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?jiǎn)?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(wèn)題，文章采用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器，并通過(guò)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?jiǎn)?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(wú)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(wú)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(wú)功電流，因此，可以采用補(bǔ)償無(wú)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(wú)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(wú)功補(bǔ)償裝置，能夠跟隨無(wú)功負(fù)荷變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)輸出無(wú)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(guó)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(wú)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(lái)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(guò)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(jiàn)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(wú)功交換可以通過(guò)改變VSC交流輸出電壓來(lái)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(wú)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(wú)功。如果Vs等于Vg，那么無(wú)功交換為零。更進(jìn)一步，由于直流下無(wú)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(wú)功的。VSC僅僅將交流側(cè)三相端子通過(guò)一定的開(kāi)關(guān)邏輯連接起來(lái)，在各相間建立了一種循環(huán)的無(wú)功功率交換，所以無(wú)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(lái)描述。

由公式2可見(jiàn)，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(wú)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(guò)調(diào)節(jié)？啄，可以得到大范圍的無(wú)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(guò)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系dq下，簡(jiǎn)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(wú)功電流isq之間通過(guò)緩沖電抗互相耦合，有功電流isd的變化會(huì)引起無(wú)功電流isq的變化，同理，無(wú)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(jiàn)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?jiǎn)?dòng)。

圖7～圖10是無(wú)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(zhǎng)，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(guò)對(duì)比有無(wú)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?gòu)牧戕D(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(wú)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(yǔ)

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?jiǎn)?dòng)中，通過(guò)對(duì)基于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)壓器的異步電機(jī)全壓?jiǎn)?dòng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了此方法的正確性，同時(shí)說(shuō)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?jiǎn)?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(guó)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(jiǎn)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(kāi)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(kāi)發(fā)。