抽蓄機(jī)組“背靠背”起動(dòng)過(guò)程電氣暫態(tài)特性研究

泰榮 蘇春循 夏自平 周大慶 闞闞 陳會(huì)向

摘要：“背靠背”起動(dòng)是抽水蓄能機(jī)組泵水方向的重要起動(dòng)方式。基于白蓮河抽水蓄能電站實(shí)際參數(shù)和MATLAB/Simulink平臺(tái)，以拖動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化作為輸入?yún)?shù)建立了仿真數(shù)學(xué)模型，該模型考慮了發(fā)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流的影響，用以探究“背靠背”起動(dòng)過(guò)程中阻尼繞組的影響。仿真計(jì)算結(jié)果表明：① 發(fā)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速增幅不宜超過(guò)正常起動(dòng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速的13%，發(fā)電機(jī)外加勵(lì)磁電流不應(yīng)低于0.6倍空載勵(lì)磁電流;② 適當(dāng)減小發(fā)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速、增大勵(lì)磁電流有利于提高機(jī)組起動(dòng)的成功率;③ 電機(jī)阻尼繞組在起動(dòng)過(guò)程中會(huì)消耗掉一部分的母線電流并產(chǎn)生對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升有阻礙作用的電磁力矩。

關(guān) 鍵 詞：

背靠背起動(dòng); MATLAB; 電機(jī)拖動(dòng); 阻尼繞組; 勵(lì)磁電流; 抽水蓄能機(jī)組; 白蓮河抽水蓄能電站

中圖法分類(lèi)號(hào)： TV743

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.06.029

0 引 言

“背靠背”起動(dòng)具有無(wú)需電網(wǎng)供給電源、起動(dòng)速度快、可靠性高的特點(diǎn)，在蓄能機(jī)組的日常運(yùn)行中，常常將其作為變頻起動(dòng)裝置起動(dòng)的后備手段[1-2]。在起動(dòng)過(guò)程中，由于機(jī)械阻力矩與電磁轉(zhuǎn)矩的配合以及被拖動(dòng)機(jī)組初始轉(zhuǎn)角差的不同，都會(huì)引起同步電機(jī)產(chǎn)生振蕩，使得機(jī)組振動(dòng)的擺度增加，這樣不僅會(huì)使“背靠背”拖動(dòng)過(guò)程失步，導(dǎo)致開(kāi)機(jī)失敗，還會(huì)損傷機(jī)組機(jī)械的使用壽命[3]。因此，如何對(duì)起動(dòng)控制策略進(jìn)行合理設(shè)定從而有效避免振蕩的影響，是“背靠背”開(kāi)機(jī)成功的關(guān)鍵;對(duì)起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行有效準(zhǔn)確的仿真，對(duì)實(shí)際控制策略的制定，均具有重要的指導(dǎo)意義。

對(duì)“背靠背”起動(dòng)的研究，高金玲[4]編制了計(jì)算機(jī)仿真軟件，通過(guò)解耦法對(duì)電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的狀態(tài)方程分別進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并給出了仿真計(jì)算結(jié)果;王自濤等[5]把2臺(tái)電機(jī)合并成為統(tǒng)一的整體，以研究磁飽和對(duì)電機(jī)狀態(tài)方程和電機(jī)內(nèi)部參數(shù)的影響;康永林等[6]通過(guò)研究導(dǎo)葉開(kāi)啟過(guò)程、勵(lì)磁以及次同步過(guò)流保護(hù)對(duì)起動(dòng)過(guò)程的影響，以某大型抽蓄電站“背靠背”起動(dòng)試驗(yàn)為實(shí)例，闡述了被拖動(dòng)機(jī)組的開(kāi)啟物理過(guò)程以及抽水蓄能電站機(jī)組“背靠背”的起動(dòng)流程;趙博等[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，給出了起動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)葉開(kāi)啟規(guī)律和同步發(fā)電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)外加勵(lì)磁電流大小的建議;王青亞等[8]總結(jié)了長(zhǎng)期以來(lái)桐柏抽水蓄能電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合對(duì)“背靠背”起動(dòng)過(guò)程中常見(jiàn)故障的具體解決方案進(jìn)行了分析和論述;Li等[9]利用電磁暫態(tài)程序包DC（EMTDC），對(duì)“背靠背”起動(dòng)過(guò)程中的短路故障進(jìn)行了研究。“背靠背”起動(dòng)過(guò)程是水、電、機(jī)3種時(shí)變非線性系統(tǒng)相互影響的綜合過(guò)渡過(guò)程，以上研究主要集中在對(duì)起動(dòng)控制條件變化導(dǎo)致的結(jié)果進(jìn)行仿真來(lái)優(yōu)化控制過(guò)程等方面，而對(duì)起動(dòng)過(guò)程中機(jī)組間電氣特性方面的分析研究較少。

本文建立了抽蓄機(jī)組“背靠背”起動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并基于MATLAB/Simulink平臺(tái)，利用白蓮河抽蓄電站的實(shí)際參數(shù)，針對(duì)不同的發(fā)電機(jī)起動(dòng)速度和同步電機(jī)外加勵(lì)磁電流進(jìn)行了仿真模擬，以探究起動(dòng)過(guò)程中的電氣暫態(tài)特性，研究成果可為電站實(shí)際起動(dòng)控制策略的制定提供參考。

1 “背靠背”系統(tǒng)的仿真建模

“背靠背”起動(dòng)的基本形式如圖1所示。由圖1可知：起動(dòng)過(guò)程中同步發(fā)電機(jī)（G）由水輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電，發(fā)出的電能通過(guò)母線直接傳輸給同步電動(dòng)機(jī)（M），帶動(dòng)水泵起動(dòng)，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升且能夠與發(fā)電機(jī)同步穩(wěn)定時(shí)，起動(dòng)成功;否則，起動(dòng)失敗。

1.1 同步電機(jī)的電壓與磁鏈方程

起動(dòng)所用電機(jī)均為凸極同步電機(jī)，本文采用三階動(dòng)態(tài)模型，根據(jù)Park方程，采用標(biāo)幺值，列出同步發(fā)電機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)的電壓與磁鏈方程。具體描述如下。

同步發(fā)電機(jī)的電壓方程：

UdUqUf00g=Xd0XadXad00Xq00XaqXad0XfXad0Xad0XadXD00Xag00XQgpIdIqIfIDIQg

+Rs00000Rs00000Rf00000RD00000RQgpIdIqIfIDIQg

+ωg-Xd0-Xad-Xad00Xq00Xaq000000000000000gpIdIqIfIDIQg

（1）

同步電動(dòng)機(jī)的電壓方程：

UdUqUf00m=Xd0XadXad00Xq00XaqXad0XfXad0Xad0XadXD00Xaq00XQmpIdIqIfIDIQm

+Rs00000Rs00000Rf00000RD00000RQmpIdIqIfIDIQm

+ωm-Xd0-Xad-Xad00Xq00Xaq000000000000000mpIdIqIfIDIQm

（2）

構(gòu)成的“背靠背”起動(dòng)聯(lián)合狀態(tài)方程組為

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：上標(biāo)g表示發(fā)電機(jī)，m表示電動(dòng)機(jī)，p代表微分算子，Xad、Xaq表示定子繞組漏抗，TgM表示水輪機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩，Tmf是電動(dòng)機(jī)阻力矩，Xf表示勵(lì)磁繞組漏抗，Xd、Xq、XD、XQ分別為d軸和q軸電樞反應(yīng)電抗、阻尼

繞組的漏抗，ωg、ωm、δg、δm表示發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角，Igd、Igq、IgD、IgQ、Imd、Imq、ImD、ImQ分別表示

發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)定子d軸、q軸、阻尼繞組D軸、Q軸的電流;Igf、Imf表示發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流;Hg、Hm表示轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

1.2 “背靠背”系統(tǒng)的Simulink仿真模型

Simulink軟件具有仿真精準(zhǔn)、操作靈活、結(jié)構(gòu)清晰等優(yōu)點(diǎn)，利用MATLAB/Simulink提供的豐富的電力庫(kù)元件，按照系統(tǒng)間的相關(guān)耦聯(lián)進(jìn)行連接，并對(duì)基本回路進(jìn)行封裝。建立的“背靠背”起動(dòng)封裝模型如圖2所示。

2 仿真計(jì)算

首先將實(shí)際電站數(shù)據(jù)帶入所建立的“背靠背”起動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真。電站的水輪機(jī)型號(hào)為HL-N-LJ-550，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)型號(hào)為P320-AVR，調(diào)速器為并聯(lián)PID，其主要參數(shù)如表1所列。

根據(jù)上述的數(shù)學(xué)模型以及在Simulink中建成的模型，對(duì)基本回路實(shí)施仿真研究。通過(guò)監(jiān)測(cè)2臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、2臺(tái)機(jī)間的機(jī)角差變化來(lái)判斷其起動(dòng)成功與否，對(duì)不同發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)速、電機(jī)外加勵(lì)磁大小的情況進(jìn)行仿真分析，具體情況描述如下。

2.1 發(fā)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速的影響

圖3為正常開(kāi)啟時(shí)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的電氣參數(shù)暫態(tài)過(guò)程曲線。由圖3可以看出：兩機(jī)轉(zhuǎn)速同時(shí)上升，經(jīng)過(guò)短暫振蕩后速度趨于平穩(wěn);轉(zhuǎn)角差先是迅速上升，后隨著轉(zhuǎn)速逐漸同步而趨于平穩(wěn)，以此為對(duì)比。在保證其他條件不變的情況下，分別對(duì)發(fā)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速較正常，起動(dòng)轉(zhuǎn)速減小15%、減小20%、增大5%、增大10%、增大15%分別進(jìn)行仿真。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相較于正常起動(dòng)轉(zhuǎn)速增大15%時(shí)起動(dòng)失敗，對(duì)此可以確定10%～15%為啟動(dòng)轉(zhuǎn)速增大的最大范圍。仿真結(jié)果如表2所列，取特征工況圖像分別如圖4～7所示。

為保障電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，大型水輪發(fā)電機(jī)中都帶有阻尼繞組，阻尼繞組在正常運(yùn)行時(shí)不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，但當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速突變時(shí)，阻尼繞組則感應(yīng)電流產(chǎn)生阻尼力矩阻止電機(jī)轉(zhuǎn)子劇烈擺動(dòng)[10]。通過(guò)仿真可以發(fā)現(xiàn)，起動(dòng)過(guò)程中，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)，阻尼繞組感應(yīng)電流也在不斷變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速加速度越大，阻尼繞組感應(yīng)電流越大，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的電磁阻力矩也越大。由上述各圖可以看出：在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速突變的位置，即電動(dòng)機(jī)起動(dòng)同步前，此時(shí)轉(zhuǎn)速變化最大，對(duì)應(yīng)的阻尼繞組感應(yīng)電流也最大;當(dāng)減小發(fā)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)同步時(shí)間變短、轉(zhuǎn)速變化較小時(shí)，對(duì)應(yīng)的阻尼繞組感應(yīng)電流相對(duì)減小。

當(dāng)發(fā)電機(jī)開(kāi)啟轉(zhuǎn)速減小15%以及20%時(shí)，母線電流上升較為平穩(wěn)，電動(dòng)機(jī)阻尼繞組電流變小，產(chǎn)生的機(jī)械作用力小。在這種情況下，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩能夠克服阻力矩從而起動(dòng)成功，這也符合實(shí)際情況。因此，適當(dāng)減小發(fā)電機(jī)開(kāi)啟轉(zhuǎn)速可以減少同步加速前振蕩階段的時(shí)間，有利于提高起動(dòng)的成功率。

當(dāng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，電動(dòng)機(jī)阻尼繞組產(chǎn)生的感應(yīng)電流變大，產(chǎn)生的機(jī)械作用力會(huì)阻礙電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩需要克服靜態(tài)阻力以及增大的電磁阻尼力矩。在這種情況下，兩機(jī)的轉(zhuǎn)角差持續(xù)上升，從而導(dǎo)致起動(dòng)失敗，甚至過(guò)大的阻尼繞組電流還會(huì)導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱。為此進(jìn)行了仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，發(fā)電機(jī)開(kāi)啟轉(zhuǎn)速增幅不宜超過(guò)正常起動(dòng)發(fā)電機(jī)開(kāi)啟轉(zhuǎn)速的13%。

2.2 外加勵(lì)磁電流的影響

“背靠背”起動(dòng)過(guò)程中電機(jī)外加勵(lì)磁電流的選擇十分重要，一般將空載勵(lì)磁電流設(shè)定為I0f。目前，國(guó)內(nèi)電站對(duì)起動(dòng)外加勵(lì)磁電流的取值各不相同，對(duì)于最佳的勵(lì)磁電流的取值，則應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定[11-12]。為了減少勵(lì)磁配合方面的影響，探究機(jī)組勵(lì)磁電流在起動(dòng)過(guò)程中的作用，本次研究采用了兩機(jī)相同恒定勵(lì)磁的方式，在控制其他參數(shù)正常的情況下，對(duì)兩機(jī)外加以0.6～1.3倍的空載勵(lì)磁電流I0進(jìn)行仿真，得到的仿真結(jié)果如表3所列，取特征工況圖像如圖8所示。

由圖8可以看出：當(dāng)增大兩機(jī)外加勵(lì)磁電流時(shí)，兩機(jī)的轉(zhuǎn)角差振蕩至平穩(wěn)所用的時(shí)間越短，電動(dòng)機(jī)阻尼繞組電流變小，機(jī)組可以正常起動(dòng);當(dāng)將兩機(jī)外加勵(lì)磁電流降至0.6倍空載勵(lì)磁電流時(shí)，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩過(guò)小而無(wú)法克服阻力[13]，使得轉(zhuǎn)速上升較慢導(dǎo)致機(jī)組起動(dòng)失敗;當(dāng)提高電動(dòng)機(jī)外加勵(lì)磁至1.0倍空載勵(lì)磁電流時(shí)，電動(dòng)機(jī)電磁力矩增大轉(zhuǎn)速明顯提升，阻尼繞組電流增大，阻力矩增大，但發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流較弱，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩較小，使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速上升較慢，導(dǎo)致機(jī)組起動(dòng)失敗[14]。當(dāng)發(fā)電機(jī)外加勵(lì)磁1.0倍空載勵(lì)磁電流、電動(dòng)機(jī)外加勵(lì)磁0.6倍空載勵(lì)磁電流時(shí)，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電流增大，電動(dòng)機(jī)電磁力矩增大能夠克服阻力矩，轉(zhuǎn)速上升較快，起動(dòng)成功。

由仿真結(jié)果可知：“背靠背”起動(dòng)時(shí)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流越大，通過(guò)母線注入電動(dòng)機(jī)的電流越大，從而產(chǎn)生更大的電磁力，這樣有利于提高起動(dòng)的成功率;電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流越大，電磁阻尼繞組感應(yīng)電磁阻力矩增大，但產(chǎn)生的電磁力矩也會(huì)更大，當(dāng)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流大于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流時(shí)，電動(dòng)機(jī)空載電壓較高，此時(shí)通過(guò)母線注入電動(dòng)機(jī)的電流較小，而導(dǎo)致起動(dòng)力矩小。已有仿真結(jié)果證實(shí)：在起動(dòng)過(guò)程初期，外加發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流發(fā)揮著主導(dǎo)作用;在起動(dòng)過(guò)程后期，外加電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流發(fā)揮的作用更大[15]。

3 結(jié) 論

本文考慮發(fā)電機(jī)開(kāi)啟轉(zhuǎn)速、勵(lì)磁電流的影響，建立了“背靠背”起動(dòng)過(guò)程的仿真模型，對(duì)起動(dòng)過(guò)程中機(jī)組間的暫態(tài)電氣特性展開(kāi)了研究，通過(guò)進(jìn)行仿真分析，得出下結(jié)論。

（1） 電機(jī)阻尼繞組能夠防止發(fā)電機(jī)在負(fù)載突然變化時(shí)對(duì)電機(jī)繞組的沖擊，但是在起動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化會(huì)引起阻尼繞組的感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生阻礙電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的電磁力矩，嚴(yán)重時(shí)則會(huì)導(dǎo)致起動(dòng)失敗。

（2） 當(dāng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速增大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速可以上升得很快，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的阻尼繞組中感應(yīng)電流會(huì)變大，產(chǎn)生的電磁阻力矩變大，同步加速前振蕩階段的時(shí)間變長(zhǎng)，而發(fā)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速增幅不宜超過(guò)正常起動(dòng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速的13%;當(dāng)發(fā)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)速減小時(shí)，同步加速前振蕩階段的時(shí)間變短，因此，適當(dāng)減慢發(fā)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速將有利于提高起動(dòng)的成功率。

（3） 采用恒勵(lì)磁方式起動(dòng)時(shí)，“背靠背”起動(dòng)前期，發(fā)電機(jī)外加勵(lì)磁電流相較于電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流而言發(fā)揮著主導(dǎo)作用，發(fā)電機(jī)外加勵(lì)磁電流不應(yīng)低于0.6倍的空載勵(lì)磁電流。工程實(shí)踐中，可對(duì)兩機(jī)外加不同的勵(lì)磁電流，但是外加電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流要小于外加發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流;適當(dāng)增大電機(jī)外加勵(lì)磁電流，有利于提高起動(dòng)的成功率。

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（編輯：趙秋云）

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