高壓大容量同步電動機啟動的應用研究*

閆 璐 郭昆麗 王軍輝

(1.西安工程大學電子信息學院 西安 710048)(2.陜西省水利電力勘測設計研究院 西安 710001)

高壓大容量同步電動機啟動的應用研究*

閆 璐1郭昆麗1王軍輝2

(1.西安工程大學電子信息學院 西安 710048)(2.陜西省水利電力勘測設計研究院 西安 710001)

以陜西省黃金峽水利樞紐工程7臺13.8KV/18.5MW同步電動機為案例。依據(jù)高壓同步電動機啟動要求,對泵站不同啟動方式進行計算,分析對系統(tǒng)母線的影響,在Matlab中對黃金峽泵站18.5MW同步電動機靜止變頻器啟動過程進行建模仿真,得到系統(tǒng)啟動過程中主要物理量的變化曲線,為黃金峽泵站啟動方式的選擇提供理論依據(jù)。

同步電動機; 變頻啟動; Matlab仿真

Class Number TN60

1 引言

高壓大容量同步電動機啟動時會產(chǎn)生較大的沖擊電流,造成供電系統(tǒng)各級母線電壓降低,影響電氣設備的正常運行,嚴重情況下會影響系統(tǒng)穩(wěn)定性[1]。

大容量同步電動機啟動方式有三大類[2～4]:

1) 輔助電動機法,又稱旋轉變頻軟啟動,這種啟動方式投資大、不經(jīng)濟、占地面積大,不適合帶負載起動,個別用于起動同步補償機。

2) 變頻啟動法,這種啟動方式過程靈活性、起動功率因數(shù)高、一次起動成功性及可重復性高、對電網(wǎng)的沖擊小、操作檢修方便。

3) 異步啟動與籠形電動機的起動過程完全一樣,包括直接啟動和降壓啟動以及星-三角形啟動。對電網(wǎng)沖擊大,但啟動操作簡單。

本文以黃金峽水利樞紐工程中13.8kV/18.5MW的高壓大容量同步電動機為研究對象,該工程建設任務以供水為主,兼顧發(fā)電,裝有3臺40MW水輪發(fā)電機,安裝7臺(6用1備)立式、單級、單吸離心泵機組,泵站電動機選配13.8kV/18.5MW的高壓大容量同步電動機。系統(tǒng)由洋縣330kV變電所引出兩回110kV線路供電,系統(tǒng)主接線圖如圖1所示。泵站電動機母線上連接有電站廠用、泵站站用變壓器,并對站內(nèi)輔助機械動力系統(tǒng)、保護控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等設備進行供電,這些設備允許的電壓波動范圍大多數(shù)為±10%[5],如果母線波動較大,將會引起這些設備運行異常,對安全運行產(chǎn)生影響,因此同步電機采用合適的啟動方式尤為重要。

圖1 黃金峽泵站、電站主接線圖

圖1 中,110kV線路參數(shù):2×LGJ-2×300；站用主變壓器參數(shù)S=63MVA,Uk=10.5%,電壓115±8×1.25%/13.8kV；同步電動機參數(shù)P=18.5MW,Ue=13.8kV,cosφ=0.95(超前),Xd"=16.7%；發(fā)電機參數(shù):P=40MW,Ue=13.8kV,cosφ=0.85,ne=187.5r/min。

2 泵站不同啟動方式的比較研究

2.1 全壓起動方式

水泵電動機屬于輕載啟動,根據(jù)泵站規(guī)程規(guī)范要求,同步電動機啟動應優(yōu)先采用全壓啟動[5],并計算母線電壓降是否超過額定電壓的15%,如若超過則采用變頻啟動方式[7]。

110kV母線阻抗:

泵站主變壓器阻抗:

同步電動機阻抗:

黃金峽水利樞紐工程在供電系統(tǒng)近期和遠期最小運行方式,即電站不運行,一臺主變壓器帶一臺電動機機計算全壓啟動各級母線壓降。啟動等值阻抗圖如圖2所示。

圖2中的0.0244和0.0171分別為近期和遠期最小運行方式時洋縣330kV變電站所帶負荷的阻抗。所以兩種情況下的等值阻抗分別為

0.86+0.1667+0.1=1.1267
1.1267//1.333=0.61

近期最小方式:0.61+0.0356+0.0244=0.67。

遠期最小方式:0.61+0.0356+0.0171=0.6627。

近期最小運行方式時壓降:

1) 洋縣110kV母線

2) 黃金峽變110kV母線

3) 13.8kV電動機母線

遠期最小運行方式時壓降:

1) 洋縣110kV母線

2) 黃金峽變110kV母線

3) 13.8kV電動機母線

通過以上計算結果可知,近期及遠期規(guī)劃,在系統(tǒng)最小運行方式下,泵站電動機母線電壓在 0.729～0.737 范圍內(nèi)變化,啟動電壓能滿足克服水泵機組所需的最低啟動電壓要求,但由于其母線上連接電站及泵站內(nèi)輔助機械動力系統(tǒng)、保護控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等設備進行供電,這些設備允許的電壓波動范圍大多數(shù)為±10%,所以不滿足要求；黃金峽泵站近期全壓直接啟動將使洋縣330kV變電所的110kV母線電壓降至0.91倍的額定電壓,遠期將使洋縣110kV母線電壓最大降至額定電壓的0.92倍,對系統(tǒng)有沖擊。

2.1.1 電動機自啟動電壓校驗

單臺電動機自啟動校驗,廠用電動機在啟動開始瞬間高壓廠用母線電壓為

(1)

高壓廠用變壓器供電的電源視為無窮大電源,即電源母線電壓標么值U*0,采用有載調(diào)壓變壓器時取1.1,以變壓器容量為基準值,各元件參數(shù)均有標么值表示。由式(1)算出廠用母線電壓標么值不應低于自啟動要求的廠用母線最低電壓值,方能保證電動機順利啟動[8]。

表1 電動機自啟動要求得廠用母線最低電壓

注:對于高壓廠用母線,失壓或空載自啟動電壓去上限值,帶負荷自啟動電壓去下限值。

將參數(shù)代入式(1)得

不滿足要求,所以全壓啟動不可行,建議采用變頻啟動。

2.2 變頻啟動方式

用2臺變頻器分別啟動7臺水泵機組,此方案一次性投資少,兩臺變頻啟動器互為備用,可以分別實現(xiàn)任意一臺水泵機組的軟啟和軟停。根據(jù)電壓等級要求,變頻器容量應為9.0MW,額定電壓為13.8kV。這種軟起動方式是采用電力半導體功率器件,通過同時調(diào)節(jié)頻率和電壓來進行調(diào)速的。其工作原理是通過功率器件的有序開關,形成各種頻率和電壓的 PWM(脈寬調(diào)制)電壓波形,施加于電機端。起動過程中,頻率改變的同時,保證電機磁通近似不變,即電壓頻率之比為常數(shù)。當電機達到額定轉速后,自動進行并網(wǎng),將電機切換到工頻電網(wǎng)恒速運行[8]。由于靜止變頻器(SFC)維護方便,控制性能優(yōu)良,起動轉矩大,沖擊電流小(不超過電機額定電流),輸出波形質(zhì)量高,對電網(wǎng)污染小起動和并網(wǎng)時間很短,且廣泛應用于大容量同步電動機中,所以本文選擇9MW靜止變頻器進行仿真。SFC主回路選交-直-交電流源型變頻器,如圖3所示。

圖3 變頻軟啟動裝置原理圖

主回路由整流變壓器、晶閘管整流電路、直流電抗器、晶閘管逆變器、交流電抗器、勵磁系統(tǒng)及同步電動機組成。

3 電動機啟動仿真和分析

3.1 變頻器啟動過程仿真

本文在Matlab建立變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型,如圖4所示。包括交-直-交電流型負載換相變頻器、同步電動機、轉子位置檢測及控制單元,轉子位置檢測由同步電動機模塊自帶測量模塊實現(xiàn)。此外,控制系統(tǒng)根據(jù)電機測量端口提供的轉子位置角θ實現(xiàn)逆變橋晶閘管的超前角γ0控制[10]。

由同步電動機數(shù)學模型[11]可知強迫換流時定子繞組電流波形和自然換流是定子繞組電流波形如圖5、6所示。

文中采用的變頻器為交-直-交電流型變頻器,在啟動過程中定子繞組電流和轉子電壓為已知量,轉子電流、定子端電壓和轉速ω為未知量。定子端電壓可由轉子電流和轉速ω求得。啟動過程仿真流程圖如圖6所示。

圖4 靜止變頻調(diào)速系統(tǒng)Matlab仿真模型

圖5 強迫換流時定子繞組電流波形

圖6 自然換流時定子繞組電流波形

3.2 仿真結果與分析

在同步電機剛啟動時,由于反電動勢為零而不能進行可靠的自然換流,所以必須采用其它的換流方式,其中最簡單、經(jīng)濟的辦法是采用強迫換流法,即在換流時,使逆變器的輸入電流為零后自行關斷,將整流橋晶閘管拉入逆變狀態(tài)[12]。變頻啟動采用電流型變頻器,平波電抗器值相對比較大,實踐中為了加快換流過程,在濾波電感兩端并聯(lián)續(xù)流晶閘管[13]。強迫換流階段同步電動機轉速、母線電流、A相定子繞組電壓波形和定子電流波形分別如圖8～11所示。

圖7 變頻器啟動數(shù)字仿真流程圖

從圖8中可以看出,斷續(xù)控制時,直流母線斷續(xù),幅值下降,電機依靠慣性繼續(xù)旋轉,直到下一組晶閘管導通才會產(chǎn)生新的轉矩,過渡過程平滑；從圖9中看出,當轉速n≥150r/min時,電流進入連續(xù)加速階段,直流母線基本恒定,即電機進入同步狀態(tài),泵站電動機能正常運行。從圖11定子電流波形看出,其輸出波形與強迫換流階段定子電流理想波形(圖5)變化趨勢相同。當電動機的轉速升至10%額定轉速時,定子繞組感應電勢足以供給逆變器實現(xiàn)負載換流,此階段為自然換流階段。在自然換相階段的一周期內(nèi),A相陰極組、陽極組中兩個晶閘管分別導通一次,每一晶閘管導通時間約為120°的電角度,由于換流重疊角的影響,晶閘管不能立即關斷,圖10中的電壓波形在啟動初期呈現(xiàn)的非規(guī)律變化就是由于是從強迫換流過渡而來的緣故。從圖9看出,整個啟動過程中,定子電流波動范圍較小,從而對配電系統(tǒng)母線電壓的影響較小。換相過渡階段和電動機牽入同步過程對定子電壓有一定的影響。從以上仿真結果看出,大容量同步電動機采用變頻器方式時,啟動過程平滑、啟動電流較小、對電網(wǎng)的沖擊也較小,因此具有良好的啟動性能。

圖8 啟動過程轉速變化波形

圖9 啟動過程母線電流波形

圖10 啟動初期定子繞組A相電壓波形

圖11 強迫換流階段定子電流波形

4 結語

黃金峽泵站13.8kV/18.5MW高壓大容量同步電動機采用變頻啟動能滿足啟動要求,且啟動平緩對電網(wǎng)沖擊小。通過對啟動方式的建模仿真進一步確認了變頻啟動的可行性,對實際工程有一定的指導意義。

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Application Research of High Voltage and Large Capacity When Synchronous Motor Starting

YAN Lu1GUO Kunli1WANG Junhui2

(1. School of Electronics and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048) (2. Shaanxi Province Water Conservancy Electric Power Survey Design Snstitute, Xi’an 710001)

Synchronous motors of shaanxi pumping irrigation project — Huangjinxia pumping stations (7×18.5MW 13.8 kV) are taken as the research object.In accordance with the startup request of high voltage synchronous motor ,different starting ways of pumping station are calculated. Then and the influence of system is analyzed and evaluated. The feasible advice for the synchronous motor starting method is proposed, according to the results and actual project requirements, static freguency converter starting proces is modeled and simulated susing Matlab.

synchronous motor, freguency converter, Matlab simulation

2016年9月12日,

2016年10月14日

閆璐,女,碩士研究生,研究方向:電力系統(tǒng)分析。郭昆麗,女,副教授,研究方向:電力系統(tǒng)分析與運行。王軍輝,男,高級工程師,研究方向:水利電力系統(tǒng)研究工作。

TN60

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.034