抽水蓄能發(fā)電機(jī)組背靠背啟動(dòng)的研究報(bào)告

1、-. z.抽水蓄能發(fā)電機(jī)組背靠背啟動(dòng)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(jī)組的背靠背啟動(dòng)。列舉模型和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，并與希臘一家電廠的實(shí)例進(jìn)展比照，分析影響該種啟動(dòng)的主要參數(shù)，得出了該過(guò)程的有關(guān)物理規(guī)律；還特別討論了勵(lì)磁和導(dǎo)葉開啟過(guò)程的影響，以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線，提醒了正確選擇確保啟動(dòng)成功的主要參數(shù)的方法。圖6關(guān)鍵詞：背靠背啟動(dòng)；水輪發(fā)電機(jī)；抽水蓄能；熱系數(shù)；啟動(dòng)Abstract：In the present paper,the

2、 procedure 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 pared for a case study of a Greek power station.Main parameters influencing this phenomenon are analyze

3、d,and information is given on the physical laws underlying the process.In particular,the effects of e*citation 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 s

4、uccessful start.Key words：Back to back starting；Hydroelectric generators；Pumped storage power generation；Rotating machine thermal factor；Starting1引言對(duì)于安裝有可逆式水泵水輪機(jī)組的電站來(lái)說(shuō)，通常至少有一臺(tái)機(jī)需要在晚上作為水泵運(yùn)行；而啟動(dòng)水泵所廣為采用的方式就是同步(背靠背)啟動(dòng)，除此還有借助于啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)(小型電機(jī)機(jī))的輔助啟動(dòng)，依靠或不依靠輔助設(shè)備的異步啟動(dòng)以及低頻啟動(dòng)等。過(guò)去，許多電站常常要依靠啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)來(lái)啟動(dòng)具有疊片磁極且無(wú)阻尼繞組的同步電機(jī)，由

5、于缺乏異步轉(zhuǎn)矩，除低頻啟動(dòng)外，這是唯一能夠啟動(dòng)這種同步電機(jī)的方法；小型電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方法特別適合于制動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小的情況，其主要缺點(diǎn)是連續(xù)運(yùn)行容易導(dǎo)致?lián)p失的增加；異步啟動(dòng)可用于經(jīng)過(guò)專門設(shè)計(jì)的，轉(zhuǎn)子能承受較大熱應(yīng)力的電機(jī)上，然而，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，其輸電系統(tǒng)就必須能夠承受異步啟動(dòng)所導(dǎo)致的電流沖擊和電壓驟降。隨著靜勵(lì)磁設(shè)備和變頻器的推廣，變頻器啟動(dòng)的地位也變得很重要了。事實(shí)上，在過(guò)去的20年中，變頻器啟動(dòng)法的使用已經(jīng)有顯著的增加，并已成為擁有兩臺(tái)機(jī)組以上的電站的首選啟動(dòng)方式。變頻啟動(dòng)可分為完全啟動(dòng)即背靠背啟動(dòng)和定子相互連接的兩臺(tái)機(jī)在靜止?fàn)顟B(tài)下開場(chǎng)起勵(lì)兩種方式；而局部變頻啟動(dòng)只有當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)之后電動(dòng)機(jī)才開場(chǎng)起

6、勵(lì)。局部變頻啟動(dòng)相對(duì)于背靠背啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是在異步啟動(dòng)階段不需要單獨(dú)的勵(lì)磁電源。30多年前，Canay研究了同步電機(jī)的啟動(dòng)方式，并歸納了這些啟動(dòng)方式的特征、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。異步啟動(dòng)所采取的方法符合非勵(lì)磁電動(dòng)機(jī)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(duì)局部變頻啟動(dòng)進(jìn)展了研究，該種方法沒有考慮發(fā)電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(gè)函數(shù)，結(jié)果過(guò)于簡(jiǎn)單。事實(shí)上，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)差變頻和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，且發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩被認(rèn)為是相等的，這只有在同步以后才是準(zhǔn)確的。利用一個(gè)微分方程組描述了一個(gè)抽水蓄能電站機(jī)組背靠背啟動(dòng)的全過(guò)程，并對(duì)這些方程式用

7、于希臘特撒羅斯(Thissavros)電站進(jìn)展了實(shí)例模擬。將模擬結(jié)果同現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)展了比照，二者非常一致。發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)功率從現(xiàn)場(chǎng)效率試驗(yàn)推導(dǎo)而出，具體的模擬中考慮了啟步轉(zhuǎn)矩，而且，在此過(guò)程中，也曾努力去理解這一物理現(xiàn)象并研究其啟動(dòng)過(guò)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(tái)通過(guò)升壓變壓器和高壓輸電線背靠背連接的機(jī)組在進(jìn)展變頻啟動(dòng)時(shí)的根本電路配置。驅(qū)動(dòng)電機(jī)G由其水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，而從動(dòng)電機(jī)M的水泵水輪機(jī)的導(dǎo)葉關(guān)閉，并已排水。這兩臺(tái)電機(jī)均在靜止?fàn)顟B(tài)下起勵(lì)，然后再翻開驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)的導(dǎo)葉，電機(jī)G開場(chǎng)加速。假設(shè)對(duì)兩臺(tái)機(jī)給一個(gè)設(shè)定的勵(lì)磁電流，而從動(dòng)電機(jī)的加速轉(zhuǎn)矩又足夠大，則后者在幾個(gè)振蕩循環(huán)就會(huì)實(shí)

8、現(xiàn)與驅(qū)動(dòng)電機(jī)的同步，且兩電機(jī)隨后同步運(yùn)行直至到達(dá)同步轉(zhuǎn)速。可將從動(dòng)電機(jī)M擴(kuò)展為包括兩臺(tái)變壓器和兩臺(tái)機(jī)組之間的所有連接線，變壓器和輸電線被模擬成一個(gè)RL串聯(lián)電路。根據(jù)電機(jī)通用理論，可得出每臺(tái)機(jī)固定坐標(biāo)系中對(duì)縱軸和橫軸的方程式，并考慮線電流和線電壓坐標(biāo)變換方程式，可得出：選擇模型2(1)，用勵(lì)磁繞組的一個(gè)線圈和當(dāng)量阻尼繞組的每軸一個(gè)線圈代表每一臺(tái)機(jī)，由此可以得出，如果在上述一些方程式中引入一個(gè)附加參數(shù)，使勵(lì)磁繞組和阻尼繞組之間的電感與另外兩個(gè)不同，則可以獲得更加準(zhǔn)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(yàn)測(cè)量也沒有現(xiàn)成的可以承受的標(biāo)準(zhǔn)。不過(guò)，Lfkd相對(duì)于目標(biāo)來(lái)說(shuō)沒有必

9、要：由于趨膚和近似效應(yīng)，電阻被認(rèn)為與頻率無(wú)關(guān)，這種假設(shè)已被測(cè)量結(jié)果以及其它研究人員的經(jīng)歷所驗(yàn)證。對(duì)于電機(jī)的狀態(tài)空間表達(dá)式，采用了勵(lì)磁電流以及縱軸和橫軸線電流：if，id，iq，ikd和ikq。對(duì)于機(jī)械系統(tǒng)，用電角度和角速度表示當(dāng)量電動(dòng)機(jī)。當(dāng)從動(dòng)電機(jī)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1212，1212和121，矩陣C包含的項(xiàng)是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，*是狀態(tài)空間變化矢量：式中：Tmg是驅(qū)動(dòng)電機(jī)G的水輪機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Telg和Telm分別為驅(qū)動(dòng)和從動(dòng)電機(jī)的電氣轉(zhuǎn)矩，Tbrg和Tbrm分別為二者的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)G的縱軸和橫軸電壓

10、表達(dá)式，將通過(guò)方程式(1)以及從動(dòng)電機(jī)M的dq模型所得出電壓值方程式來(lái)求證。經(jīng)過(guò)一些代數(shù)運(yùn)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?fù)p失可通過(guò)真機(jī)效率試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算獲得。它們還可以進(jìn)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)局部，容量為1212；f(*)為非線性局部(121)；b為擴(kuò)展矩陣(1212)；u為輸入的變量矢量(121)。水輪機(jī)施加于驅(qū)動(dòng)電機(jī)上的機(jī)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(yàn)驗(yàn)證。輸入變量矢量包含發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電壓以及水輪機(jī)產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。選擇適宜的勵(lì)磁方式與勵(lì)磁時(shí)間以及

11、導(dǎo)葉開啟規(guī)律是決定是否能成功啟動(dòng)而不會(huì)對(duì)機(jī)組產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力的唯一因素。3研究實(shí)例特撒羅斯水電站位于希臘北部的斯特斯河上，裝有3臺(tái)一樣的12MVA立式可逆式混流機(jī)組，凈水頭為92157m，轉(zhuǎn)速214r/min。投運(yùn)初期，由于軸向負(fù)荷過(guò)大導(dǎo)致了機(jī)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(tái)機(jī)組啟動(dòng)另外一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)組作抽水運(yùn)作。在水輪機(jī)制造商進(jìn)展的模型試驗(yàn)中，模型轉(zhuǎn)速采用115r/s，基準(zhǔn)半徑為0.46582m，凈水頭30m。轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性由四象限特性測(cè)量確定，如圖2所示，導(dǎo)葉開度也作為一個(gè)參數(shù)，無(wú)量綱轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)和圓周速度系數(shù)ku由下式得出：式中：Tmg為電機(jī)G的轉(zhuǎn)輪產(chǎn)

12、生的轉(zhuǎn)矩；R1e為基準(zhǔn)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(yùn)用于真機(jī)。一個(gè)三次多項(xiàng)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(jī)和電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)功率通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)變頻試驗(yàn)以及推力和導(dǎo)軸承損失、風(fēng)損、鐵心、定子和雜散損失等推算得出。與轉(zhuǎn)速有關(guān)的個(gè)別分量遵循IEC41/1991規(guī)程，因此，最終的制動(dòng)功率可用方程式表述：式中：是角速度與其標(biāo)稱值之比。第1個(gè)與轉(zhuǎn)速有關(guān)的項(xiàng)是推力軸承損失；第2項(xiàng)是上、下導(dǎo)軸承損失；第3項(xiàng)是風(fēng)阻損失，與電壓有關(guān)的項(xiàng)是鐵心損失，與電流有關(guān)的項(xiàng)是雜散和銅損；發(fā)電機(jī)組制動(dòng)轉(zhuǎn)矩必定包括

13、一個(gè)附加項(xiàng)，以模擬其從零轉(zhuǎn)速啟動(dòng)的阻力，從實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果可以得出這樣的結(jié)論，發(fā)電機(jī)G的啟動(dòng)需要一個(gè)0.172pu的起步轉(zhuǎn)矩，該項(xiàng)被認(rèn)為會(huì)隨轉(zhuǎn)速上升而急劇減??；考慮到電動(dòng)機(jī)，方程式(7)還應(yīng)包括另外一項(xiàng)，用以表示水泵在無(wú)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(chǎng)測(cè)量到了其在標(biāo)稱轉(zhuǎn)速時(shí)的值為0.044 1pu，而在同步調(diào)相運(yùn)行方式下零轉(zhuǎn)速時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)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(shí)間的關(guān)系并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)展了比照。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(jī)

14、組導(dǎo)葉開場(chǎng)翻開算起整個(gè)過(guò)程歷時(shí)約90s。圖6表示傳輸給電動(dòng)機(jī)的功率的變化。除5070s圍外，模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果比擬一致。在這段時(shí)間勵(lì)磁電流從2.02重新調(diào)至1.8pu，但在模擬中未對(duì)AVRs瞬變進(jìn)展全面的模擬。變頻啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)過(guò)程非常平穩(wěn)，轉(zhuǎn)子上不會(huì)出現(xiàn)過(guò)量的熱應(yīng)力。當(dāng)勵(lì)磁電流比要求的最小勵(lì)磁電流高出50時(shí)，轉(zhuǎn)子阻尼回路的能量消耗最低。4物理現(xiàn)象分析啟動(dòng)過(guò)程可細(xì)分為兩個(gè)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(dòng)機(jī)組的導(dǎo)葉開場(chǎng)翻開直至兩機(jī)組幾乎已經(jīng)相互同步時(shí)為止。必須注意的是，驅(qū)動(dòng)電機(jī)本身在最初的時(shí)候并沒有開場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，只有當(dāng)其轉(zhuǎn)輪的機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tmg大于起步轉(zhuǎn)矩時(shí)才開場(chǎng)啟動(dòng)。為使電動(dòng)

15、機(jī)開場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)，其電轉(zhuǎn)矩Telm必須大于反向轉(zhuǎn)矩：式中：Tres.m為電動(dòng)機(jī)機(jī)組在零轉(zhuǎn)速時(shí)的反身轉(zhuǎn)矩。(8)式在*一發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速g時(shí)得到滿足，此時(shí)傳遞給電動(dòng)機(jī)的電轉(zhuǎn)矩足夠大，圖7就是該轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的相對(duì)曲線：很明顯，Telm在前半個(gè)周期加速上升，而在后半個(gè)周期剛好相反。這種現(xiàn)象在電動(dòng)機(jī)的整個(gè)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)間一直持續(xù)不變，但當(dāng)其頻率隨電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差頻率升高而升高時(shí)，脈沖轉(zhuǎn)矩的幅值增大；這種現(xiàn)象會(huì)持續(xù)下去直至兩機(jī)經(jīng)過(guò)幾個(gè)振蕩循環(huán)到達(dá)同步為止。就在這個(gè)異步階段，由于阻尼電流的產(chǎn)生，兩個(gè)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生熱應(yīng)力?？蓪⑦@兩個(gè)慣性系統(tǒng)可看成一當(dāng)量慣性Heq，當(dāng)量轉(zhuǎn)矩Teq強(qiáng)迫其同步：式中：h=Hm/Hg，是電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)慣

16、性常數(shù)之比。兩機(jī)要同步，整個(gè)時(shí)間圍的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩平均值必須減小，從而出現(xiàn)近似方程：如果機(jī)組一樣，這就意味著在同步的情況下，電轉(zhuǎn)矩等于驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩的1/2。如果驅(qū)動(dòng)電機(jī)比電動(dòng)機(jī)小得多，比方說(shuō)h等于20，則在同步時(shí)，電轉(zhuǎn)矩與驅(qū)動(dòng)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tmg會(huì)大致相等，而G和M的加速轉(zhuǎn)矩對(duì)于啟動(dòng)過(guò)程加速運(yùn)行來(lái)說(shuō)就顯得太小。4.2第二階段實(shí)現(xiàn)同步運(yùn)行(在試驗(yàn)中為啟動(dòng)以后10s)后，兩機(jī)的加速運(yùn)行平穩(wěn)，二者的加速度相等：因此，對(duì)兩機(jī)一樣的情況則加速轉(zhuǎn)矩也相等?？傻贸鱿旅娴姆匠淌剑憾旅娴姆匠淌礁m用于兩機(jī)不一樣的情況：可看出，同步階段的加速轉(zhuǎn)矩等于機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電動(dòng)

17、機(jī)機(jī)組阻力轉(zhuǎn)矩差值的1/2。對(duì)于兩機(jī)一樣的情況，更適合于方程式：這意味著，由于勵(lì)磁電流的值近似于啟動(dòng)成功的勵(lì)磁電流值，則兩臺(tái)機(jī)的加速度就不會(huì)受其影響，而只受水輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩及水泵阻力轉(zhuǎn)矩影響。事實(shí)上，利用背靠背方式對(duì)特撒羅斯水電站機(jī)組啟動(dòng)進(jìn)展的模擬說(shuō)明勵(lì)磁電流在1.3272.112pu的圍均是成功的；但還應(yīng)注意的是，勵(lì)磁電流較低會(huì)導(dǎo)致阻尼電流和熱應(yīng)力升高，尤其對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子更是如此。由于異步過(guò)程的時(shí)間比同步階段短，可得出這樣的結(jié)論，成功的背靠背啟動(dòng)過(guò)程主要取決于驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)所產(chǎn)生的機(jī)械轉(zhuǎn)矩與水泵轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩之差。為了加快同步，就必須增加驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，也就必須增加導(dǎo)葉開啟速率，當(dāng)然，這種

18、速率還受到水力因素的限制；另一個(gè)方法是降低水泵機(jī)組的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，這需要對(duì)轉(zhuǎn)輪室充氣壓水及采用高壓油頂起措施。端電壓實(shí)際上與勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)速成正比此外，知道發(fā)電機(jī)的功率在算術(shù)上與電動(dòng)機(jī)的功率相等，從公式對(duì)具有不同慣性常數(shù)的機(jī)組，更通用的公式為，可看出：在該階段與端電壓一樣的線電流分量主要取決于發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)矩特性，因?yàn)樗c勵(lì)磁電流成反比例；對(duì)于慣性比擬高的機(jī)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(jì)。考慮到在所有的實(shí)際運(yùn)用中，都要求電動(dòng)機(jī)作同步調(diào)相運(yùn)行，其阻力矩至少相當(dāng)于其額定值的5，需要一臺(tái)功率不小于該電動(dòng)機(jī)額定功率1/20的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，前提是其互聯(lián)電阻很小。由于所選擇的驅(qū)動(dòng)電機(jī)容量較小，在同步階段，啟動(dòng)過(guò)程較快，升速比擬困難。5結(jié)論介紹了一種研究可逆式水電機(jī)組的變頻啟動(dòng)的方法，該方法的根底是開發(fā)出非線性微分方程組以表示整個(gè)系統(tǒng)。將