抽水蓄能發(fā)電機組背靠背啟動的研究_第1頁
抽水蓄能發(fā)電機組背靠背啟動的研究_第2頁
抽水蓄能發(fā)電機組背靠背啟動的研究_第3頁
抽水蓄能發(fā)電機組背靠背啟動的研究_第4頁
抽水蓄能發(fā)電機組背靠背啟動的研究_第5頁
已閱讀5頁,還剩2頁未讀, 繼續(xù)免費閱讀

下載本文檔

版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請進行舉報或認領(lǐng)

文檔簡介

1、抽水蓄能發(fā)電機組背靠背啟動的研究Investigation of Back to Back Starting of Pumped Storage Hydraulic Generating Unit摘要:研究分析抽水蓄能發(fā)電機組的背靠背啟動。列舉模型和現(xiàn)場實測結(jié)果,并與希臘一家電廠的實例進行對比,分析影響該種啟動的主要參數(shù),得出了該過程的有關(guān)物理規(guī)律;還特別討論了勵磁和導(dǎo)葉開啟過程的影響,以及驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線,揭示了正確選擇確保啟動成功的主要參數(shù)的方法。圖6關(guān)鍵詞:背靠背啟動;水輪發(fā)電機;抽水蓄能;熱系數(shù);啟動Abstract:In the present paper,the proc

2、edure of back to back starting of pumped storage hydraulic generating unit is investigated and analyzed.The results from simulation as well as from real on site measurements are presented and compared for a case study of a Greek power station.Main parameters influencing this phenomenon are analyzed,

3、and information is given on the physical laws underlying the process.In particular,the effects of excitation and gate valve opening procedure are discussed,along with the torquespeed characteristic of the driving machine.Guidance is developed for the proper selection of the main parameters for a suc

4、cessful start.Key words:Back to back starting;Hydroelectric generators;Pumped storage power generation;Rotating machine thermal factor;Starting1引言對于安裝有可逆式水泵水輪機組的電站來說,通常至少有一臺機需要在晚上作為水泵運行;而啟動水泵所廣為采用的方式就是同步(背靠背)啟動,除此還有借助于啟動電動機(小型電機機)的輔助啟動,依靠或不依靠輔助設(shè)備的異步啟動以及低頻啟動等。過去,許多電站常常要依靠啟動電動機來啟動具有疊片磁極且無阻尼繞組的同步電機,由于缺

5、乏異步轉(zhuǎn)矩,除低頻啟動外,這是唯一能夠啟動這種同步電機的方法;小型電動機啟動方法特別適合于制動轉(zhuǎn)矩較小的情況,其主要缺點是連續(xù)運行容易導(dǎo)致?lián)p失的增加;異步啟動可用于經(jīng)過專門設(shè)計的,轉(zhuǎn)子能承受較大熱應(yīng)力的電機上,然而,為實現(xiàn)這一目標,其輸電系統(tǒng)就必須能夠承受異步啟動所導(dǎo)致的電流沖擊和電壓驟降。隨著靜勵磁設(shè)備和變頻器的推廣,變頻器啟動的地位也變得很重要了。事實上,在過去的20年中,變頻器啟動法的使用已經(jīng)有顯著的增加,并已成為擁有兩臺機組以上的電站的首選啟動方式。變頻啟動可分為完全啟動即背靠背啟動和定子相互連接的兩臺機在靜止狀態(tài)下開始起勵兩種方式;而部分變頻啟動只有當發(fā)電機轉(zhuǎn)動之后電動機才開始起勵。

6、部分變頻啟動相對于背靠背啟動的優(yōu)點是在異步啟動階段不需要單獨的勵磁電源。30多年前,Canay研究了同步電機的啟動方式,并歸納了這些啟動方式的特征、優(yōu)點和缺點。異步啟動所采取的方法符合非勵磁電動機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性,并沒有考慮脈沖轉(zhuǎn)矩分量,只用一近似的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性對部分變頻啟動進行了研究,該種方法沒有考慮發(fā)電機低速運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)的半轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩凹谷;此外,轉(zhuǎn)矩僅被看作是轉(zhuǎn)差變頻的一個函數(shù),結(jié)果過于簡單。事實上,電動機的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差變頻和發(fā)電機轉(zhuǎn)速有關(guān),且發(fā)電機和電動機的電機轉(zhuǎn)矩被認為是相等的,這只有在同步以后才是準確的。利用一個微分方程組描述了一個抽水蓄能電站機組背靠背啟動的全過程,并對這些方程式用于希

7、臘特撒羅斯(Thissavros)電站進行了實例模擬。將模擬結(jié)果同現(xiàn)場實測進行了對比,二者非常一致。發(fā)電機和電動機的制動功率從現(xiàn)場效率試驗推導(dǎo)而出,具體的模擬中考慮了啟步轉(zhuǎn)矩,而且,在此過程中,也曾努力去理解這一物理現(xiàn)象并研究其啟動過程中的變形、物理關(guān)系以及成功率。2模擬模型圖1是兩臺通過升壓變壓器和高壓輸電線背靠背連接的機組在進行變頻啟動時的基本電路配置。驅(qū)動電機G由其水輪機驅(qū)動,而從動電機M的水泵水輪機的導(dǎo)葉關(guān)閉,并已排水。這兩臺電機均在靜止狀態(tài)下起勵,然后再打開驅(qū)動水輪機的導(dǎo)葉,電機G開始加速。假如對兩臺機給一個設(shè)定的勵磁電流,而從動電機的加速轉(zhuǎn)矩又足夠大,則后者在幾個振蕩循環(huán)內(nèi)就會實現(xiàn)

8、與驅(qū)動電機的同步,且兩電機隨后同步運行直至達到同步轉(zhuǎn)速??蓪膭与姍CM擴展為包括兩臺變壓器和兩臺機組之間的所有連接線,變壓器和輸電線被模擬成一個RL串聯(lián)電路。根據(jù)電機通用理論,可得出每臺機固定坐標系中對縱軸和橫軸的方程式,并考慮線電流和線電壓坐標變換方程式,可得出:選擇模型2(1),用勵磁繞組的一個線圈和當量阻尼繞組的每軸一個線圈代表每一臺機,由此可以得出,如果在上述一些方程式中引入一個附加參數(shù),使勵磁繞組和阻尼繞組之間的電感與另外兩個不同,則可以獲得更加準確的轉(zhuǎn)子特性參量值。但是,該電感Lfkd通常并非由制造廠提供,而且試驗測量也沒有現(xiàn)成的可以接受的標準。不過,Lfkd相對于目標來說沒有必要

9、:由于趨膚和近似效應(yīng),電阻被認為與頻率無關(guān),這種假設(shè)已被測量結(jié)果以及其它研究人員的經(jīng)驗所驗證。對于電機的狀態(tài)空間表達式,采用了勵磁電流以及縱軸和橫軸線電流:if,id,iq,ikd和ikq。對于機械系統(tǒng),用電角度和角速度表示當量電動機。當從動電機M的定子電流消去以后,根據(jù)方程式(1),則描述系統(tǒng)的微分方程式可得出矩陣形式:式中:A,B和D為常數(shù),容量分別為12×12,12×12和12×1,矩陣C包含的項是轉(zhuǎn)速的函數(shù),X是狀態(tài)空間變化矢量:式中:Tmg是驅(qū)動電機G的水輪機機械轉(zhuǎn)矩,Telg和Telm分別為驅(qū)動和從動電機的電氣轉(zhuǎn)矩,Tbrg和Tbrm分別為二者的制動轉(zhuǎn)

10、矩。對于驅(qū)動電機G的縱軸和橫軸電壓表達式,將通過方程式(1)以及從動電機M的dq模型所得出電壓值方程式來求證。經(jīng)過一些代數(shù)運算之后,這些電壓分量可表示為所選擇的狀態(tài)參量的函數(shù)。轉(zhuǎn)矩損失可通過真機效率試驗結(jié)果計算獲得。它們還可以進一步表示為轉(zhuǎn)速、端電壓和線電流的函數(shù)。方程式(2)的最終形式可寫成:式中:a為系統(tǒng)矩陣的常數(shù)部分,容量為12×12;f(X)為非線性部分(12×1);b為擴展矩陣(12×12);u為輸入的變量矢量(12×1)。水輪機施加于驅(qū)動電機上的機械轉(zhuǎn)矩Tmg是導(dǎo)葉開度GVO和轉(zhuǎn)速g的函數(shù),該函數(shù)由制造廠提供,由模型試驗驗證。輸入變量矢量包含

11、發(fā)電機和電動機的勵磁電壓以及水輪機產(chǎn)生的機械轉(zhuǎn)矩。選擇合適的勵磁方式與勵磁時間以及導(dǎo)葉開啟規(guī)律是決定是否能成功啟動而不會對機組產(chǎn)生過大應(yīng)力的唯一因素。3研究實例特撒羅斯水電站位于希臘北部的內(nèi)斯特斯河上,裝有3臺相同的12MVA立式可逆式混流機組,凈水頭為92157m,轉(zhuǎn)速214r/min。投運初期,由于軸向負荷過大導(dǎo)致了機組推力軸承損壞,后采用了聚四氟乙烯涂層的新軸承更換。特撒羅斯水電站通常在晚上以一臺機組啟動另外一臺或多臺機組作抽水運作。在水輪機制造商進行的模型試驗中,模型轉(zhuǎn)速采用115r/s,基準半徑為0.46582m,凈水頭30m。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性由四象限特性測量確定,如圖2所示,導(dǎo)葉開度也

12、作為一個參數(shù),無量綱轉(zhuǎn)矩數(shù)和圓周速度系數(shù)ku由下式得出:式中:Tmg為電機G的轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩;R1e為基準半徑;為水的密度;g為重力加速度;H為凈水頭;g為角速度。模型的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線可以很容易地轉(zhuǎn)換并運用于真機。一個三次多項式可用于大致描繪出該特性曲線(系數(shù)隨GVO變化而變化):式中:ai是GVO的函數(shù)。發(fā)電機和電動機的制動功率通過現(xiàn)場變頻試驗以及推力和導(dǎo)軸承損失、風損、鐵心、定子和雜散損失等推算得出。與轉(zhuǎn)速有關(guān)的個別分量遵循IEC41/1991規(guī)程,因此,最終的制動功率可用方程式表述:式中:是角速度與其標稱值之比。第1個與轉(zhuǎn)速有關(guān)的項是推力軸承損失;第2項是上、下導(dǎo)軸承損失;第3項是風阻

13、損失,與電壓有關(guān)的項是鐵心損失,與電流有關(guān)的項是雜散和銅損;發(fā)電機組制動轉(zhuǎn)矩必定包括一個附加項,以模擬其從零轉(zhuǎn)速啟動的阻力,從實時現(xiàn)場測量結(jié)果可以得出這樣的結(jié)論,發(fā)電機G的啟動需要一個0.172pu的起步轉(zhuǎn)矩,該項被認為會隨轉(zhuǎn)速上升而急劇減??;考慮到電動機,方程式(7)還應(yīng)包括另外一項,用以表示水泵在無水狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)的功率損失。與轉(zhuǎn)輪有關(guān)的該反向轉(zhuǎn)矩Tres,m隨轉(zhuǎn)速平方呈線性變化,現(xiàn)場測量到了其在標稱轉(zhuǎn)速時的值為0.044 1pu,而在同步調(diào)相運行方式下零轉(zhuǎn)速時實時測量的值為0.016 5pu。如圖3所示。圖4和圖5分別是轉(zhuǎn)速上升和端電壓升高模擬結(jié)果與時間的關(guān)系并與現(xiàn)場實際測量結(jié)果進行了對比。

14、很明顯,偏差極小,小于5。偏差是由電氣參數(shù)以及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性的不確定度引起的。從發(fā)電機組導(dǎo)葉開始打開算起整個過程歷時約90s。圖6表示傳輸給電動機的功率的變化。除5070s范圍外,模擬和實測結(jié)果比較一致。在這段時間內(nèi)勵磁電流從2.02重新調(diào)至1.8pu,但在模擬中未對AVRs瞬變進行全面的模擬。變頻啟動的優(yōu)點是啟動過程非常平穩(wěn),轉(zhuǎn)子上不會出現(xiàn)過量的熱應(yīng)力。當勵磁電流比要求的最小勵磁電流高出50時,轉(zhuǎn)子阻尼回路的能量消耗最低。4物理現(xiàn)象分析啟動過程可細分為兩個階段,二者分別有各自不同的規(guī)律。4.1第一階段第一階段從驅(qū)動機組的導(dǎo)葉開始打開直至兩機組幾乎已經(jīng)相互同步時為止。必須注意的是,驅(qū)動電機本身在

15、最初的時候并沒有開始運轉(zhuǎn),只有當其轉(zhuǎn)輪的機械轉(zhuǎn)矩Tmg大于起步轉(zhuǎn)矩時才開始啟動。為使電動機開始運轉(zhuǎn),其電轉(zhuǎn)矩Telm必須大于反向轉(zhuǎn)矩:式中:Tres.m為電動機機組在零轉(zhuǎn)速時的反身轉(zhuǎn)矩。(8)式在某一發(fā)電機轉(zhuǎn)速g時得到滿足,此時傳遞給電動機的電轉(zhuǎn)矩足夠大,圖7就是該轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機轉(zhuǎn)速的相對曲線:很明顯,Telm在前半個周期內(nèi)加速上升,而在后半個周期內(nèi)剛好相反。這種現(xiàn)象在電動機的整個靜止狀態(tài)時間內(nèi)一直持續(xù)不變,但當其頻率隨電動機的轉(zhuǎn)差頻率升高而升高時,脈沖轉(zhuǎn)矩的幅值增大;這種現(xiàn)象會持續(xù)下去直至兩機經(jīng)過幾個振蕩循環(huán)達到同步為止。就在這個異步階段,由于阻尼電流的產(chǎn)生,兩個轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱應(yīng)力。可將這兩個慣性

16、系統(tǒng)可看成一當量慣性Heq,當量轉(zhuǎn)矩Teq強迫其同步:式中:h=Hm/Hg,是電動機與發(fā)電機慣性常數(shù)之比。兩機要同步,整個時間范圍內(nèi)的當量轉(zhuǎn)矩平均值必須減小,從而出現(xiàn)近似方程:如果機組相同,這就意味著在同步的情況下,電轉(zhuǎn)矩等于驅(qū)動電機機械轉(zhuǎn)矩Tmg的1/2,而G和M的加速轉(zhuǎn)矩大約等于該驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的1/2。如果驅(qū)動電機比電動機小得多,比如說h等于20,則在同步時,電轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動電機機械轉(zhuǎn)矩Tmg會大致相等,而G和M的加速轉(zhuǎn)矩對于啟動過程加速運行來說就顯得太小。4.2第二階段實現(xiàn)同步運行(在試驗中為啟動以后10s)后,兩機的加速運行平穩(wěn),二者的加速度相等:因此,對兩機相同的情況則加速轉(zhuǎn)矩也相等??傻贸?/p>

17、下面的方程式:而下面的方程式更適用于兩機不相同的情況:可看出,同步階段的加速轉(zhuǎn)矩等于機械轉(zhuǎn)矩與電動機機組阻力轉(zhuǎn)矩差值的1/2。對于兩機相同的情況,更適合于方程式:這意味著,由于勵磁電流的值近似于啟動成功的勵磁電流值,則兩臺機的加速度就不會受其影響,而只受水輪機的機械轉(zhuǎn)矩及水泵阻力轉(zhuǎn)矩影響。事實上,利用背靠背方式對特撒羅斯水電站機組啟動進行的模擬表明勵磁電流在1.3272.112pu的范圍內(nèi)均是成功的;但還應(yīng)注意的是,勵磁電流較低會導(dǎo)致阻尼電流和熱應(yīng)力升高,尤其對電動機轉(zhuǎn)子更是如此。由于異步過程的時間比同步階段短,可得出這樣的結(jié)論,成功的背靠背啟動過程主要取決于驅(qū)動水輪機所產(chǎn)生的機械轉(zhuǎn)矩與水泵轉(zhuǎn)

18、動時的制動轉(zhuǎn)矩之差。為了加快同步,就必須增加驅(qū)動水輪機的機械轉(zhuǎn)矩,也就必須增加導(dǎo)葉開啟速率,當然,這種速率還受到水力因素的限制;另一個辦法是降低水泵機組的制動轉(zhuǎn)矩,這需要對轉(zhuǎn)輪室充氣壓水及采用高壓油頂起措施。端電壓實際上與勵磁電流和轉(zhuǎn)速成正比此外,知道發(fā)電機的功率在算術(shù)上與電動機的功率相等,從公式對具有不同慣性常數(shù)的機組,更通用的公式為,可看出:在該階段與端電壓相同的線電流分量主要取決于發(fā)電機機械轉(zhuǎn)矩特性,因為它與勵磁電流成反比例;對于慣性比較高的機組,很明顯壓水后轉(zhuǎn)輪的阻力轉(zhuǎn)矩的影響可以忽略不計??紤]到在所有的實際運用中,都要求電動機作同步調(diào)相運行,其阻力矩至少相當于其額定值的5,需要一臺功率不小于該電動機額定功率1/20的驅(qū)動電機,前提是其互聯(lián)電阻很小。由于所選擇的驅(qū)動電機容量較小,在同步階段,啟動過程較快,升速比較困難。5結(jié)論介紹了一種研究可逆式水電機組的變頻啟動的方法,該方法的基礎(chǔ)是開發(fā)出非線性微分方程組以表示整個系

溫馨提示

  • 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
  • 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
  • 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
  • 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
  • 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內(nèi)容負責。
  • 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當內(nèi)容,請與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
  • 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。

評論

0/150

提交評論