理的调速器导叶开启规律是背靠背拖动成功的关键,宜兴机组背靠背启动拖动机的导叶开启规律控制策略如下:(1)启动初期导叶开环控制:调速器收到背靠背启动指令后,拖动机以 2%/s 的速率开启导叶,直至导叶开度达 15%或转速超过蠕动转速(1 转/0.3%)后,
7、直接将导叶开度设定值降至 2%,随后以 0.1%/s 的速率将导叶开度设定值升至 8%。(2)导叶转闭环控制:当转速达 30%后进入加速同步阶段,导叶开限变为空载开限 18%。当转速升至 80%后,导叶控制切换为转速闭环控制模式直至额定转速。采用开环+闭环的控制策略有利于拖动初期的导叶控制。在启动初期受转子转动惯量的影响,从导叶开启提供输入转矩到出现转速有一定的时滞,如果单一采用闭环控制,则转速控制 PID 参数较难整定,容易带来超调等问题。但启动初期采用开环控制无法解决导叶开度与输入力矩间的非线性关系,一方面机组在不同水头下同样的导叶开度获得的输入力矩不同,另一方面机组检修等导叶定位改变后同
8、样百分比的导叶开度获得的输入力矩也不同。宜兴背靠背启动导叶开环阶段的开启规律的特点在于,拖动之初通过导叶大开度给机组提供较大的转矩使转子离开静止状态后,再回调缓慢开启导叶。采用先快后慢的导叶开启规律,可以避免机组长期低速蠕动对机组油膜建立的影响,以及拖动机与被拖动机的转差大造成失步。1.2拖动机和被拖动机励磁参数励磁电流的大小影响着机组间电磁力矩的传递5,国内抽水蓄能机组背靠背启动两机励磁控制方式均采用恒励磁电流闭环工作方式。励磁电流参数大多采用拖动机固定励磁电流,被拖动机在同期前固定励磁电流的方式,也有个别机型被拖动机励磁电流采用逐步分段增加励磁电流的方式。被拖动机同期并网时的励磁电流接近于
9、单机发电方向空载并网时的励磁电流,因此,拖动机和被拖动机励磁电流的上限值一般设置低于额定空载励磁电流。宜兴拖动机与被拖动机的初始励磁电流均设为 0.54 倍额定负载值,其他抽水蓄能电站,如响水涧两机均为 0.55 倍额定电流,桐柏两机均为0.55 倍额定电流,蒲石河两机均为 0.52 倍额定电流,十三陵两机均为 0.49 倍额定电流,天荒坪拖动机为 0.52 倍额定电流、被拖动机为 0.50 倍额定电流,泰山拖动机为 0.52 倍额定电流、被拖动机为 0.47 倍额定电流。尽管同类抽水蓄能电站有两机采用相同励磁电流的案例,但理论上励磁电流决定机端电压,若两机电压幅值差较小,启动电流不容易通过启
10、动母线注入被拖动机,将导致启动力矩变小。此外背靠背启动初期两机同步前存在振荡过程,转子回路在此阶段被动地起到一定的阻尼作用,励磁电流值也会跟随振荡。目前所采用的恒励磁电流闭环控制在维持电流恒定过程会减弱转子的阻尼作用4。1.3被拖动机的顺控流程为减小抽水蓄能机组水泵工况启动所需的输入转矩,无论采用 SFC 拖动还是背靠背启动流程,均会通过向转轮室充气压水,使转轮在空气中运转,以减少启动过程中的机械阻力矩。不同抽水蓄能电站监控流程中开始充气压水的时间点差异较大,如仙居、响水涧、琅琊山和绩溪是先压水后拖动、桐柏和宜兴是先拖动至 10%额定转速再压水、天荒坪为先拖动至 15%额定转速再压水。充气压水
11、的转速设定值越低,被拖动机的初始启动阻力转矩越小,理论上有利于提高拖动成功率。但由于主机合同对背靠背启动时间有时间限制,单独先压水需增加启动耗时 30s 左右的时间,因而暂不对宜兴背靠背启动被拖动机的监控流程进行优化。1.4背靠背启动保护配置引起抽水蓄能机组背靠背启动失败的保护主要包括低频过流保护,拖动机和被拖动机转速偏差大保护,以及转速上升超时拖动失败保护等。背靠背启动低转速阶段,差动等其他按工频配置的保护均无效,因此为避免发电/电动机定子回路及启动母线发生相间短路,配置适应低频的变流器和特殊算法的低频过流保护。低频过流保护的整定值常根据经验值配置并考虑保护装置的灵敏性。宜兴低频过流保护定值
12、为 0.4倍额定电流延时 2s,张河湾抽蓄定值为 0.3 倍额定电流延时2s,琅琊山抽蓄定值为 0.1 倍额定电流延时 1s,泰山抽蓄除低频过流外,转差小于 2%延时 3s 跳机。宜兴的低频过流保护定值尚在合理范围内,因此暂不考虑保护系统定值优化。1.5拖动机和被拖动机的阻力矩抽水蓄能机组背靠背启动低转速阶段,拖动机和被拖动42水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期(总第 48 期)2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023机转子均由高压油顶起系统以减少机械摩擦力。目前宜兴 4台机组的高压油
13、顶起系统的油压均大于 8MPa 在正常范围内,高压油顶起时转子的抬升量正常。此外宜兴抽蓄球阀工作密封的漏水量极小,停机时蜗壳层漏水声音(包括导叶漏水)不明显。2宜兴背靠背故障诊断对比试验为进一步明确宜兴抽水蓄能电站机组背靠背启动过程失败的原因,找出启动失败的共性问题或类似问题,特开展对比试验进行验证。根据宜兴以往检修后背靠背启动的历史记录,试验在不改变现有软件配置的情况下,主要对比水头、电气连接轴距离以及无法完整测量的阻力矩等因素对启动的影响。对比试验在两天内完成,试验结果如表 1 所示。首先水头对拖动的影响有限,在 383m 低水头下拖动成功和失败次数相当,而且在同一水头下 4 号机组和 3
14、 号机组相同的机组配对方式也分别有成功和失败的情况。其次电气回路连接相邻的 3 号机组与 4 号机组的启动失败率较高,9 次测试成功 4 次、失败 5 次,启动成功率低于 50%。2 号机组与 4 号机组的配对启动未出现失败情况,另外 4 号机组拖 1 号机组的启动同样成功。所有启动失败的跳机原因均为保护装置低频过流动作。表 1对比试验结果Table1 Theresultsoftheexperimentalcomparison上库水位/m下库水位/m拖动机被拖动机启动情况编号454.671.353 号4 号成功3 号4 号低频过流跳闸3 号4 号低频过流跳闸453.6571.694 号3 号低
15、频过流跳闸A4 号3 号低频过流跳闸B3 号4 号成功C467.6662.643 号4 号成功D4 号3 号成功E4 号3 号低频过流跳闸F463.4466.124 号1 号成功G4 号2 号成功H2 号4 号成功I2 号4 号成功J4 号2 号成功K454.471.112 号4 号成功L4 号2 号成功M4 号2 号成功N2 号4 号成功O以低水头工况下 4 号机组拖 3 号机组失败低频过流保护动作的试验曲线为例(见图 2),两台机组均在静止状态时,拖动机和被拖动机的励磁装置依次启励正常。待机组启励磁场建立稳定后(7s 左右),拖动机导叶以较快的速率开启,经过水流惯性时间常数 Tw以及克服自
16、身转动惯量和阻力矩后,当导叶开度达 7.3%时机组转速大于零。导叶回调至 2%后以较慢升速率继续开大。由于初始转角差的不确定性,两台机组开始进入同步加速前的振荡阶段,定转子电压先开始振荡,两机转速差逐步扩大,随后励磁电流和转速也开始振荡,各电气量振荡开始发散。当转子电流振荡升至 334A 时触发低频过流保护跳机,拖动持续时间为 20s。根据多次现场试验数据分析,当导叶开度达 5%7%时,机组转速开始蠕动。如导叶回调后机组转速能持续上升,则背靠背启动均能成功,否则启动均出现失败,而导致启动失败的低频过流保护动作基本发生在导叶回调后20 30s。导叶回调且回调后第二阶段的开启速率缓慢,使拖动机的输
17、入力矩不足,以及励磁电流的配置不利于电磁转矩的传递,使被拖动机转速无法同步上升,最终导致低频过流保护动作。3宜兴背靠背启动优化试验根据对比试验所得的测试结果及数据分析,制定相应的调速器导叶开启规律和励磁电流的优化方案。并结合试验逐步调整相关参数,检测优化方案的实际可行性和试用效果,为最终方案的制定提供数据基础与经验总结。结合宜兴抽水蓄能机组检修,以 1 号机组为拖动机,2、3 号机组为被拖动机进行优化试验,具体试验过程如表 2 所示。根据上述试验过程及录波数据进一步明确判断,导致宜兴背靠背启动失败的最重要原因是导叶回调所导致。启动过程机组蠕动后导叶迅速回调至较小开度,导致后续转轮所受水流冲击的
18、动力不足以克服两台机组的反向阻力,转轮旋转的角加速度由最初的正值变为负值,使得转轮的角速度无法继续上升。同时导叶二段的开启速率过慢,机组获得的动力源滞后,容易触发机组低频过流等保护动作。通过试验数据的比较可知,完全取消导叶的回调控制策略,并不会导致机组初期转速上升过快或者机组定子电流过大提前触发保护装置低频过流的故障等情况。相反地,快速关回导叶使机组转速出现不稳定波动的情况下才会引起定子电流剧烈震荡,最终导致保护动作。从最终试验 N 和试验 O(见图 3)的测试数据可知,减小最初的导叶开启速率并不会对机组定子电流产生明显影响,因此从增大转轮初始动力的方向考虑,导叶可以仍保持最初的 2%的开启速
19、率。从试验的测试数据可以43陈鹤虎等:宜兴抽水蓄能电站机组背靠背启动故障试验分析1)298导叶开度-拖动机/%5)2500 2500转子电压-被拖动机/V9)0.35 0.1定子电压-被拖动机/kV2)15 35转速-拖动机/%3)15 35转速-被 拖动机/%7)500 8000转子电流-被拖动机/A4)2500 2500转子电压-拖动机/V8)0.35 0.1定子电压-拖动机/kV6)5008000转子电流-拖动机/A11)1300 800定子电流-拖动机/A40.835.733.1528.0530.625.520.415.310.212.757.655.12.558.9256.3753.
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