大容量電動機啟動對孤立小電網的影響

靳希，沙旦華，張立峰，王曉峰，厲瑜，曹煒，張菲菲

（1.上海電力學院電力與自動化工程學院，上海200090;2.西藏電力有限公司，西藏拉薩 850000）

大容量電動機的啟動會產生較大的電流沖擊，將引起較明顯的電網壓降［1］.對于西部某孤立小電網，大容量電動機啟動對該電網壓降的影響不容小覷.同時，該地區計劃投入2 MW光伏電站，大容量電動機啟動也可能會影響光伏并網逆變器的低電壓保護設置.

本文基于電動機啟動理論，對該孤立電網大容量電動機的不同啟動方法進行了仿真，并對光伏電站的投入運行提出了可行性建議.

1 電動機啟動理論

當供電變壓器的容量較小，而輸電線路較長時，過大的啟動電流將產生較大的電壓降，從而影響同一電網中其他電氣設備的正常工作.因此，電動機啟動時，一方面希望能產生足夠的啟動轉矩，以便帶動生產機械較快地達到額定轉速;另一方面又希望啟動電流不要太大，避免影響其他設備的運行.一臺普通的鼠籠式異步電機接至電網時，若不采用任何措施而直接啟動，則啟動電流較大，約為額定電流的5～7倍，且啟動轉矩并不按啟動電流的倍數增長，約為額定轉矩的1～2倍.為了改善啟動性能，降低啟動電流沖擊，常用的方法有降壓啟動和軟啟動兩種［2］.其中，降壓啟動法包括Y-Δ啟動法和自耦變壓器啟動法;軟啟動方法是指采用電力電子裝置進行變頻啟動，或者通過增加轉子回路中的電阻等方法改善啟動性能.

2 電網介紹

目前，國內大規模光伏電源并網的應用實踐還不多見，從系統運行的角度來研究光伏并網的影響也剛剛起步，文獻［3］在一個裝機容量為287 MW的電力系統中計算了光伏并網的最大允許安裝容量，其計算結果表明：當光伏容量占系統總裝機容量的3.6%時，光伏電站的出力擾動對系統沖擊作用的影響已較為明顯.因此，光伏接入孤立小電網后對其穩定運行的影響將遠遠超過對大電網的影響.

本文的研究對象為西部某孤立小電網，其主要電源是水電站和柴油發電廠，電網結構如圖1所示.

圖1 西部某孤立小電網結構

本電網中，水電站的裝機容量為6.4 MW（4 ×1.6 MW），柴油發電廠的裝機容量為10 MW（4 ×2.5 MW）.由于高原氣候條件限制，每臺柴油機冬季長期運行的最大出力為1.2 MW，夏季長期運行的最大出力為1.0 MW，短期運行的最大出力為1.6 MW.預計光伏一期2 MW投產后，該電網的電源總裝機容量將達到18.4 MW.因該地區光照資源豐富，實際研究中光伏最大出力取為2.4 MW.根據該地區電力公司的統計數據，2010年度最大負荷為4 300 kW，最小負荷為2 100 kW，35 kV母線側接有大容量電動機.

3 光伏電站低電壓耐受能力要求

《國家電網公司光伏電站接入電網技術規定（試行）》中，要求大中型光伏電站應具備一定的耐受電壓異常的能力，以避免在電網電壓異常時與電網脫離，從而引起電網電源的損失，其動作保護整定原理如圖2所示.當并網點電壓在電壓輪廓線（電壓折線）及以上的區域內時，光伏電站必須保證不間斷地并網運行;并網點電壓在輪廓線以下時，允許光伏電站停止向電網線路送電.

圖2 光伏電站的動作保護整定原理

在孤立電網中，按照該標準設置光伏逆變器的保護原則，當光伏實際輸出電壓與光伏額定電壓的比值為0.2～0.9時，延時2 s，保護器動作［4］.

4 仿真計算

運用ETAPPowerstation軟件對該孤立電網的大容量電動機啟動進行仿真，其中并網光伏模塊以倒送有功的等效負荷替代，電動機及其負載模型分別采用軟件自帶的有深槽效應的單籠電機和泵典型參數.

4.1 電動機直接啟動

仿真所建系統中，中心變壓器10 kV和35 kV母線側的負荷各為5 MW，水電站及柴油發電廠均為4臺機同時運行，光伏電站按最大出力2.4 MW全部投入.水泥廠的一臺600 kW電動機在仿真時間1 s直接啟動，其感應電機模型和負載模型見圖3.由于電動機在仿真時間1 s直接啟動，則啟動電流的最大值為額定電流的5.7倍，電機電流及35 kV母線側電壓的變化曲線見圖4.

由圖4 b可知，大容量電動機啟動過程中光伏電站35 kV母線側電壓最低為額定值的91.19%，不會引起光伏逆變器低電壓保護動作.

圖3 感應電機模型與負載模型

圖4 電動機直接啟動時的電機電流曲線及35 kV母線側電壓的變化曲線

需要說明的是，本仿真結果并不等同于實際情況，因為這里所用的電動機類型、參數和啟動方式等條件可能會與實際使用的電動機有較大差別.若電動機啟動過程中光伏逆變器低電壓保護動作導致光伏電站退出運行，會嚴重影響電網的安全穩定運行.

4.2 電動機軟啟動

由于軟啟動具有較好的啟動特性和限制啟動電流的功能，因而能夠整定電動機啟動時的最高電流限定值，減小對設備的沖擊，降低母線電壓的下降程度，從而提高系統運行的穩定性.特別是對一些較小系統中需要采用降壓啟動的設備，其效果更明顯.由于軟啟動的起停時間可調，對一般的設備能夠實現平穩起停，因此對提高設備的穩定性，減輕對電動機及被拖動設備的沖擊都有一定的作用［5］.雖然軟啟動能夠有效改善啟動電流［6］，但由于其只能對電源電壓進行控制，因而仍屬于降壓啟動的范疇.電動機供電電壓的降低意味著轉矩成平方倍數的下降，因此軟啟動僅適用于啟動轉矩小或輕載啟動的場合.

在仿真過程中，設置軟啟動條件為：電流限制為300%;在2～20 s，負荷從60%到100%以斜坡上升.此時，光伏電站35 kV母線側電壓變化如圖5所示.

圖5 軟啟動時35 kV母線側電壓變化曲線

圖5中，最低電壓為額定值的94.08%，與電動機直接啟動情況下的91.19%相比有較大提高.

5 結論

（1）雖然大容量電動機的啟動沒有造成孤立小電網的失穩，但其直接啟動時電流較大，會給電網帶來很大的沖擊，因此需要考慮采用一些措施來降低電動機啟動對電網造成的影響.

（2）建議在光伏電站投入運行前，進行電動機啟動實驗，以確切了解電動機啟動時光伏母線的電壓降，并根據實際測得的電壓降來設定光伏逆變器低電壓保護的整定值，使大容量電動機啟動時光伏逆變器低電壓保護不動作;或者采取措施，使電動機啟動過程中光伏電站的端電壓不會大幅下降到其逆變器低電壓保護電壓定值以下.

［1］王宏生，張建國，張建軍.電動機起動對電網電能質量的影響［J］.電氣技術，2007（9）：45-47.

［2］翁利民，陳允平，張莉.電壓波動與異步電動機起動方式的改進［J］.電機技術，2004（3）：27-30.

［3］王一波，李晶，許洪華，等.考慮電網安全穩定約束的光伏電站最大安裝容量計算與分析［J］.太陽能學報，2008，29（8）：971-975.

［4］靳希，張菲菲，王曉峰，等.大容量光伏發電接入對孤立電網穩定性的影響［J］.上海電力學院學報，2011，27（5）：485-489.

［5］胡虔生，胡敏強.電機學［M］.北京：中國電力出版社，2005：175-181.

［6］林輝.異步電動機的軟起動技術［J］.電機技術，2010（3）： 32-34.

（編輯白林雪）