李 楠，潘博聞，趙小禹

（1.華電電力科學(xué)研究院東北分院，遼寧 沈陽 110179；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

異步發(fā)電機的應(yīng)用及啟動過程的研究

李 楠1，潘博聞2，趙小禹2

（1.華電電力科學(xué)研究院東北分院，遼寧 沈陽 110179；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

針對異步發(fā)電機的固有特點及其運行特性，將其應(yīng)用于火力發(fā)電廠，通過在火力發(fā)電廠內(nèi)增設(shè)背壓發(fā)電機組以降低廠用電率，可降低火電廠運行成本，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟效益。通過實例分析異步發(fā)電機在火電企業(yè)中的應(yīng)用，對其存在的主要問題進行全面分析研究。

異步發(fā)電機；控制；啟動過程

異步發(fā)電機具有價格便宜、運行可靠、維護方便且無需提供單獨勵磁電源等優(yōu)點，適于作為針對可再生無污染能源進行發(fā)電的獨立電力系統(tǒng)中發(fā)電單元。大容量異步發(fā)電機必須與同步發(fā)電機并列運行或接入電網(wǎng)運行，由同步發(fā)電機或電網(wǎng)提供自身所需的勵磁無功，因此，異步發(fā)電機是電網(wǎng)的無功負載［1］。從原理上講異步發(fā)電機可借助于電容器孤立運行在自激勵狀態(tài)，但處于該運行狀態(tài)時，發(fā)電機調(diào)壓能力較弱，當發(fā)電機達到臨界負荷，將引起電壓崩潰［2］。對于火力發(fā)電企業(yè)的背壓式發(fā)電機組，由于系統(tǒng)無功容量充足，且異步發(fā)電機所帶負荷穩(wěn)定，電壓能保持恒定［3］。在異步發(fā)電系統(tǒng)中，可直接將異步發(fā)電機定子并接到系統(tǒng)中，以實現(xiàn)輸送電能，但異步發(fā)電機并網(wǎng)過程，轉(zhuǎn)速、負載及機端電壓將相互制約［4］。

1 異步發(fā)電機發(fā)電條件及數(shù)學(xué)模型

異步電機既可作為電動機運行，又可作為發(fā)電機運行，即異步電機的電動機運行狀態(tài)和發(fā)電機運行狀態(tài)可逆。如果將異步電機的負載去掉，改用原動機拖動，當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n上升到略大于n0時，轉(zhuǎn)差率s為負值，異步電機進入發(fā)電機運行狀態(tài)，來自原動機的機械能就轉(zhuǎn)化成電能向電網(wǎng)或負載輸送［5］。

1.1 異步電動機的數(shù)學(xué)模型

通過繞組折算及頻率折算可用1個靜止的轉(zhuǎn)子來代替旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子從而得到異步電機的等效電路，如圖1所示。折算前后轉(zhuǎn)子各種功率不變，主磁通不變，定子方各有關(guān)物理量不變，對電網(wǎng)等效［5］。

圖1 異步電動機的等效電路

式中?U1——電動機定子電壓；

?I1——電動機定子電流；

?I′2——電動機轉(zhuǎn)子電流折算值；

I0——勵磁電流；

Z1——定子繞組相漏阻抗；

Zm——勵磁阻抗；

?E1——定子繞組中的感應(yīng)電動勢；

?E′2——折算后轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢；

s——轉(zhuǎn)差率；

R′2——折算后轉(zhuǎn)子繞組電阻值；

X′2σ——折算后轉(zhuǎn)子漏電抗值。

1.2 異步發(fā)電機發(fā)電條件

將異步電動機定子三相繞組接入到電壓、頻率恒定的電網(wǎng)時，若用原動機把異步電動機轉(zhuǎn)子拖到超過同步轉(zhuǎn)速，即n＞n0，轉(zhuǎn)差率為負值，則異步電動機進入發(fā)電機狀態(tài)。來自原動機的機械功率在扣除各種損耗后，轉(zhuǎn)換成電功率送給電網(wǎng)，將機械能轉(zhuǎn)換為電能。

異步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型機端電壓變換為

對于自勵異步發(fā)電機機端電壓的建立是其穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，啟動時所需的電容值是發(fā)電機電壓建立的關(guān)鍵［6］。由于自勵異步發(fā)電機自身存在帶負載能力差的缺點，需要電容并聯(lián)補償?shù)姆椒▉矸€(wěn)定機端電壓，以提高負載能力［7］。

2 異步發(fā)電機的應(yīng)用

中電國際清河發(fā)電責任有限公司供熱改造背壓機組設(shè)計為2臺額定電壓為6 kV，額定功率為6 000 kVA的異步發(fā)電機，發(fā)電機組發(fā)出的電量直接并入首站6 kV系統(tǒng)母線，通過6 kV雙回路電源進線返回到廠用6 kV配電系統(tǒng)。首站電氣系統(tǒng)采用高壓6 kV雙回路進線、分段母線形式，雙回路進線分別來至1號機組和9號機組，每回路電源容量滿足首站內(nèi)所有運行設(shè)備的需要。

2.1 異步發(fā)電機的啟動方式

清河發(fā)電責任有限公司背壓機組電氣系統(tǒng)如圖2所示，主要由發(fā)電機、6 kV出口開關(guān)、水阻柜、星點啟動柜組成。

圖2 廠用異步發(fā)電機系統(tǒng)圖

發(fā)電機采用三相鼠籠式異步電動機，整個啟動過程主要分為2個階段，第1階段為發(fā)電機作為異步電動機運行，并判斷其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向是否與汽輪機轉(zhuǎn)向一致，在電動機啟動過程中，電動機經(jīng)水阻啟動柜降壓啟動，啟動結(jié)束后切換至星點柜方式運行。第2階段為機組整套啟動過程，先由汽輪機帶異步發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行沖轉(zhuǎn)，待轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近異步發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速3 000 r／min時（n0－n＜50 r／min），合上異步發(fā)電機出口開關(guān)，此時由異步電動機拖動原動機運行，帶運行穩(wěn)定后，通過汽輪機調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)汽輪機轉(zhuǎn)速，當發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時（n＞n0），異步發(fā)電機進入發(fā)電狀態(tài)，來自原動機的機械功率扣除各種損耗后，轉(zhuǎn)換成電功率送給電網(wǎng)，將機械能轉(zhuǎn)換成電能。

2.2 異步發(fā)電機經(jīng)水阻柜啟動存在的問題及改進方法

當s＝0，n＝n0，旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子靜止，電磁轉(zhuǎn)矩Tem＝0。

在機組整套啟動時，異步發(fā)電機串聯(lián)的水阻柜未退出運行，啟動過程與異步電動機啟動過程一致，但由于異步發(fā)電機啟動時其啟動電流接近0，不需要降壓啟動，其電磁轉(zhuǎn)矩也為0。而水阻柜在啟動過程中，不斷調(diào)節(jié)啟動電阻，導(dǎo)致發(fā)電機定子電流不斷變化，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不斷上升，轉(zhuǎn)差率及電磁轉(zhuǎn)矩隨之變化，由于汽輪機主汽門調(diào)節(jié)響應(yīng)速度不能控制發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，因此，汽機超速保護多次動作，主汽門關(guān)閉，導(dǎo)致機組跳機，無法到達機組整套啟動的要求。其啟動過程如圖3所示，啟動過程中發(fā)電機電流產(chǎn)生劇烈的波動。

圖3 異步發(fā)電機經(jīng)水阻設(shè)備啟動過程

在機組整套啟動時，需要通過二次回路的修改，手動合上發(fā)電機中性點開關(guān)，并退出水阻啟動柜運行。對比2種啟動方式，其啟動電流變化如圖4所示，圖4中發(fā)電機啟動過程電流平穩(wěn)。

3 結(jié)束語

針對異步發(fā)電機存在無功消耗較大且電壓不穩(wěn)定等的缺點，將其應(yīng)用于火力發(fā)電廠節(jié)能項目改造中。由于火力發(fā)電廠廠用電無功充足，滿足異步發(fā)電機運行的需求，且異步發(fā)電機投資較低，可降低整個機組廠用電率及煤耗，能取得較為可觀的經(jīng)濟效益。通過實例分析異步發(fā)電機在火力發(fā)電企業(yè)中應(yīng)用存在的問題，進行了現(xiàn)場試驗，并提出相應(yīng)的改進意見。

圖4 異步發(fā)電機直接啟動過程

［1］吳新振，王 祥，郝寬勝，等.異步發(fā)電機恒壓運行時機端無功補償功率［J］.清華大學(xué)學(xué)報，2007，47（1）：13－16.

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［3］王正風(fēng)，胡曉飛.發(fā)電機無功功率與電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行研究［J］.東北電力技術(shù)，2008，29（4）：15－16.

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［5］辜承林，陳喬夫，熊永前.電機學(xué)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010.

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［7］李 偉，王士偉，周家旭.自動電壓控制的關(guān)鍵技術(shù)淺析［J］.東北電力技術(shù)，2015，36（3）：22－23.

Study on Application and Starting Process of Asynchronous Generator

LI Nan1，PAN Bo?wen2，ZHAO Xiao?yu2
（1.Northeast Branch of Huadian Electric Power Research Institute，Shenyang，Liaoning 110179，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

According to inherent characteristics of asynchronous generator and its operational characteristics，adding pressure of gener?ating units reduces plant power consumption rate of application in thermal power enterprises.It can greatly reduce operating costs of thermal power enterprises and create considerable economic benefits.These problems are comprehensively studied by application of a?synchronous generator in thermal power enterprises.

Asynchronous generator；Control；Starting process

TM31

A

1004－7913（2016）08－0015－03

李 楠（1982—），男，碩士，工程師，從事發(fā)電廠繼電保護與自動裝置調(diào)試及相關(guān)技術(shù)工作。

2016－05－10）