燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)SFC啟動(dòng)時(shí)的鐵磁諧振仿真分析

陳 財(cái), 吳義純， 田 彥， 門(mén)富媛， 程 琳

(1.安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 安徽 合肥 230051;2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司培訓(xùn)中心， 安徽 合肥 230022)

0 引言

某熱電廠新引進(jìn)一套燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)經(jīng)靜止變頻器(SFC)啟動(dòng)，該廠在之前發(fā)生過(guò)在經(jīng)SFC啟動(dòng)過(guò)程中發(fā)電機(jī)出口所連電壓互感器PT因鐵磁諧振而燒毀的現(xiàn)象[1]，為避免相同事件再次發(fā)生，需對(duì)該電廠的情況進(jìn)行分析。SFC輸出的變頻電壓或電流中含有大量的諧波。發(fā)電機(jī)出口所連PT是非線(xiàn)性電感元件，其電感值作非線(xiàn)性變化，在變頻啟動(dòng)過(guò)程中很容易與系統(tǒng)對(duì)地電容在某一或某些頻率下相匹配而發(fā)生鐵磁諧振[2]。

1 啟動(dòng)系統(tǒng)主接線(xiàn)

該電廠啟動(dòng)系統(tǒng)主接線(xiàn)如圖1所示?？梢钥闯?，6kV廠用電分兩路為啟動(dòng)系統(tǒng)供電：1路向發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組供電，如圖中紅色標(biāo)注。廠用電經(jīng)過(guò)啟動(dòng)勵(lì)磁變壓器變壓后，再經(jīng)自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置和整流器為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供啟動(dòng)勵(lì)磁電流。2路為SFC供電，如圖中藍(lán)色標(biāo)注，SFC向發(fā)電機(jī)定子繞組輸送變頻電壓或電流，此時(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)行于同步電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。SFC與勵(lì)磁系統(tǒng)相互配合共同驅(qū)使發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。

圖1 燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)SFC啟動(dòng)系統(tǒng)主接線(xiàn)

2 燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程

該電廠燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程如圖2所示：

圖2 燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)實(shí)際啟動(dòng)過(guò)程

SFC控制單元按照預(yù)先設(shè)定的啟動(dòng)程序?qū)敵鲭妷旱姆岛皖l率進(jìn)行控制，在勵(lì)磁系統(tǒng)的配合下使發(fā)電機(jī)啟動(dòng)。SFC大約運(yùn)行25min，啟動(dòng)過(guò)程大致分為四個(gè)階段：

(1) 啟動(dòng)升速：機(jī)組啟動(dòng)前，先由盤(pán)車(chē)裝置將轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速帶到120rpm，隨后SFC向發(fā)電機(jī)定子繞組提供變頻電壓，在勵(lì)磁系統(tǒng)的配合下經(jīng)1min轉(zhuǎn)速升至約700rpm。SFC輸出電壓由1.1kV上升到3.4kV。

(2) 吹掃：當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到700rpm時(shí)，SFC輸出的電壓保持3.4kV基本不變，勵(lì)磁電流也維持約987A基本不變，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速基本恒定，該階段持續(xù)約7min。該階段SFC輸出的電壓波形如圖3所示。通過(guò)對(duì)該階段電壓波形進(jìn)行諧波分析發(fā)現(xiàn)，3次和6次諧波含量最大，2次、4次、5次諧波的含量較少，這主要是由于SFC中整流橋的晶閘管采用6脈沖整流所致。諧波含量如圖4所示。

圖3 吹掃階段SFC輸出電壓波形

圖4 吹掃階段電壓諧波含量

(3) 降速-點(diǎn)火：吹掃完成后，SFC輸出電流逐漸降為0，同時(shí)勵(lì)磁繞組失去勵(lì)磁，機(jī)組轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速降至120rpm時(shí)，燃機(jī)開(kāi)始點(diǎn)火。在該階段，電壓變化過(guò)程如圖5所示。電壓幅值下降到1.1kV左右，電壓頻率瞬時(shí)從12Hz降到2Hz，變化較明顯。

(4) 升速：燃機(jī)點(diǎn)火后，在SFC作用下機(jī)組開(kāi)始加速，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到約為2300rpm左右時(shí)，SFC退出，同時(shí)勵(lì)磁退出，發(fā)電機(jī)由燃機(jī)與汽輪機(jī)共同拖動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速3000rpm。

3 MATLAB建模仿真

3.1 仿真建模

該熱電廠燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)定子每相對(duì)地電容為0.209μF，電纜采用YJV型，電纜電容為：

(1)

表1 PT勵(lì)磁特性實(shí)驗(yàn)

根據(jù)Φ-i與U-i對(duì)應(yīng)關(guān)系并利用分段線(xiàn)性化法可得到PT的Φ-i特性[4]。因此，根據(jù)以上參數(shù)及計(jì)算結(jié)果，得到如圖6所示的Simulink仿真模型。圖中Uabc模塊代表SFC輸出的三相電壓，由現(xiàn)場(chǎng)采集而得，C1、C2、C3代表系統(tǒng)每相對(duì)地電容，RLa、RLb、RLc代表定子三相繞組的阻抗，三個(gè)飽和變壓器代表三組PT。

圖6 Simulink仿真模型

3.2 仿真內(nèi)容與結(jié)果

首先，根據(jù)所建模型對(duì)該電廠現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析；其次仿真了各因素如系統(tǒng)每相對(duì)地電容、PT勵(lì)磁特性、PT勵(lì)磁特性的對(duì)稱(chēng)程度及鐵耗電阻對(duì)鐵磁諧振的影響[5,6]。

3.2.1 該電廠現(xiàn)有參數(shù)的仿真

由于該電廠系統(tǒng)每相對(duì)地電容為0.21μF，PT型號(hào)為JDZX9-20F，發(fā)電機(jī)的定子每相繞組漏感為5.6mH，經(jīng)仿真得PT三相對(duì)地電壓與SFC輸出電壓完全相同，因此并沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)電壓現(xiàn)象；而根據(jù)H.A.Peterson鐵磁諧振理論及現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)可得，當(dāng)XC/XL<0.01時(shí)，不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振[7]。

(2)

因此可判斷，該電廠在現(xiàn)有參數(shù)下燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)SFC啟動(dòng)過(guò)程中，PT不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振，所得結(jié)果與理論相符。

3.2.2 系統(tǒng)對(duì)地電容對(duì)鐵磁諧振的影響

保持PT參數(shù)不變，通過(guò)只改變系統(tǒng)每相對(duì)地電容的大小來(lái)探究系統(tǒng)對(duì)地電容對(duì)鐵磁諧振的影響，仿真結(jié)果如表2所示，從表中可知，隨著系統(tǒng)對(duì)地電容的由小及大，諧振類(lèi)型依次為無(wú)諧振、分頻諧振、基頻諧振和高頻諧振、無(wú)諧振。若有諧振發(fā)生，諧振會(huì)發(fā)生在吹掃階段，而且分頻諧振所對(duì)應(yīng)的電容變化范圍最大，在實(shí)際中所發(fā)生的的PT鐵磁諧振大多數(shù)是分頻諧振。

表2 系統(tǒng)每相對(duì)地電容對(duì)鐵磁諧振的影響

3.2.3 PT勵(lì)磁特性對(duì)鐵磁諧振的影響

發(fā)電機(jī)系統(tǒng)每相對(duì)地電容為0.01μF，保持其他參數(shù)不變，取三組不同PT的Φ-i特性來(lái)分析PT勵(lì)磁特性對(duì)鐵磁諧振的影響，其中1號(hào)PT勵(lì)磁特性線(xiàn)性度最好，3號(hào)PT的勵(lì)磁特性線(xiàn)性度最差，如圖7所示。

圖7 PT不同的勵(lì)磁特性

通過(guò)對(duì)比三組仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著PT勵(lì)磁特性線(xiàn)性程度的減弱，出現(xiàn)諧振的可能性逐漸增加或者諧振過(guò)電壓的幅值越大，因此，為避免鐵磁諧振應(yīng)使用線(xiàn)性程度較好的PT。

另外，我們也分析了PT勵(lì)磁特性對(duì)稱(chēng)性對(duì)鐵磁諧振的影響，發(fā)現(xiàn)三組PT勵(lì)磁特性越不對(duì)稱(chēng)，諧振的可能性越大[8]。在仿真分析PT鐵耗電阻對(duì)諧振的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)鐵耗電阻越大，諧振可能性越高或過(guò)電壓幅值越大。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某熱電廠燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組SFC啟動(dòng)過(guò)程及其啟動(dòng)過(guò)程中是否會(huì)發(fā)生PT鐵磁諧振進(jìn)行分析后得出以下結(jié)論：

(1)SFC輸出電壓中以3次和6次諧波為主，同時(shí)含有少量的2次、4次、5次諧波。

(2)該熱電廠在現(xiàn)有參數(shù)下，即當(dāng)系統(tǒng)每相對(duì)地電容為0.21μF，PT為JDZX9-20型時(shí)，燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)在SFC啟動(dòng)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)鐵磁諧振。

(3)PT參數(shù)一定時(shí)，隨著系統(tǒng)對(duì)地電容的逐漸減小，依次會(huì)出現(xiàn)1/3分頻、1/2分頻、基頻、3次諧波和6次諧波諧振。在燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)SFC啟動(dòng)過(guò)程中，若有諧振發(fā)生，則會(huì)發(fā)生在吹掃階段。

(4)在系統(tǒng)對(duì)地電容一定的情況下，PT勵(lì)磁特性線(xiàn)性度越好，越不容易發(fā)生鐵磁諧振，且三相PT勵(lì)磁特性越不對(duì)稱(chēng)，諧振可能性就越大。