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        火電廠異步電機(jī)啟動(dòng)電壓降落抑制

        2016-12-23 10:13:33楊峻峰付永生高寧
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年34期
        關(guān)鍵詞:異步電機(jī)

        楊峻峰 付永生++高寧

        摘 要:火電廠大功率異步電機(jī)采用全壓啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)電流較大,造成電壓降落,影響火電廠輔助設(shè)備正常運(yùn)行。為解決高壓異步電機(jī)啟動(dòng)電壓降落的問題,文章采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器,并通過MATLAB建立仿真模型,仿真結(jié)果證明此方法能有效抑制高壓電機(jī)引起的母線電壓跌落。

        關(guān)鍵詞:異步電機(jī);全壓啟動(dòng);電壓降落;實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器

        1 概述

        火電廠發(fā)電機(jī)組運(yùn)行需要大量輔助動(dòng)力負(fù)荷,其中,高壓異步電動(dòng)機(jī)是最重要的輔助性負(fù)荷之一,用于引風(fēng)機(jī)及增風(fēng)機(jī)的高壓異步電動(dòng)機(jī)容量較大,啟動(dòng)時(shí)會(huì)從電網(wǎng)吸收大量無功功率,引起電壓降落,從而影響母線上其它負(fù)荷及400V側(cè)負(fù)荷正常運(yùn)行,嚴(yán)重的可能造成其它動(dòng)力負(fù)荷繼電器脫扣,動(dòng)力設(shè)備停運(yùn),另外,也可能造成某些控制器負(fù)荷工作停止或工作紊亂引起設(shè)備運(yùn)行故障,最終造成發(fā)電機(jī)組無法正常工作[1]。

        高壓異步電機(jī)由于啟動(dòng)電流較大會(huì)造成電壓深度跌落影響電廠正常生產(chǎn)秩序,需要采取措施進(jìn)行治理,又因電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流主要是無功電流,因此,可以采用補(bǔ)償無功電流的方式抑制由于電機(jī)啟動(dòng)造成的電壓跌落。補(bǔ)償無功電流的方式很多,而實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器是一種新型的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置,能夠跟隨無功負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出無功,也能夠跟隨電壓設(shè)定值調(diào)節(jié)電壓,且實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器占地小,損耗小,性價(jià)比高,已經(jīng)在國內(nèi)有典型應(yīng)用。

        2 異步電機(jī)啟動(dòng)電壓降落

        異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí),啟動(dòng)電流是額定電流的5~7倍且功率因數(shù)較低[2]。由公式1可知,由電源至負(fù)荷的電壓降落與電流流經(jīng)線路的電阻及電抗有關(guān),由于電流流經(jīng)線路的電抗值遠(yuǎn)大于線路電阻值,啟動(dòng)電流大部分是無功電流且遠(yuǎn)大于額定電流,因此,電機(jī)啟動(dòng)時(shí)將會(huì)造成電源至負(fù)荷電壓大幅降落[3]。

        由圖1所示,火電廠大型異步電機(jī)接于6kV系統(tǒng),當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí),電流來自電網(wǎng)系統(tǒng)及發(fā)電機(jī),流經(jīng)變壓器、一次線纜到負(fù)荷端,由于流經(jīng)的變壓器阻抗值較大,因此,啟動(dòng)電流將會(huì)在流經(jīng)路徑引起較大的電壓降落,造成在負(fù)荷端的電壓不足,影響電機(jī)的啟動(dòng)及由于電壓降幅較大從而威脅其它負(fù)荷的正常運(yùn)行[4]。

        3 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器

        3.1 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器的基本原理

        實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器以電壓源換流器(VSC)為核心,直流側(cè)采用直流電容器為儲(chǔ)能元件,依靠VSC將直流電壓轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率的交流電壓,通過一個(gè)連接電抗器或耦合變壓器并聯(lián)接入系統(tǒng)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器的等效電路見圖2。

        由于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器直流側(cè)電容器僅起電壓支撐作用,所以相對(duì)于SVC中的交流電容器容量要小得多。

        實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器與電網(wǎng)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(wǎng)電壓 相位相同,如果Vs大于Vg,這時(shí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器就向電網(wǎng)發(fā)出無功;如果Vs小于Vg,這時(shí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器就從電網(wǎng)吸收無功。如果Vs等于Vg,那么無功交換為零。更進(jìn)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(cè)三相端子通過一定的開關(guān)邏輯連接起來,在各相間建立了一種循環(huán)的無功功率交換,所以無功是在VSC內(nèi)部產(chǎn)生的。實(shí)際運(yùn)行時(shí),應(yīng)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器等效成內(nèi)阻抗為R+jX、內(nèi)電勢(shì)幅值為Vs的同步發(fā)電機(jī)。穩(wěn)態(tài)時(shí),忽略高次諧波的影響,并假設(shè)直流電容電壓Vdc恒定,且Vs>Vg,則實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)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(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器總是從系統(tǒng)吸收有功功率,而向系統(tǒng)注入的無功功率僅依賴于系統(tǒng)電壓與實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器輸出電壓之間的夾角?啄。通過調(diào)節(jié)?啄,可以得到大范圍的無功輸出響應(yīng)。

        3.2 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器控制

        實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器的控制是把三相靜止對(duì)稱坐標(biāo)系經(jīng)過旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq下,簡化了控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器在abc坐標(biāo)系下以iab、ibc、ica為狀態(tài)變量的狀態(tài)方程為

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

        對(duì)式(5)進(jìn)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(huì)引起無功電流isq的變化,同理,無功電流isq也會(huì)引起有功電流isd的變化,這不利于控制。

        為實(shí)現(xiàn)isd與isq的解耦控制,設(shè)計(jì)如下控制規(guī)律

        鏈?zhǔn)诫妷涸磽Q流器可以等效為傳遞函數(shù)為1的環(huán)節(jié),即認(rèn)為V*sd=Vsd,V*sq=Vsq。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器統(tǒng)一電流控制框圖見5。

        4 仿真分析

        根據(jù)被提供的火電廠大型電機(jī)6kV、5500kW電機(jī)參數(shù)及系統(tǒng)參數(shù),對(duì)異步電機(jī)供電建立了仿真模型,圖6為基于MATLAB的仿真模型,仿真根據(jù)實(shí)際啟動(dòng)方式,采用全壓啟動(dòng)。

        圖7~圖10是無實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器時(shí),異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)的仿真結(jié)果,從圖中可看到,當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間較長,轉(zhuǎn)速達(dá)到其額定轉(zhuǎn)速大約28S,啟動(dòng)時(shí)電流較大,母線電壓峰值從8500V跌落到7200V左右,降幅達(dá)到16%。

        通過對(duì)比有無實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器的仿真結(jié)果,可知采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器能夠有效降低電機(jī)轉(zhuǎn)速從零轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間,能夠有效抑制電機(jī)啟動(dòng)時(shí)引起的電壓降落,能夠改善母線上其它負(fù)荷安全工作電氣環(huán)境。

        圖11~圖14是有實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器時(shí),異步電機(jī)啟動(dòng)的仿真結(jié)果,從圖中可看到,電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間比無實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間縮短,轉(zhuǎn)速達(dá)到其額定轉(zhuǎn)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(bǔ)償下,實(shí)際實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器補(bǔ)償時(shí),電壓從8500V跌落還需要延遲5~10ms,電壓恢復(fù)到8000V。

        5 結(jié)束語

        文章分析了高壓異步電機(jī)啟動(dòng)引起的電壓跌落的機(jī)理,將實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器應(yīng)用于異步電機(jī)的全壓啟動(dòng)中,通過對(duì)基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器的異步電機(jī)全壓啟動(dòng)進(jìn)行仿真,驗(yàn)證了此方法的正確性,同時(shí)說明了此方法能抑制電機(jī)啟動(dòng)時(shí)引起的電壓降落,而且可以縮短異步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間,火電廠大型異步電機(jī)全壓啟動(dòng)時(shí)配置動(dòng)態(tài)調(diào)壓器將會(huì)有效抑制母線電壓降落,降低廠內(nèi)輔助設(shè)備由于電壓降低停止工作的風(fēng)險(xiǎn),提高了火電廠設(shè)備運(yùn)行的可靠性,確保了電廠安全生產(chǎn)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]楊振祥.異步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)母線電壓的計(jì)算[J].華北石油設(shè)計(jì),1998(1):19-22.

        [2]翟慶志,李艷軍.電機(jī)學(xué)[M].北京:中國電力出版社,2009.

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

        [4]裴雷,樊燁. 電動(dòng)機(jī)全壓起動(dòng)的討論及計(jì)算[J]. 電氣應(yīng)用,2014(16):28-31.

        [5]王成元,夏加寬,孫宜標(biāo).現(xiàn)代電機(jī)控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

        作者簡介:楊峻峰(1982-),男,本科學(xué)歷,工程師,研究方向:繼電保護(hù)及勵(lì)磁技術(shù)。

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

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

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