劉智洋， 穆興華， 宋杭選， 劉 進(jìn)， 陳曉光， 曹 融

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

●電力電子及電力系統(tǒng)自動化●

東部電網(wǎng)大功率直啟負(fù)荷啟動方式分析

劉智洋， 穆興華， 宋杭選， 劉 進(jìn)， 陳曉光， 曹 融

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

2017年黑龍江電網(wǎng)東部地區(qū)計劃投入3臺功率較大的直啟負(fù)荷，為探究其啟動過程對電網(wǎng)造成的沖擊，采用電力系統(tǒng)分析綜合程序?qū)Σ煌膯咏M合方式進(jìn)行仿真分析。建立沖擊負(fù)荷模型，計算啟動過程中幾個關(guān)鍵節(jié)點的最大電壓降落和其波動比例，為電網(wǎng)調(diào)度控制及運(yùn)行方式的編制提供理論依據(jù)。

直啟負(fù)荷；電力系統(tǒng)分析綜合程序；沖擊負(fù)荷模型；電壓降落；運(yùn)行方式

交流電動機(jī)在各行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用，而電動機(jī)的啟動過程由于需要消耗大量的無功功率，將會對電網(wǎng)造成一定的沖擊，形成短時低電壓狀態(tài)，這種沖擊隨著電動機(jī)功率的增加而越發(fā)明顯。因此大功率電動機(jī)常常采用降壓方式啟動，以減小對電網(wǎng)的沖擊[1]。

黑龍江省東部某地區(qū)將在2017年投入一批灌溉負(fù)荷，其主要組成包含3臺直啟電動機(jī)。由于其功率相對較大，啟動過程可能對該地區(qū)的電網(wǎng)造成一定的沖擊，電壓短時將下降很多，這是否會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，需要通過仿真進(jìn)行驗證。

1 電動機(jī)不同啟動方式的影響分析

1.1 直接啟動

直接啟動即全壓啟動，是通過斷路器或隔離開關(guān)直接將電動機(jī)以額定電壓接到電網(wǎng)上進(jìn)行啟動，這是最簡單的啟動方式[2]，有如下優(yōu)點：

1)設(shè)備簡單。直接啟動只需要開關(guān)進(jìn)行通斷操作，不需要變壓，具有設(shè)備簡單、操作容易的優(yōu)點。

2)啟動速度快。直接啟動沒有變壓過程，省去很多環(huán)節(jié)，而且由于是全壓啟動，電動機(jī)啟動后很快就可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，啟動過程較快。

3)啟動轉(zhuǎn)矩大。直接啟動由于施加額定電壓，無功充電快，功率爬升迅速，啟動轉(zhuǎn)矩相對較大，由于電動機(jī)轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比關(guān)系，這種轉(zhuǎn)矩的差異較為明顯。

直接啟動雖有如上優(yōu)點，但是不可避免存在一些弊端：

1)對電網(wǎng)存在沖擊。電動機(jī)從靜止到旋轉(zhuǎn)過程中初始有一小段時間處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，這時產(chǎn)生的啟動電流非常大，通常若空載啟動會達(dá)到額定電流的4～7倍，帶負(fù)載啟動將會更大，甚至達(dá)到8～10倍。這相當(dāng)于在電網(wǎng)上瞬間接入一個非常大的負(fù)荷，再在若干秒后緩慢撤走，由此造成該地區(qū)電壓一降一升的波動。若電動機(jī)的功率較大，壓降就很可觀，不僅影響其他用電設(shè)備，嚴(yán)重時可能造成電壓崩潰。

2)對電動機(jī)本身的損耗。過大的啟動電流會使電動機(jī)繞組和導(dǎo)線發(fā)熱，加速絕緣老化，減少電動機(jī)壽命。同時過大的啟動電流和低電壓容易造成過流保護(hù)、欠壓保護(hù)等繼電保護(hù)設(shè)備誤動，產(chǎn)生有害影響。

3)對其他附加設(shè)備的影響。突然間產(chǎn)生的較大轉(zhuǎn)矩會對機(jī)械設(shè)備造成沖擊，對于電動機(jī)本身來說容易造成絕緣磨損，對于外部設(shè)備來說可能出現(xiàn)轉(zhuǎn)軸扭曲、傳動齒輪損傷、傳動皮帶撕裂以及泵等設(shè)備的管道和閥門損壞等問題。

基于以上弊端，功率較大的電動機(jī)往往不適合直接啟動，需采取一定的措施以減小啟動過程中的各種沖擊。

1.2 軟啟動

軟啟動即降壓啟動，是利用輔助設(shè)備先在電動機(jī)端施加低于額定電壓的一個電壓值，待電動機(jī)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后再恢復(fù)為額定電壓供電的啟動方式。傳統(tǒng)的軟啟動有下面幾種[3-4]：

1)星-角降壓啟動。將電動機(jī)定子繞組接成星型進(jìn)行啟動，待啟動成功后換成角型接法，利用兩種接法的電壓倍數(shù)關(guān)系達(dá)到降壓的目的。其缺點是降壓比例固定，無法調(diào)節(jié)。

2)串聯(lián)電阻降壓啟動。在定子或轉(zhuǎn)子回路中串聯(lián)電阻，分擔(dān)電壓，達(dá)到降壓啟動的目的。這種方法可以通過調(diào)節(jié)阻值調(diào)節(jié)降壓比例，缺點是串聯(lián)的電阻會產(chǎn)生熱損耗，造成能源浪費。

3)變壓器降壓啟動。通過諸如自耦變壓器進(jìn)行降壓啟動，調(diào)節(jié)靈活，轉(zhuǎn)矩?fù)p失可控。缺點是增加額外設(shè)備，成本高，維修復(fù)雜。

還有一些新型的軟啟動方式如晶閘管軟啟動、變頻軟啟動等[5]，這些啟動方式較為復(fù)雜，在一些要求較高的場合才考慮采用。

2 系統(tǒng)仿真分析原則

2.1 仿真計算程序

仿真計算程序采用中國電科院開發(fā)的《電力系統(tǒng)分析綜合程序》(PSASP 7.16版)。

PSASP具有潮流計算、暫穩(wěn)計算、短路計算、小干擾計算等功能，是一套功能強(qiáng)大的電力系統(tǒng)分析軟件包。該程序已于2016年升級至7.16版，新版程序在修復(fù)原有程序錯誤的基礎(chǔ)上，又增加了一些新的輔助功能，較舊版本有了一定的突破。

2.2 負(fù)荷模型

此次仿真涉及的3臺電動機(jī)均為直啟電動機(jī)，在電源接通的瞬間電流迅速增大為額定電流的4～10倍，即

Iq=SIN

式中：Iq為啟動電流；IN為額定電流；S為電流倍數(shù)，取4～10。

由于是灌溉負(fù)荷，電動機(jī)牽引的水泵在啟動前一般保留一些存水，在啟動瞬間既不是空載，也不是滿載。規(guī)定啟動模型的最高瞬時電流為：有功分量為額定值的5倍，無功分量為額定值的7倍，即以功率的形式表示為

Pq=5PN

Qq=7QN

式中：Pq為有功功率啟動瞬時值；Qq為無功功率啟動瞬時值；PN為有功功率額定值；QN為無功功率額定值。

電流達(dá)到最大值后，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升，電流逐漸下降，最終穩(wěn)定在額定值。為模擬該過程，采用PSASP中的沖擊負(fù)荷模型進(jìn)行建模，運(yùn)用暫態(tài)穩(wěn)定計算模塊進(jìn)行仿真分析。

2.3 計算邊界條件

1)灌溉負(fù)荷以夏季為主，因此考慮針對夏季大負(fù)荷方式進(jìn)行仿真，計算所用電網(wǎng)數(shù)據(jù)采用2017年末預(yù)計電網(wǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。

2)斷面潮流極限控制：該負(fù)荷接于黑龍江電網(wǎng)東部雙鴨山地區(qū)，仿真主要針對該區(qū)域，故僅需對該區(qū)域進(jìn)行約束，控制東部網(wǎng)外送能力為3100 MW，其他斷面不進(jìn)行約束。

3 不同組合啟動方式仿真分析

3.1 接線形式

該負(fù)荷接于220 kV米都變，米都變以雙回LGJ-400型號導(dǎo)線接于500 kV前進(jìn)變，距離前進(jìn)變45 km，處于雙鴨山環(huán)網(wǎng)之中，為負(fù)荷終端，具體接線情況如圖1所示。

3.2 負(fù)荷模型曲線

按照前述的負(fù)荷建模原則，電動機(jī)啟動最高瞬時電流有功分量和無功分量分別取額定值的5倍和7倍。隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升，電流逐漸下降，前期下降速度較快，后期下降速度逐漸減慢，最終趨于穩(wěn)定，整個啟動過程大約持續(xù)17 s。假定從仿真程序開始進(jìn)行1 s后，電動機(jī)合閘啟動，選取4 s、10 s、15 s、20 s幾個關(guān)鍵點，建立分段有功負(fù)荷曲線為

圖1 雙鴨山環(huán)網(wǎng)接線圖Fig.1 Loop Wiring diagram in Shuangyashan area

P1=0，t=0～1 s

P2=-0.047t+0.887，t=1～4 s

P3=-0.067t+0.967，t=4～10 s

(4)

P4=-0.02t+0.5，t=10～15 s

P5=-0.006t+0.29，t=15～20 s

以相同原理建立無功負(fù)荷曲線為

Q1=0，t=0～1 s

Q2=-0.017t+0.417，t=1～4 s

Q3=-0.033t+0.483，t=4～10 s

(5)

Q4=-0.013t+0.31，t=10～15 s

Q5=0.07，t=15～20 s

其中，有功負(fù)荷和無功負(fù)荷均為標(biāo)幺值。在仿真程序中設(shè)置負(fù)荷的參數(shù)值，以折線圖近似模擬電動機(jī)啟動過程中有功電流與無功電流的變化過程。圖2為3臺電動機(jī)同時啟動時的負(fù)荷模型曲線，其中偏上方的曲線為負(fù)荷有功分量，偏下方的曲線為無功分量，橫軸為時間軸，縱軸為負(fù)荷標(biāo)幺值，最終穩(wěn)定后，無功分量約占有功分量1/3左右。

3.3 仿真結(jié)果

實際仿真時，需分別對3臺電動機(jī)進(jìn)行1臺、2臺同時、3臺同時等不同組合情況進(jìn)行仿真分析，以便掌握不同啟動方式可能對電網(wǎng)造成影響的嚴(yán)重程度。3臺同時啟動的方式對電網(wǎng)的影響最大，這里著重對這種情況進(jìn)行仿真分析。

圖2 三機(jī)同啟負(fù)荷模型曲線Fig.2 Load model curves when three motors are started at the same time

按照上述負(fù)荷模型建模，進(jìn)行機(jī)電暫態(tài)仿真，得到如圖3所示的電壓波動曲線。

圖3中，縱軸是以標(biāo)幺值為單位表示的電壓值，顯示范圍為1.045～1.085 p.u.，每一個網(wǎng)格的間隔為0.005 p.u.；橫軸為時間軸，每個網(wǎng)格間隔5 s，合計仿真20 s。3條曲線由上至下分別為前進(jìn)變500 kV母線、前進(jìn)變220 kV母線、米都變220 kV母線，這三線母線是與該沖擊負(fù)荷距離最近的，受其影響也最明顯。為使圖面更清晰，在顯示選項中僅勾選了這3條母線電壓進(jìn)行展示。

圖3 啟動過程機(jī)電暫態(tài)仿真結(jié)果Fig.3 Electromechanical transient simulation result during starting process

從圖3可以看出，受影響最大的米都變220 kV母線，其初始電壓為236.9 kV，電動機(jī)啟動瞬間電壓最低時被拉到230.1 kV，最后平穩(wěn)后穩(wěn)定在236.3 kV，最大壓降為7 kV左右，波動比例2.87 %，尚在可接受的范圍之內(nèi)。

3.4 不同啟動方式比較

現(xiàn)考慮夏天大負(fù)荷運(yùn)行方式下的不同啟動組合情況，經(jīng)過計算，各種方式下的電壓波動情況如表1所示。

表1 夏季大負(fù)荷下不同啟動方式的電壓波動情況

Tab.1 Voltage fluctuations in different starting modes under heavy load in summer kV

為更加直觀，采用柱狀圖對上述結(jié)果進(jìn)行解析，如圖4所示。

圖4 不同啟動方式下電壓波動比例統(tǒng)計Fig.4 Voltage fluctuations ratio statistics in different starting modes

整體看來，同時啟動的臺數(shù)越多，電壓波動越大；距離啟動中心越遠(yuǎn)，電壓波動越小，符合電網(wǎng)特性的一般規(guī)律。

4 結(jié) 論

通過計算得知，3臺電動機(jī)同時啟動時，米都變220kV母線的壓降尚在可接受的范圍內(nèi)，周圍其他變電站受到的影響更小。但是將近7 kV的壓降，其絕對數(shù)值也不容忽視，若考慮3臺電動機(jī)分別啟動，雖然壓降的數(shù)值有所降低，電網(wǎng)卻要遭受3次沖擊。因此，是否利用增加沖擊次數(shù)來換取較小的沖擊幅度，這是一個需要權(quán)衡的問題，應(yīng)在實際調(diào)度過程中具體情況具體分析。

[1] 詹紅．電動機(jī)啟動方式的選擇[J]．電世界，2002(2)：38-40． ZHAN Hong. Selection of motor starting methods[J]. Electrical World, 2002(2): 38-40.

[2] 孟彥京，謝仕宏．交流電機(jī)軟啟動技術(shù)理論的發(fā)展與分析[J]．陜西科技大學(xué)報，2004(6)：83-87． MENG Yanjing, XIE Shihong. Development and analysis about soft-starting theory of induction hotor[J]. Journal of Shaanxi University of Science & Technology, 2004(6): 83-87.

[3] 何仰贊，溫增銀．電力系統(tǒng)分析[M]．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002． HE Yangzan, WEN Zengyin. Power System Analysis[M]. Wuhan: Hua Zhong University of Science & Technology Press, 2002.

[4] 許大中．交流電機(jī)調(diào)速理論[M]．杭州：浙江大學(xué)出版社，1991． XU Dazhong. AC motor speed control theory[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 1991.

[5] GINART A， ESTELLER R, MADURO A,et al．High starting torque for AC SCR controller[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，1999：14(3):553-559．

(編輯 侯世春)

Analysis on starting method of high power direct-start load in eastern Heilongjiang power grid

LIU Zhiyang, MU Xinghua, SONG Hangxuan, LIU Jin, CHEN Xiaoguang, CAO Rong

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd.，Harbin 150030，China)

Three high power direct-start loads are scheduled to put into use in eastern Heilongjiang power grid in 2017. In order to explore the impact on the power grid during starting process. different combinations of starting modes by using PSASP are simulated and analyzed. Also, impact load models are built and ratio of maximum voltage drop and its offset in some key nodes are calculated during starting process, which provides a theoretical basis for the power grid dispatch and control as well as the establishment of the operation mode.

direct-start load; PSASP; impact load model; voltage drop; operation mode

2017-01-27;

2017-03-09。

劉智洋(1984—)，男，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)仿真、電網(wǎng)運(yùn)行方式計算、電網(wǎng)穩(wěn)定計算、電力供需、電網(wǎng)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計及應(yīng)用。

TM744

A

2095-6843(2017)03-0189-04