靳希，沙旦華，張立峰，王曉峰，厲瑜，曹煒，張菲菲

（1.上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)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(chǎn)生較大的電流沖擊，將引起較明顯的電網(wǎng)壓降［1］.對于西部某孤立小電網(wǎng)，大容量電動機啟動對該電網(wǎng)壓降的影響不容小覷.同時，該地區(qū)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(wǎng)逆變器的低電壓保護(hù)設(shè)置.

本文基于電動機啟動理論，對該孤立電網(wǎng)大容量電動機的不同啟動方法進(jìn)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(dāng)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(chǎn)生較大的電壓降，從而影響同一電網(wǎng)中其他電氣設(shè)備的正常工作.因此，電動機啟動時，一方面希望能產(chǎn)生足夠的啟動轉(zhuǎn)矩，以便帶動生產(chǎn)機械較快地達(dá)到額定轉(zhuǎn)速;另一方面又希望啟動電流不要太大，避免影響其他設(shè)備的運行.一臺普通的鼠籠式異步電機接至電網(wǎng)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(zhuǎn)矩并不按啟動電流的倍數(shù)增長，約為額定轉(zhuǎn)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(jìn)行變頻啟動，或者通過增加轉(zhuǎn)子回路中的電阻等方法改善啟動性能.

2 電網(wǎng)介紹

目前，國內(nèi)大規(guī)模光伏電源并網(wǎng)的應(yīng)用實踐還不多見，從系統(tǒng)運行的角度來研究光伏并網(wǎng)的影響也剛剛起步，文獻(xiàn)［3］在一個裝機容量為287 MW的電力系統(tǒng)中計算了光伏并網(wǎng)的最大允許安裝容量，其計算結(jié)果表明：當(dāng)光伏容量占系統(tǒng)總裝機容量的3.6%時，光伏電站的出力擾動對系統(tǒng)沖擊作用的影響已較為明顯.因此，光伏接入孤立小電網(wǎng)后對其穩(wěn)定運行的影響將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對大電網(wǎng)的影響.

本文的研究對象為西部某孤立小電網(wǎng)，其主要電源是水電站和柴油發(fā)電廠，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 西部某孤立小電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本電網(wǎng)中，水電站的裝機容量為6.4 MW（4 ×1.6 MW），柴油發(fā)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(yù)計光伏一期2 MW投產(chǎn)后，該電網(wǎng)的電源總裝機容量將達(dá)到18.4 MW.因該地區(qū)光照資源豐富，實際研究中光伏最大出力取為2.4 MW.根據(jù)該地區(qū)電力公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2010年度最大負(fù)荷為4 300 kW，最小負(fù)荷為2 100 kW，35 kV母線側(cè)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(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（試行）》中，要求大中型光伏電站應(yīng)具備一定的耐受電壓異常的能力，以避免在電網(wǎng)電壓異常時與電網(wǎng)脫離，從而引起電網(wǎng)電源的損失，其動作保護(hù)整定原理如圖2所示.當(dāng)并網(wǎng)點電壓在電壓輪廓線（電壓折線）及以上的區(qū)域內(nèi)時，光伏電站必須保證不間斷地并網(wǎng)運行;并網(wǎng)點電壓在輪廓線以下時，允許光伏電站停止向電網(wǎng)線路送電.

圖2 光伏電站的動作保護(hù)整定原理

在孤立電網(wǎng)中，按照該標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置光伏逆變器的保護(hù)原則，當(dāng)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(hù)器動作［4］.

4 仿真計算

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

4.1 電動機直接啟動

仿真所建系統(tǒng)中，中心變壓器10 kV和35 kV母線側(cè)的負(fù)荷各為5 MW，水電站及柴油發(fā)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(yīng)電機模型和負(fù)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(cè)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(cè)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(hù)動作.

圖3 感應(yīng)電機模型與負(fù)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(cè)電壓的變化曲線

需要說明的是，本仿真結(jié)果并不等同于實際情況，因為這里所用的電動機類型、參數(shù)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(hù)動作導(dǎo)致光伏電站退出運行，會嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)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(shè)備的沖擊，降低母線電壓的下降程度，從而提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性.特別是對一些較小系統(tǒng)中需要采用降壓啟動的設(shè)備，其效果更明顯.由于軟啟動的起停時間可調(diào)，對一般的設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)起停，因此對提高設(shè)備的穩(wěn)定性，減輕對電動機及被拖動設(shè)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(jìn)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(zhuǎn)矩成平方倍數(shù)的下降，因此軟啟動僅適用于啟動轉(zhuǎn)矩小或輕載啟動的場合.

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

圖5 軟啟動時35 kV母線側(cè)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(jié)論

（1）雖然大容量電動機的啟動沒有造成孤立小電網(wǎng)的失穩(wěn)，但其直接啟動時電流較大，會給電網(wǎng)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(wǎng)造成的影響.

（2）建議在光伏電站投入運行前，進(jìn)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(jù)實際測得的電壓降來設(shè)定光伏逆變器低電壓保護(hù)的整定值，使大容量電動機啟動時光伏逆變器低電壓保護(hù)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(hù)電壓定值以下.

［1］王宏生，張建國，張建軍.電動機起動對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響［J］.電氣技術(shù)，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(jìn)［J］.電機技術(shù)，2004（3）：27-30.

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

［4］靳希，張菲菲，王曉峰，等.大容量光伏發(fā)電接入對孤立電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響［J］.上海電力學(xué)院學(xué)報，2011，27（5）：485-489.

［5］胡虔生，胡敏強.電機學(xué)［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(shù)［J］.電機技術(shù)，2010（3）： 32-34.

（編輯白林雪）