動態(tài)無功在電廠輔機啟動過程中的補償作用研究

胡耀寧，葉 鵬，何 淼，張芊里，郭 帥，董環(huán)宇

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

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動態(tài)無功在電廠輔機啟動過程中的補償作用研究

胡耀寧a，葉 鵬a，何 淼b，張芊里a，郭 帥a，董環(huán)宇a

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

電廠輔機啟動過程中會產(chǎn)生較大的沖擊電流，造成電網(wǎng)的電壓降落，尤其對于小電網(wǎng)或孤立電網(wǎng)，壓降更為嚴(yán)重。對動態(tài)無功在電廠輔機啟動過程中的補償作用進行研究，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)、電廠輔機以及動態(tài)無功補償裝置的動態(tài)仿真模型。在不同工況下，對動態(tài)無功在電廠輔機啟動過程中的補償作用進行了研究和分析。結(jié)果表明，動態(tài)無功補償裝置可以有效地抑制電廠輔機在啟動過程的電壓降落。

電廠輔機；動態(tài)無功補償；電磁暫態(tài)仿真

在電力系統(tǒng)中，無功功率與電網(wǎng)電壓緊密相連，無功功率的不平衡將會引起系統(tǒng)壓降，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致設(shè)備損壞以及系統(tǒng)解列。電廠輔機多為大容量異步電動機，啟動時需要從電網(wǎng)吸收較多無功功率來建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動從而帶動機械運動[1]。電廠輔機啟動時產(chǎn)生的沖擊電流為其額定電流的5～7倍，會引起較大的電網(wǎng)壓降以及敏感控制器的誤動作[2]。電壓過低很有可能導(dǎo)致大電機無法正常啟動，甚至損壞[3]。對于小電網(wǎng)或孤立電網(wǎng)，系統(tǒng)的電壓控制能力低，電廠輔機啟動對電網(wǎng)電壓的影響和破壞力更大，該問題已經(jīng)成為制約現(xiàn)代電網(wǎng)孤立運行或小規(guī)模運行的關(guān)鍵因素。為此，研究動態(tài)無功在電廠輔機啟動過程中的補償作用，提升電網(wǎng)電壓穩(wěn)定運行水平對現(xiàn)代電網(wǎng)的運行和控制具有重要的現(xiàn)實意義。

國內(nèi)外的學(xué)者對這一問題進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)電動機啟動時會引起電網(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)后對電壓的影響，并通過仿真研究了異步電機空載啟動、半載啟動和滿載啟動三種啟動方式對電壓暫降的情況分析，最后得出空載啟動時電壓暫降最為嚴(yán)重的結(jié)論。文獻(xiàn)[6]在電廠的大型輔機啟動中加入無功補償，可減少大型輔機的啟動電流，降低電壓損耗，改變電動機處的運行電壓。由上述研究可見，在輔機啟動過程中有必要并入無功補償裝置，補償輔機啟動所消耗的無功功率，減小啟動電流，提高電網(wǎng)電壓。隨著動態(tài)無功補償裝置在電網(wǎng)中的大量應(yīng)用和不斷成熟，動態(tài)無功在電廠輔機啟動過程中的補償作用有待于進一步深入研究。

基于電磁暫態(tài)仿真軟件，對動態(tài)無功在電廠輔機啟動過程中的補償作用進行研究。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)、電廠輔機以及動態(tài)無功補償裝置的動態(tài)仿真模型。在不同工況下，對動態(tài)無功在電廠輔機啟動過程中的補償作用進行了研究和分析，為電廠輔機啟動過程中的無功補償方法提供了理論依據(jù)以及可行性的建議。

1 電廠輔機啟動過程分析

電廠輔機為大容量的感應(yīng)電動機，是電網(wǎng)中負(fù)荷的重要組成部分。在啟動過程中，需要消耗較多的無功功率來建立和維持旋轉(zhuǎn)磁場，進而帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，完成輔機的啟動。在此過程中，消耗的無功功率和產(chǎn)生較大沖擊電流將會引起電網(wǎng)電壓暫降，危及電力系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定。文獻(xiàn)[7]詳細(xì)地介紹了直接全壓啟動、定子回路串電抗器減壓啟動、自耦變壓器降壓啟動、以小拖大啟動以及軟啟動等方法，綜合得出全啟動對電網(wǎng)的影響最大，故這里在全壓啟動方式下研究動態(tài)無功在電廠輔機啟動過程中的補償作用。

1.1 輔機啟動原理

輔機大多為感應(yīng)電動機，輔機的“T”型等效電路如圖1所示。

圖1 輔機“T”型等效電路

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

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

1.2 沖擊電流特性分析

基于電廠輔機固有的機械特性分析可得到，若在額定電壓下直接啟動感應(yīng)電機，由于最初啟動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)致啟動電流較大，約為額定電流的5～7倍，而啟動轉(zhuǎn)矩并不按啟動電流的倍數(shù)增長，約為額定轉(zhuǎn)矩的1～2倍[8]。沖擊電流隨輔機啟動過程中的變化如圖2所示。

圖2 輔機啟動時的沖擊電流

由圖2可知，在輔機啟動的過程中，將會產(chǎn)生很大的瞬時沖擊電流，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。此過程中，沖擊電流約為額定電流的5～7倍，對電網(wǎng)產(chǎn)生很大沖擊的同時，還會引起系統(tǒng)電壓的下降，影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定的運行。

2 電網(wǎng)系統(tǒng)仿真平臺建立

電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD是一種用戶可以在圖形環(huán)境中搭建仿真電路、運行、分析和處理數(shù)據(jù)的一種電力系統(tǒng)科研應(yīng)用軟件，并且得到了國內(nèi)外學(xué)者的一致認(rèn)可，具有廣泛的應(yīng)用價值。該軟件不但可以進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)的問題，同時具有非線性控制等多功能集于一體的仿真軟件。

2.1 發(fā)電機系統(tǒng)仿真模型的建立

發(fā)電機系統(tǒng)在PSCAD建模的過程中，發(fā)電機選用同步機，包括發(fā)電機主體、汽輪機、勵磁系統(tǒng)和調(diào)速器。發(fā)電機以及調(diào)速器的搭建模型如圖3所示。

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

圖3 發(fā)電機以及調(diào)速器的搭建模型

2.2 輔機系統(tǒng)仿真模型的建立

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

圖4中，g1是電廠輔機轉(zhuǎn)子的電氣結(jié)點，和外電網(wǎng)相連；W為轉(zhuǎn)速控制下的速度標(biāo)么值；S為控制開關(guān)，S=0時，輔機處于轉(zhuǎn)矩控制模式下，S=1時，運動于速度控制的方式下。所選取的控制模式為：通過初始轉(zhuǎn)矩進行轉(zhuǎn)速控制啟動，轉(zhuǎn)速恒定之后采用恒轉(zhuǎn)矩控制運行，進而完成輔機的啟動過程。

2.3 STATCOM裝置仿真模型的建立

動態(tài)無功補償裝置是減小電網(wǎng)啟動電流、抑制電壓暫降的重要裝置，對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行具有重要的意義。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、下橋臂都串一個由全控型器件與二極管反向并聯(lián)的模塊，并最后和一個電容并聯(lián)。此種模型能夠較好地模擬動態(tài)無功補償裝置的功能特性。

圖4 輔機模型及控制方式

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，提出了采用無功電流的控制策略。對于三相平衡系統(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)注入的無功只和電流的q軸分量有關(guān)，故適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)無功電流的d、q軸分量，便能夠?qū)崿F(xiàn)STATCOM的有功和無功解耦控制，控制原理如圖6所示。

圖6中，Usref、Udcref為并入母線處電壓的參考值和電容電壓。通過電流內(nèi)環(huán)控制以及電壓外環(huán)控制，將得到的脈沖信號傳入到PWM發(fā)生器中，進而可以對動態(tài)無功補償裝置中全控型器件進行導(dǎo)通、關(guān)斷的控制，從而讓換流器的交流側(cè)輸出一個等效可控的電壓源。通過對該電壓源相位、幅值的控制，可以實現(xiàn)與電網(wǎng)動態(tài)無功功率的交換。

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

對于輸電線路的建模，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，對電網(wǎng)中大容量的電廠輔機啟動過程中對系統(tǒng)電壓的影響進行仿真。對于小電網(wǎng)或孤立電網(wǎng)，系統(tǒng)的電壓控制能力低，電廠輔機啟動對電網(wǎng)電壓的影響和破壞力更大，故選取了一個孤立小電網(wǎng)為例，研究動態(tài)無功在電廠輔機啟動過程中的補償作用。

3.1 電網(wǎng)仿真系統(tǒng)概況

以孤立小電網(wǎng)為例進行研究分析，該網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中共有3臺火電機組，總裝機容量為900 MW，電網(wǎng)中的總負(fù)荷為300 MW。1#機組和2#機組為正常運行機組，3#機組為待啟動機組，3#機組出口母線經(jīng)降壓變壓器與輔機供電母線相連接。該地區(qū)電網(wǎng)的具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

3.2 輔機啟動對電網(wǎng)的影響

在輔機母線側(cè)，并入初始時刻斷開的斷路器，動作時間為2 s。斷路器未閉合時，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)，當(dāng)動作之后，相當(dāng)于將電廠輔機接入孤網(wǎng)啟動。輔機啟動方式選擇全壓啟動，啟動時采用初始轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速控制方式，在轉(zhuǎn)速達(dá)到恒定之后，再采用轉(zhuǎn)矩控制的方式運行，在仿真軟件PSCAD建模過程中，單臺電動機容量取4 MW。

在電廠輔機啟動的過程中，各個母線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 各母線處電壓變化狀況

由圖8可知，輔機在啟動的瞬間，電網(wǎng)中各個母線電壓瞬間跌落，在發(fā)電機勵磁系統(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)定在低于正常母線電壓水平的條件下運行。在電網(wǎng)中，尤其是小電網(wǎng)或孤立電網(wǎng)中，電廠輔機啟動時，將會引起各個母線不同程度的電壓暫降，并且距啟動輔機電氣距離最近的6 kV母線，壓降最為嚴(yán)重，會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生很大的沖擊，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行。

3.3 動態(tài)無功對電網(wǎng)的補償作用

通過上節(jié)對仿真結(jié)果的分析可知，在未加入動態(tài)無功補償裝置時，輔機啟動過程中會引起較大的電壓暫降，并且距啟動輔機電氣距離越近，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)中并入動態(tài)無功補償裝置，以改善因輔機啟動而造成電網(wǎng)電壓暫降的問題。

由于輔機啟動消耗較大的無功功率，加之距輔機電氣距離最近的6 kV母線壓降尤為嚴(yán)重。因此將動態(tài)無功補償裝置并入6 kV母線處，為輔機提供所必須的無功功率。補償容量分別設(shè)置為4 Mvar、12 Mvar、21 Mvar以及30 Mvar等幾個等級，從而可以研究分析不同補償裝置容量對抑制6 kV母線電壓的影響。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同補償容量對6 kV母線的作用

由圖9可知，不同容量的動態(tài)無功補償裝置對抑制電壓壓降的程度是不同的。隨著動態(tài)補償容量的增大，抑制電壓壓降的效果也越為明顯，當(dāng)接近輔機沖擊容量時，抑制壓降的效果最為明顯，補償效果也最為理想。

4 結(jié) 論

電力系統(tǒng)中的電廠輔機在啟動的過程中，將會消耗較大的無功功率，產(chǎn)生較大的沖擊電流，進而引起電網(wǎng)電壓瞬間下降，電壓過低很有可能導(dǎo)致大容量電機無法正常啟動，甚至損壞，更為嚴(yán)重的是導(dǎo)致電力系統(tǒng)失穩(wěn)，進而解列。以一個孤立小電網(wǎng)為例，在電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD環(huán)境中建立了一個仿真模型，對動態(tài)無功在電廠輔機啟動過程中的補償作用進行了仿真研究與分析，具體結(jié)論如下：

1)電廠輔機在電網(wǎng)中直接啟動時，會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓暫降，并且距輔機電氣距離越近的母線，電網(wǎng)壓降就越為嚴(yán)重。同時還會對電網(wǎng)產(chǎn)生了很大的沖擊，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運行以及供電質(zhì)量。

2)通過在仿真軟件PSCAD中建模、仿真運行可知，在電廠輔機機端并入動態(tài)無功補償裝置，可以有效的抑制輔機啟動過程中的電網(wǎng)壓降。

3)在仿真軟件中，通過改變動態(tài)無功補償裝置的補償容量可知，補償容量越大，抑制壓降的作用越明顯；當(dāng)補償容量接近輔機沖擊容量時，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 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