抽水蓄能水轮发电机组背靠背启动

抽水蓄能水轮发电机组背靠背启动

摘要：研究分析抽水蓄能发电机组的背靠背启动。列举模型和现场实测结果，并与希腊一家电厂的实例进行对比，分析影响该种启动的主要参数，得出了该过程的有关物理规律；还特别讨论了励磁和导叶开启过程的影响，以及驱动电机的转矩－转速特性曲线，揭示了正确选择确保启动成功的主要参数的方法。图6

关键词：背靠背启动；水轮发电机；抽水蓄能；热系数；启动

1引言

对于安装有可逆式水泵水轮机组的电站来说，通常至少有一台机需要在晚上作为水泵运行；而启动水泵所广为采用的方式就是同步(背靠背)启动，除此还有借助于启动电动机(小型电机机)的辅助启动，依靠或不依靠辅助设备的异步启动以及低频启动等。过去，许多电站常常要依靠启动电动机来启动具有叠片磁极且无阻尼绕组的同步电机，由于缺乏异步转矩，除低频启动外，这是唯一能够启动这种同步电机的方法；小型电动机启动方法特别适合于制动转矩较小的情况，其主要缺点是连续运行容易导致损失的增加；异步启动可用于经过专门设计的，转子能承受较大热应力的电机上，然而，为实现这一目标，其输电系统就必须能够承受异步启动所导致的电流冲击和电压骤降。

随着静励磁设备和变频器的推广，变频器启动的地位也变得很重要了。事实上，在过去的20年中，变频器启动法的使用已经有显著的增加，并已成为拥有两台机组以上的电站的首选启动方式。变频启动可分为完全启动即背靠背启动和定子相互连接的两台机在静止状态下开始起励两种方式；而部分变频启动只有当发电机转动之后电动机才开始起励。部分变频启动相对于背靠背启动的优点是在异步启动阶段不需要单独的励磁电源。

30多年前，Canay研究了同步电机的启动方式，并归纳了这些启动方式的特征、优点和缺点。异步启动所采取的方法符合非励磁电动机的稳态转矩－转速特性，并没有考虑脉冲转矩分量，只用一近似的转矩－转速特性对部分变频启动进行了研究，该种方法没有考虑发电机低速运转时出现的半转速转矩凹谷；此外，转矩仅被看作是转差变频的一个函数，结果过于简单。事实上，电动机的转矩与转差变频和发电机转速有关，且发电机和电动机的电机转矩被认为是相等的，这只有在同步以后才是准确的。

利用一个微分方程组描述了一个抽水蓄能电站机组背靠背启动的全过程，并对这些方程式用于希腊特撒罗斯(Thissavros)电站进行了实例模拟。将模拟结果同现场实测进行了对比，二者非常一致。发电机和电动机的制动功率从现场效率试验推导而出，具体的模拟中考虑了启步转矩，而且，在此过程中，也曾努力去理解这一物理现象并研究其启动过程中的变形、物理关系以及成功率。

2模拟模型

图1是两台通过升压变压器和高压输电线背靠背连接的机组在进行变频启动时的基本电路配置。驱动电机G由其水轮机驱动，而从动电机M的水泵水轮机的导叶关闭，并已排水。这两台电机均在静止状态下起励，然后再打开驱动水轮机的导叶，电机G开始加速。假如对两台机给一个设定的励磁电流，而从动电机的加速转矩又足够大，则后者在几个振荡循环内就会实现与驱动电机的同步，且两电机随后同步运行直至达到同步转速。

可将从动电机M扩展为包括两台变压器和两台机组之间的所有连接线，变压器和输电线被模拟成一个R－L串联电路。根据电机通用理论，可得出每台机固定坐标系中对纵轴和横轴的方程式，并考虑线电流和线电压坐标变换方程式，可得出：

选择模型2(1)，用励磁绕组的一个线圈和当量阻尼绕组的每轴一个线圈代表每一台机，由此可以得出，如果在上述一些方程式中引入一个附加参数，使励磁绕组和阻尼绕组之间的电感与另外两个不同，则可以获得更加准确的转子特性参量值。但是，该电感Lfkd通常并非由制造厂提供，而且试验测量也没有现成的可以接受的标准。不过，Lfkd相对于目标来说没有必要：由于趋肤和近似效应，电阻被认为与频率无关，这种假设已被测量结果以及其它研究人员的经验所验证。对于电机的状态空间表达式，采用了励磁电流以及纵轴和横轴线电流：if，id，iq，ikd和ikq。对于机械系统，用电角度δ和角速度ω表示当量电动机。当从动电机M的定子电流消去以后，根据方程式(1)，则描述系统的微分方程式可得出矩阵形式：

式中：A，B和D为常数，容量分别为12×12，12×12和12×1，矩阵C包含的项是转速的函数，X是状态空间变化矢量：

式中：Tmg是驱动电机G的水轮机机械转矩，Telg和Telm分别为驱动和从动电机的电气转矩，Tbrg和Tbrm分别为二者的制动转矩。

对于驱动电机G的纵轴和横轴电压表达式，将通过方程式(1)以及从动电机M的dq模

型所得出电压值方程式来求证。经过一些代数运算之后，这些电压分量可表示为所选择的状态参量的函数。转矩损失可通过真机效率试验结果计算获得。它们还可以进一步表示为转速、端电压和线电流的函数。方程式(2)的最终形式可写成：

式中：a为系统矩阵的常数部分，容量为12×12；f (X)为非线性部分(12×1)；b为扩展矩阵(12×12)；u为输入的变量矢量(12×1)。

水轮机施加于驱动电机上的机械转矩Tmg是导叶开度GVO和转速ωg的函数，该函数由制造厂提供，由模型试验验证。输入变量矢量包含发电机和电动机的励磁电压以及水轮机产生的机械转矩。选择合适的励磁方式与励磁时间以及导叶开启规律是决定是否能成功启动而不会对机组产生过大应力的唯一因素。

3研究实例

特撒罗斯水电站位于希腊北部的内斯特斯河上，装有3台相同的12MVA立式可逆式混流机组，净水头为92～157m，转速214r/min。投运初期，由于轴向负荷过大导致了机组推力轴承损坏，后采用了聚四氟乙烯涂层的新轴承更换。特撒罗斯水电站通常在晚上以一台机组启动另外一台或多台机组作抽水运作。在水轮机制造商进行的模型试验中，模型转速采用115r/s，基准半径为0.465 82m，净水头30m。转矩－转速特性由四象限特性测量确定，如图2所示，导叶开度也作为一个参数，无量纲转矩数ξ和圆周速度系数ku由下式得出：

式中：Tmg为电机G的转轮产生的转矩；R1e为基准半径；ρ为水的密度；g为重力加速度；H为净水头；ωg为角速度。

模型的转矩－转速特性曲线可以很容易地转换并运用于真机。一个三次多项式可用于大致描绘出该特性曲线(系数随GVO变化而变化)：

式中：ai是GVO的函数。

发电机和电动机的制动功率通过现场变频试验以及推力和导轴承损失、风损、铁心、定子和杂散损失等推算得出。与转速有关的个别分量遵循IEC41/1991规程，因此，最终的制动功率可用方程式表述：