火電廠異步電機啟動電壓降落抑制

楊峻峰　付永生++高寧

摘 要：火電廠大功率異步電機采用全壓啟動時，啟動電流較大，造成電壓降落，影響火電廠輔助設備正常運行。為解決高壓異步電機啟動電壓降落的問題，文章采用實時動態調壓器，并通過MATLAB建立仿真模型，仿真結果證明此方法能有效抑制高壓電機引起的母線電壓跌落。

關鍵詞：異步電機；全壓啟動；電壓降落；實時動態調壓器

1 概述

火電廠發電機組運行需要大量輔助動力負荷，其中，高壓異步電動機是最重要的輔助性負荷之一，用于引風機及增風機的高壓異步電動機容量較大，啟動時會從電網吸收大量無功功率，引起電壓降落，從而影響母線上其它負荷及400V側負荷正常運行，嚴重的可能造成其它動力負荷繼電器脫扣，動力設備停運，另外，也可能造成某些控制器負荷工作停止或工作紊亂引起設備運行故障，最終造成發電機組無法正常工作[1]。

高壓異步電機由于啟動電流較大會造成電壓深度跌落影響電廠正常生產秩序，需要采取措施進行治理，又因電動機啟動電流主要是無功電流，因此，可以采用補償無功電流的方式抑制由于電機啟動造成的電壓跌落。補償無功電流的方式很多，而實時動態調壓器是一種新型的動態無功補償裝置，能夠跟隨無功負荷變化動態調節輸出無功，也能夠跟隨電壓設定值調節電壓，且實時動態調壓器占地小，損耗小，性價比高，已經在國內有典型應用。

2 異步電機啟動電壓降落

異步電機啟動時，啟動電流是額定電流的5～7倍且功率因數較低[2]。由公式1可知，由電源至負荷的電壓降落與電流流經線路的電阻及電抗有關，由于電流流經線路的電抗值遠大于線路電阻值，啟動電流大部分是無功電流且遠大于額定電流，因此，電機啟動時將會造成電源至負荷電壓大幅降落[3]。

由圖1所示，火電廠大型異步電機接于6kV系統，當電機啟動時，電流來自電網系統及發電機，流經變壓器、一次線纜到負荷端，由于流經的變壓器阻抗值較大，因此，啟動電流將會在流經路徑引起較大的電壓降落，造成在負荷端的電壓不足，影響電機的啟動及由于電壓降幅較大從而威脅其它負荷的正常運行[4]。

3 實時動態調壓器

3.1 實時動態調壓器的基本原理

實時動態調壓器以電壓源換流器（VSC）為核心，直流側采用直流電容器為儲能元件，依靠VSC將直流電壓轉換成與電網同頻率的交流電壓，通過一個連接電抗器或耦合變壓器并聯接入系統。實時動態調壓器的等效電路見圖2。

由于實時動態調壓器直流側電容器僅起電壓支撐作用，所以相對于SVC中的交流電容器容量要小得多。

實時動態調壓器與電網間的無功交換可以通過改變VSC交流輸出電壓來加以控制。通常VSC交流輸出電壓 與電網電壓 相位相同，如果Vs大于Vg，這時實時動態調壓器就向電網發出無功；如果Vs小于Vg，這時實時動態調壓器就從電網吸收無功。如果Vs等于Vg，那么無功交換為零。更進一步，由于直流下無功功率被定義為零，因此直流支撐電容作為VSC的輸入是不提供無功的。VSC僅僅將交流側三相端子通過一定的開關邏輯連接起來，在各相間建立了一種循環的無功功率交換，所以無功是在VSC內部產生的。實際運行時，應考慮直流電容器、VSC、耦合變壓器或連接電抗器的損耗，可以將實時動態調壓器等效成內阻抗為R+jX、內電勢幅值為Vs的同步發電機。穩態時，忽略高次諧波的影響，并假設直流電容電壓Vdc恒定，且Vs>Vg，則實時動態調壓器的工作狀況可以用圖3所示的相量圖來描述。

由公式2可見，穩態時實時動態調壓器總是從系統吸收有功功率，而向系統注入的無功功率僅依賴于系統電壓與實時動態調壓器輸出電壓之間的夾角？啄。通過調節？啄，可以得到大范圍的無功輸出響應。

3.2 實時動態調壓器控制

實時動態調壓器的控制是把三相靜止對稱坐標系經過旋轉坐標變換轉換到同步旋轉坐標系dq下，簡化了控制系統設計。建立實時動態調壓器在abc坐標系下以iab、ibc、ica為狀態變量的狀態方程為

式中，？棕為電網電壓的基波角頻率，isd和isq為換流鏈電流在dq坐標系下的d、q軸分量，vgd和vsd分別是電網電壓和換流鏈輸出電壓經dq坐標變換后的d軸分量，同理vgq和vsq為q軸分量。

對式（5）進行拉普拉斯變換，得到S域方程為

從圖4可以看到，有功電流igd和無功電流isq之間通過緩沖電抗互相耦合，有功電流isd的變化會引起無功電流isq的變化，同理，無功電流isq也會引起有功電流isd的變化，這不利于控制。

為實現isd與isq的解耦控制，設計如下控制規律

鏈式電壓源換流器可以等效為傳遞函數為1的環節，即認為V*sd=Vsd，V*sq=Vsq。實時動態調壓器統一電流控制框圖見5。

4 仿真分析

根據被提供的火電廠大型電機6kV、5500kW電機參數及系統參數，對異步電機供電建立了仿真模型，圖6為基于MATLAB的仿真模型，仿真根據實際啟動方式，采用全壓啟動。

圖7～圖10是無實時動態調壓器時，異步電機啟動時的仿真結果，從圖中可看到，當電機啟動時間較長，轉速達到其額定轉速大約28S，啟動時電流較大，母線電壓峰值從8500V跌落到7200V左右，降幅達到16%。

通過對比有無實時動態調壓器的仿真結果，可知采用實時動態調壓器能夠有效降低電機轉速從零轉速達到額定轉速的時間，能夠有效抑制電機啟動時引起的電壓降落，能夠改善母線上其它負荷安全工作電氣環境。

圖11～圖14是有實時動態調壓器時，異步電機啟動的仿真結果，從圖中可看到，電機啟動時間比無實時動態調壓器時的啟動時間縮短，轉速達到其額定轉速大約22S，母線電壓峰值僅從8500V跌落到8000V，降幅僅6%，仿真為理想補償下，實際實時動態調壓器補償時，電壓從8500V跌落還需要延遲5～10ms，電壓恢復到8000V。

5 結束語

文章分析了高壓異步電機啟動引起的電壓跌落的機理，將實時動態調壓器應用于異步電機的全壓啟動中，通過對基于實時動態調壓器的異步電機全壓啟動進行仿真，驗證了此方法的正確性，同時說明了此方法能抑制電機啟動時引起的電壓降落，而且可以縮短異步電機啟動時間，火電廠大型異步電機全壓啟動時配置動態調壓器將會有效抑制母線電壓降落，降低廠內輔助設備由于電壓降低停止工作的風險，提高了火電廠設備運行的可靠性，確保了電廠安全生產。

參考文獻

[1]楊振祥.異步電動機起動時母線電壓的計算[J].華北石油設計，1998（1）：19-22.

[2]翟慶志，李艷軍.電機學[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3]劉劍鋒.大型高壓電機啟動方式選擇[J].甘肅科技.2010，26（23）：69-72.

[4]裴雷，樊燁. 電動機全壓起動的討論及計算[J]. 電氣應用，2014（16）：28-31.

[5]王成元，夏加寬，孫宜標.現代電機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2009.

作者簡介：楊峻峰（1982-），男，本科學歷，工程師，研究方向：繼電保護及勵磁技術。

付永生（1974-），男，工學碩士，高級工程師， 研究方向：電能質量治理及電力電子裝置研究與開發。

高寧（1989-），女，工學碩士，助理工程師，研究方向：電力電子裝置研究與開發。