胡耀寧，葉 鵬，何 淼，張芊里，郭 帥，董環(huán)宇

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.電力學(xué)院；b.信息學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

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動(dòng)態(tài)無(wú)功在電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的補(bǔ)償作用研究

胡耀寧a，葉 鵬a，何 淼b，張芊里a，郭 帥a，董環(huán)宇a

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.電力學(xué)院；b.信息學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，造成電網(wǎng)的電壓降落，尤其對(duì)于小電網(wǎng)或孤立電網(wǎng)，壓降更為嚴(yán)重。對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功在電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的補(bǔ)償作用進(jìn)行研究，在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD環(huán)境中，建立了包含孤立電網(wǎng)、電廠輔機(jī)以及動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)仿真模型。在不同工況下，對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功在電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的補(bǔ)償作用進(jìn)行了研究和分析。結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置可以有效地抑制電廠輔機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程的電壓降落。

電廠輔機(jī)；動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償；電磁暫態(tài)仿真

在電力系統(tǒng)中，無(wú)功功率與電網(wǎng)電壓緊密相連，無(wú)功功率的不平衡將會(huì)引起系統(tǒng)壓降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞以及系統(tǒng)解列。電廠輔機(jī)多為大容量異步電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)時(shí)需要從電網(wǎng)吸收較多無(wú)功功率來(lái)建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)從而帶動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)[1]。電廠輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流為其額定電流的5～7倍，會(huì)引起較大的電網(wǎng)壓降以及敏感控制器的誤動(dòng)作[2]。電壓過(guò)低很有可能導(dǎo)致大電機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)，甚至損壞[3]。對(duì)于小電網(wǎng)或孤立電網(wǎng)，系統(tǒng)的電壓控制能力低，電廠輔機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響和破壞力更大，該問(wèn)題已經(jīng)成為制約現(xiàn)代電網(wǎng)孤立運(yùn)行或小規(guī)模運(yùn)行的關(guān)鍵因素。為此，研究動(dòng)態(tài)無(wú)功在電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的補(bǔ)償作用，提升電網(wǎng)電壓穩(wěn)定運(yùn)行水平對(duì)現(xiàn)代電網(wǎng)的運(yùn)行和控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了一系列的研究分析，文獻(xiàn)[4]提及了一些用電設(shè)備尤其是大容量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)引起電網(wǎng)電壓的暫降。文獻(xiàn)[5]首先研究了感性和容性負(fù)荷投入電網(wǎng)后對(duì)電壓的影響，并通過(guò)仿真研究了異步電機(jī)空載啟動(dòng)、半載啟動(dòng)和滿(mǎn)載啟動(dòng)三種啟動(dòng)方式對(duì)電壓暫降的情況分析，最后得出空載啟動(dòng)時(shí)電壓暫降最為嚴(yán)重的結(jié)論。文獻(xiàn)[6]在電廠的大型輔機(jī)啟動(dòng)中加入無(wú)功補(bǔ)償，可減少大型輔機(jī)的啟動(dòng)電流，降低電壓損耗，改變電動(dòng)機(jī)處的運(yùn)行電壓。由上述研究可見(jiàn)，在輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中有必要并入無(wú)功補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償輔機(jī)啟動(dòng)所消耗的無(wú)功功率，減小啟動(dòng)電流，提高電網(wǎng)電壓。隨著動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置在電網(wǎng)中的大量應(yīng)用和不斷成熟，動(dòng)態(tài)無(wú)功在電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的補(bǔ)償作用有待于進(jìn)一步深入研究。

基于電磁暫態(tài)仿真軟件，對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功在電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的補(bǔ)償作用進(jìn)行研究。在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD環(huán)境中，建立了包含孤立電網(wǎng)、電廠輔機(jī)以及動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的動(dòng)態(tài)仿真模型。在不同工況下，對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功在電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的補(bǔ)償作用進(jìn)行了研究和分析，為電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的無(wú)功補(bǔ)償方法提供了理論依據(jù)以及可行性的建議。

1 電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程分析

電廠輔機(jī)為大容量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，是電網(wǎng)中負(fù)荷的重要組成部分。在啟動(dòng)過(guò)程中，需要消耗較多的無(wú)功功率來(lái)建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，完成輔機(jī)的啟動(dòng)。在此過(guò)程中，消耗的無(wú)功功率和產(chǎn)生較大沖擊電流將會(huì)引起電網(wǎng)電壓暫降，危及電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)地介紹了直接全壓?jiǎn)?dòng)、定子回路串電抗器減壓?jiǎn)?dòng)、自耦變壓器降壓?jiǎn)?dòng)、以小拖大啟動(dòng)以及軟啟動(dòng)等方法，綜合得出全啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響最大，故這里在全壓?jiǎn)?dòng)方式下研究動(dòng)態(tài)無(wú)功在電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的補(bǔ)償作用。

1.1 輔機(jī)啟動(dòng)原理

輔機(jī)大多為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，輔機(jī)的“T”型等效電路如圖1所示。

圖1 輔機(jī)“T”型等效電路

在電廠輔機(jī)并網(wǎng)的瞬間，輔機(jī)的轉(zhuǎn)速n=0，轉(zhuǎn)差率S=1。此時(shí)，電廠輔機(jī)相當(dāng)于三相短路，短路阻抗為Zk，流經(jīng)它的靜態(tài)電流即為輔機(jī)的啟動(dòng)電流。依據(jù)電廠輔機(jī)的“T”型等效電路，并且忽略激磁電流Im＇，可得啟動(dòng)電流為

由啟動(dòng)電流計(jì)算公式可得，在額定電壓下采用直接全壓?jiǎn)?dòng)的方式，啟動(dòng)電流的大小只與短路阻抗有關(guān)。然而電廠輔機(jī)的短路阻抗很小，若不采用任何措施而直接啟動(dòng)，則啟動(dòng)電流將會(huì)很大。

1.2 沖擊電流特性分析

基于電廠輔機(jī)固有的機(jī)械特性分析可得到，若在額定電壓下直接啟動(dòng)感應(yīng)電機(jī)，由于最初啟動(dòng)瞬間的主磁通約減少到額定值的一半，外加功率因數(shù)又很低，從而導(dǎo)致啟動(dòng)電流較大，約為額定電流的5～7倍，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不按啟動(dòng)電流的倍數(shù)增長(zhǎng)，約為額定轉(zhuǎn)矩的1～2倍[8]。沖擊電流隨輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的變化如圖2所示。

圖2 輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流

由圖2可知，在輔機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，將會(huì)產(chǎn)生很大的瞬時(shí)沖擊電流，其幅值瞬間升高，并以較高的電流幅值持續(xù)維持幾秒鐘，之后便迅速下降，最后穩(wěn)定在某一幅值。此過(guò)程中，沖擊電流約為額定電流的5～7倍，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊的同時(shí)，還會(huì)引起系統(tǒng)電壓的下降，影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

2 電網(wǎng)系統(tǒng)仿真平臺(tái)建立

電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD是一種用戶(hù)可以在圖形環(huán)境中搭建仿真電路、運(yùn)行、分析和處理數(shù)據(jù)的一種電力系統(tǒng)科研應(yīng)用軟件，并且得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的一致認(rèn)可，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。該軟件不但可以進(jìn)行電力電子器件的仿真，還可以分析和研究交直流電力系統(tǒng)的問(wèn)題，同時(shí)具有非線(xiàn)性控制等多功能集于一體的仿真軟件。

2.1 發(fā)電機(jī)系統(tǒng)仿真模型的建立

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)在PSCAD建模的過(guò)程中，發(fā)電機(jī)選用同步機(jī)，包括發(fā)電機(jī)主體、汽輪機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)和調(diào)速器。發(fā)電機(jī)以及調(diào)速器的搭建模型如圖3所示。

由圖3可知，與發(fā)電機(jī)相連的端子g1是與外電路相連的三相電氣量，在提供機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm和勵(lì)磁電壓Ef的同時(shí)，還可以輸出電磁轉(zhuǎn)矩、機(jī)械轉(zhuǎn)矩、機(jī)端電壓、勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)速。

圖3 發(fā)電機(jī)以及調(diào)速器的搭建模型

2.2 輔機(jī)系統(tǒng)仿真模型的建立

感應(yīng)電機(jī)是電力系統(tǒng)中不可或缺的重要負(fù)荷，同時(shí)也是所研究的重點(diǎn)。負(fù)荷分為兩種：一種是母線(xiàn)所帶的等效負(fù)荷，稱(chēng)之為固定負(fù)荷；另一種則是電廠輔機(jī)，對(duì)于此種負(fù)荷，在PSCAD中采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型，具體模型及控制方式如圖4所示。

圖4中，g1是電廠輔機(jī)轉(zhuǎn)子的電氣結(jié)點(diǎn)，和外電網(wǎng)相連；W為轉(zhuǎn)速控制下的速度標(biāo)么值；S為控制開(kāi)關(guān)，S=0時(shí)，輔機(jī)處于轉(zhuǎn)矩控制模式下，S=1時(shí)，運(yùn)動(dòng)于速度控制的方式下。所選取的控制模式為：通過(guò)初始轉(zhuǎn)矩進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速恒定之后采用恒轉(zhuǎn)矩控制運(yùn)行，進(jìn)而完成輔機(jī)的啟動(dòng)過(guò)程。

2.3 STATCOM裝置仿真模型的建立

動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置是減小電網(wǎng)啟動(dòng)電流、抑制電壓暫降的重要裝置，對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行具有重要的意義。在PSCAD環(huán)境中搭建的具體模型如圖5所示。

由圖5可知，在仿真軟件PSCAD環(huán)境中，STATCOM模型中每相上、下橋臂都串一個(gè)由全控型器件與二極管反向并聯(lián)的模塊，并最后和一個(gè)電容并聯(lián)。此種模型能夠較好地模擬動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的功能特性。

圖4 輔機(jī)模型及控制方式

圖5 STATCOM裝置模型

在文獻(xiàn)[9]中，系統(tǒng)地介紹了靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)的原理結(jié)構(gòu)，并且建立了STATCOM的數(shù)學(xué)模型，提出了采用無(wú)功電流的控制策略。對(duì)于三相平衡系統(tǒng)而言，STATCOM裝置從電網(wǎng)吸收的有功只與電流的d軸分量有關(guān)，然而向電網(wǎng)注入的無(wú)功只和電流的q軸分量有關(guān)，故適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)無(wú)功電流的d、q軸分量，便能夠?qū)崿F(xiàn)STATCOM的有功和無(wú)功解耦控制，控制原理如圖6所示。

圖6中，Usref、Udcref為并入母線(xiàn)處電壓的參考值和電容電壓。通過(guò)電流內(nèi)環(huán)控制以及電壓外環(huán)控制，將得到的脈沖信號(hào)傳入到PWM發(fā)生器中，進(jìn)而可以對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置中全控型器件進(jìn)行導(dǎo)通、關(guān)斷的控制，從而讓換流器的交流側(cè)輸出一個(gè)等效可控的電壓源。通過(guò)對(duì)該電壓源相位、幅值的控制，可以實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功功率的交換。

圖6 基于d-q坐標(biāo)變換的電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制

2.4 其他模型的建立

對(duì)于輸電線(xiàn)路的建模，采用分布參數(shù)模型，即Bergeron模型，變壓器模型則采用三相二繞組的變壓器。

3 仿真結(jié)果分析

基于電力系統(tǒng)在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD模型的建立，對(duì)電網(wǎng)中大容量的電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)電壓的影響進(jìn)行仿真。對(duì)于小電網(wǎng)或孤立電網(wǎng)，系統(tǒng)的電壓控制能力低，電廠輔機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響和破壞力更大，故選取了一個(gè)孤立小電網(wǎng)為例，研究動(dòng)態(tài)無(wú)功在電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的補(bǔ)償作用。

3.1 電網(wǎng)仿真系統(tǒng)概況

以孤立小電網(wǎng)為例進(jìn)行研究分析，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中共有3臺(tái)火電機(jī)組，總裝機(jī)容量為900 MW，電網(wǎng)中的總負(fù)荷為300 MW。1#機(jī)組和2#機(jī)組為正常運(yùn)行機(jī)組，3#機(jī)組為待啟動(dòng)機(jī)組，3#機(jī)組出口母線(xiàn)經(jīng)降壓變壓器與輔機(jī)供電母線(xiàn)相連接。該地區(qū)電網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2 輔機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響

在輔機(jī)母線(xiàn)側(cè)，并入初始時(shí)刻斷開(kāi)的斷路器，動(dòng)作時(shí)間為2 s。斷路器未閉合時(shí)，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)動(dòng)作之后，相當(dāng)于將電廠輔機(jī)接入孤網(wǎng)啟動(dòng)。輔機(jī)啟動(dòng)方式選擇全壓?jiǎn)?dòng)，啟動(dòng)時(shí)采用初始轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)速控制方式，在轉(zhuǎn)速達(dá)到恒定之后，再采用轉(zhuǎn)矩控制的方式運(yùn)行，在仿真軟件PSCAD建模過(guò)程中，單臺(tái)電動(dòng)機(jī)容量取4 MW。

在電廠輔機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，各個(gè)母線(xiàn)處電壓的變化狀況如圖8所示。

圖7 電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖8 各母線(xiàn)處電壓變化狀況

由圖8可知，輔機(jī)在啟動(dòng)的瞬間，電網(wǎng)中各個(gè)母線(xiàn)電壓瞬間跌落，在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)參與電壓調(diào)節(jié)的情況下，電網(wǎng)電壓逐漸回升，最終穩(wěn)定在低于正常母線(xiàn)電壓水平的條件下運(yùn)行。在電網(wǎng)中，尤其是小電網(wǎng)或孤立電網(wǎng)中，電廠輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)，將會(huì)引起各個(gè)母線(xiàn)不同程度的電壓暫降，并且距啟動(dòng)輔機(jī)電氣距離最近的6 kV母線(xiàn)，壓降最為嚴(yán)重，會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生很大的沖擊，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

3.3 動(dòng)態(tài)無(wú)功對(duì)電網(wǎng)的補(bǔ)償作用

通過(guò)上節(jié)對(duì)仿真結(jié)果的分析可知，在未加入動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置時(shí)，輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中會(huì)引起較大的電壓暫降，并且距啟動(dòng)輔機(jī)電氣距離越近，壓降就越為嚴(yán)重。為了保證電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行以及優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量，迫切需要在電力系統(tǒng)中并入動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，以改善因輔機(jī)啟動(dòng)而造成電網(wǎng)電壓暫降的問(wèn)題。

由于輔機(jī)啟動(dòng)消耗較大的無(wú)功功率，加之距輔機(jī)電氣距離最近的6 kV母線(xiàn)壓降尤為嚴(yán)重。因此將動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置并入6 kV母線(xiàn)處，為輔機(jī)提供所必須的無(wú)功功率。補(bǔ)償容量分別設(shè)置為4 Mvar、12 Mvar、21 Mvar以及30 Mvar等幾個(gè)等級(jí)，從而可以研究分析不同補(bǔ)償裝置容量對(duì)抑制6 kV母線(xiàn)電壓的影響。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同補(bǔ)償容量對(duì)6 kV母線(xiàn)的作用

由圖9可知，不同容量的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置對(duì)抑制電壓壓降的程度是不同的。隨著動(dòng)態(tài)補(bǔ)償容量的增大，抑制電壓壓降的效果也越為明顯，當(dāng)接近輔機(jī)沖擊容量時(shí)，抑制壓降的效果最為明顯，補(bǔ)償效果也最為理想。

4 結(jié) 論

電力系統(tǒng)中的電廠輔機(jī)在啟動(dòng)的過(guò)程中，將會(huì)消耗較大的無(wú)功功率，產(chǎn)生較大的沖擊電流，進(jìn)而引起電網(wǎng)電壓瞬間下降，電壓過(guò)低很有可能導(dǎo)致大容量電機(jī)無(wú)法正常啟動(dòng)，甚至損壞，更為嚴(yán)重的是導(dǎo)致電力系統(tǒng)失穩(wěn)，進(jìn)而解列。以一個(gè)孤立小電網(wǎng)為例，在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD環(huán)境中建立了一個(gè)仿真模型，對(duì)動(dòng)態(tài)無(wú)功在電廠輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的補(bǔ)償作用進(jìn)行了仿真研究與分析，具體結(jié)論如下：

1)電廠輔機(jī)在電網(wǎng)中直接啟動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓暫降，并且距輔機(jī)電氣距離越近的母線(xiàn)，電網(wǎng)壓降就越為嚴(yán)重。同時(shí)還會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生了很大的沖擊，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行以及供電質(zhì)量。

2)通過(guò)在仿真軟件PSCAD中建模、仿真運(yùn)行可知，在電廠輔機(jī)機(jī)端并入動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，可以有效的抑制輔機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的電網(wǎng)壓降。

3)在仿真軟件中，通過(guò)改變動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償容量可知，補(bǔ)償容量越大，抑制壓降的作用越明顯；當(dāng)補(bǔ)償容量接近輔機(jī)沖擊容量時(shí)，抑制壓降的效果最為理想。

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(責(zé)任編輯 佟金鍇 校對(duì) 張 凱)

Research on Compensation Effect of Dynamic Reactive Power During the Auxiliary Equipment Startup in Power Plant

HU Yao-ninga,YE Penga,HE Miaob,ZHANG Qian-lia,GUO Shuaia,DONG Huan-yua

(a.Institute of Electric Power; b.College of Information,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

During the auxiliary equipment startup in power plant,there will appear significant surge current that will cause considerable voltage dropping especially for the small grid or isolated power grid.In this paper,the compensation effect of dynamic reactive power during the startup of power plant auxiliary equipment is studied.By electromagnetic transient simulation software of PSCAD,a dynamic simulation model is established which contains isolated grids,power plant auxiliary and dynamic reactive power compensation device.Under various operation conditions,the compensation effect of dynamic reactive power is studied and analyzed.The results show that the dynamic reactive power compensation device can effectively suppress voltage drop during the startup.

Power plant auxiliary equipment; Dynamic reactive power compensation; Electromagnetic transient simulation

2015-06-01

胡耀寧(1990-)，男，河北石家莊人，碩士研究生。

葉 鵬(1974-)，男，吉林人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.013

TM743

A

1673-1603(2015)03-0250-05