異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用及啟動(dòng)過程的研究

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(jī)的應(yīng)用及啟動(dòng)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(jī)的固有特點(diǎn)及其運(yùn)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(jī)組以降低廠用電率，可降低火電廠運(yùn)行成本，創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益。通過實(shí)例分析異步發(fā)電機(jī)在火電企業(yè)中的應(yīng)用，對其存在的主要問題進(jìn)行全面分析研究。

異步發(fā)電機(jī)；控制；啟動(dòng)過程

異步發(fā)電機(jī)具有價(jià)格便宜、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便且無需提供單獨(dú)勵(lì)磁電源等優(yōu)點(diǎn)，適于作為針對可再生無污染能源進(jìn)行發(fā)電的獨(dú)立電力系統(tǒng)中發(fā)電單元。大容量異步發(fā)電機(jī)必須與同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行或接入電網(wǎng)運(yùn)行，由同步發(fā)電機(jī)或電網(wǎng)提供自身所需的勵(lì)磁無功，因此，異步發(fā)電機(jī)是電網(wǎng)的無功負(fù)載［1］。從原理上講異步發(fā)電機(jī)可借助于電容器孤立運(yùn)行在自激勵(lì)狀態(tài)，但處于該運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)調(diào)壓能力較弱，當(dāng)發(fā)電機(jī)達(dá)到臨界負(fù)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(jī)組，由于系統(tǒng)無功容量充足，且異步發(fā)電機(jī)所帶負(fù)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(jī)定子并接到系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)輸送電能，但異步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)過程，轉(zhuǎn)速、負(fù)載及機(jī)端電壓將相互制約［4］。

1 異步發(fā)電機(jī)發(fā)電條件及數(shù)學(xué)模型

異步電機(jī)既可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，又可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，即異步電機(jī)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)可逆。如果將異步電機(jī)的負(fù)載去掉，改用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n上升到略大于n0時(shí)，轉(zhuǎn)差率s為負(fù)值，異步電機(jī)進(jìn)入發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，來自原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能就轉(zhuǎn)化成電能向電網(wǎng)或負(fù)載輸送［5］。

1.1 異步電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

通過繞組折算及頻率折算可用1個(gè)靜止的轉(zhuǎn)子來代替旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子從而得到異步電機(jī)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(dòng)機(jī)的等效電路

式中?U1——電動(dòng)機(jī)定子電壓；

?I1——電動(dòng)機(jī)定子電流；

?I′2——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子電流折算值；

I0——?jiǎng)?lì)磁電流；

Z1——定子繞組相漏阻抗；

Zm——?jiǎng)?lì)磁阻抗；

?E1——定子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢；

?E′2——折算后轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動(dòng)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(jī)發(fā)電條件

將異步電動(dòng)機(jī)定子三相繞組接入到電壓、頻率恒定的電網(wǎng)時(shí)，若用原動(dòng)機(jī)把異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子拖到超過同步轉(zhuǎn)速，即n＞n0，轉(zhuǎn)差率為負(fù)值，則異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入發(fā)電機(jī)狀態(tài)。來自原動(dòng)機(jī)的機(jī)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(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

異步發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型機(jī)端電壓變換為

對于自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓的建立是其穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)，啟動(dòng)時(shí)所需的電容值是發(fā)電機(jī)電壓建立的關(guān)鍵［6］。由于自勵(lì)異步發(fā)電機(jī)自身存在帶負(fù)載能力差的缺點(diǎn)，需要電容并聯(lián)補(bǔ)償?shù)姆椒▉矸€(wěn)定機(jī)端電壓，以提高負(fù)載能力［7］。

2 異步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用

中電國際清河發(fā)電責(zé)任有限公司供熱改造背壓機(jī)組設(shè)計(jì)為2臺(tái)額定電壓為6 kV，額定功率為6 000 kVA的異步發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)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(jìn)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(jìn)線、分段母線形式，雙回路進(jìn)線分別來至1號(hào)機(jī)組和9號(hào)機(jī)組，每回路電源容量滿足首站內(nèi)所有運(yùn)行設(shè)備的需要。

2.1 異步發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)方式

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

圖2 廠用異步發(fā)電機(jī)系統(tǒng)圖

發(fā)電機(jī)采用三相鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)，整個(gè)啟動(dòng)過程主要分為2個(gè)階段，第1階段為發(fā)電機(jī)作為異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，并判斷其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向是否與汽輪機(jī)轉(zhuǎn)向一致，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中，電動(dòng)機(jī)經(jīng)水阻啟動(dòng)柜降壓啟動(dòng)，啟動(dòng)結(jié)束后切換至星點(diǎn)柜方式運(yùn)行。第2階段為機(jī)組整套啟動(dòng)過程，先由汽輪機(jī)帶異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行沖轉(zhuǎn)，待轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近異步發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3 000 r／min時(shí)（n0－n＜50 r／min），合上異步發(fā)電機(jī)出口開關(guān)，此時(shí)由異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)原動(dòng)機(jī)運(yùn)行，帶運(yùn)行穩(wěn)定后，通過汽輪機(jī)調(diào)節(jié)門調(diào)節(jié)汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)（n＞n0），異步發(fā)電機(jī)進(jìn)入發(fā)電狀態(tài)，來自原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率扣除各種損耗后，轉(zhuǎn)換成電功率送給電網(wǎng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。

2.2 異步發(fā)電機(jī)經(jīng)水阻柜啟動(dòng)存在的問題及改進(jìn)方法

當(dāng)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(jī)組整套啟動(dòng)時(shí)，異步發(fā)電機(jī)串聯(lián)的水阻柜未退出運(yùn)行，啟動(dòng)過程與異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程一致，但由于異步發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)其啟動(dòng)電流接近0，不需要降壓啟動(dòng)，其電磁轉(zhuǎn)矩也為0。而水阻柜在啟動(dòng)過程中，不斷調(diào)節(jié)啟動(dòng)電阻，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)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(jī)主汽門調(diào)節(jié)響應(yīng)速度不能控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，因此，汽機(jī)超速保護(hù)多次動(dòng)作，主汽門關(guān)閉，導(dǎo)致機(jī)組跳機(jī)，無法到達(dá)機(jī)組整套啟動(dòng)的要求。其啟動(dòng)過程如圖3所示，啟動(dòng)過程中發(fā)電機(jī)電流產(chǎn)生劇烈的波動(dòng)。

圖3 異步發(fā)電機(jī)經(jīng)水阻設(shè)備啟動(dòng)過程

在機(jī)組整套啟動(dòng)時(shí)，需要通過二次回路的修改，手動(dòng)合上發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)開關(guān)，并退出水阻啟動(dòng)柜運(yùn)行。對比2種啟動(dòng)方式，其啟動(dòng)電流變化如圖4所示，圖4中發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程電流平穩(wěn)。

3 結(jié)束語

針對異步發(fā)電機(jī)存在無功消耗較大且電壓不穩(wěn)定等的缺點(diǎn)，將其應(yīng)用于火力發(fā)電廠節(jié)能項(xiàng)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(jī)運(yùn)行的需求，且異步發(fā)電機(jī)投資較低，可降低整個(gè)機(jī)組廠用電率及煤耗，能取得較為可觀的經(jīng)濟(jì)效益。通過實(shí)例分析異步發(fā)電機(jī)在火力發(fā)電企業(yè)中應(yīng)用存在的問題，進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，并提出相應(yīng)的改進(jìn)意見。

圖4 異步發(fā)電機(jī)直接啟動(dòng)過程

［1］吳新振，王 祥，郝寬勝，等.異步發(fā)電機(jī)恒壓運(yùn)行時(shí)機(jī)端無功補(bǔ)償功率［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，47（1）：13－16.

［2］吳新振，張智晟，楊樂梅，等.異步發(fā)電機(jī)自激勵(lì)建壓臨界值的計(jì)算［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（23）：24－28.

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

［4］包 丹.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷電壓穩(wěn)定性的研究與仿真［J］.東北電力技術(shù)，2000，21（1）：1－4.

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

［6］黃文新.籠型異步發(fā)電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制策略的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2002，17（5）：30－34.

［7］李 偉，王士偉，周家旭.自動(dòng)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(hù)與自動(dòng)裝置調(diào)試及相關(guān)技術(shù)工作。

2016－05－10）