基于傳輸線等效模型的變頻器系統(tǒng)故障影響分析

鞠 晨，劉法亮，原長鎖，段 喻，賀 博

(1.國能神東煤炭集團技術(shù)研究院，陜西 榆林 719315；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049)

0 引言

我國的煤炭遠景儲量達5.5萬億噸，其中己探明的儲量有1.2萬億噸，居世界第3位[1]。據(jù)有關(guān)機構(gòu)預(yù)測，到2050年，煤炭在全國一次能源消費中仍將占到50%。隨著煤炭資源整合與企業(yè)兼并重組，煤炭企業(yè)正在向大型化發(fā)展，礦用電氣設(shè)備勢必向著智能化、自動化方向發(fā)展[2-3]。大型、大功率電力采礦設(shè)備的增加，煤炭行業(yè)人工費用比例降低，如何采取合理的措施管理煤炭企業(yè)成本，減少煤炭產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)成本成為企業(yè)關(guān)注的一個重要內(nèi)容[4-6]。而耗電成本占生產(chǎn)成本很大的比例，因此怎樣去提高設(shè)備對電能的利用率、提高工作效率、降低成本，已成為不可忽視的問題。

而在社會生產(chǎn)和生活中，憑借著結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、調(diào)速方式簡單等一系列優(yōu)勢，異步電機一直處于主導(dǎo)地位[7-9]。在我國電氣傳動系統(tǒng)中，90%的電機為異步電動機，因此如何提高異步電機的生產(chǎn)效率是人們關(guān)注的重點問題[10-12]。而裝設(shè)合適的變頻調(diào)速系統(tǒng)是提高生產(chǎn)效率的重要手段[12-15]。近年來，各國學(xué)者和工程師對變頻調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)化提出了很多建議，并取得不錯的效果[16-20]。但是，不管采用何種優(yōu)化，變頻過程中諧波的產(chǎn)生總是不可避免的。這是因為變頻器中包含大量非線性元件，在變頻過程中其輸入端和輸出端都會產(chǎn)生高次諧波[21-24]。變頻器輸出端的電壓會在電機定子繞組、轉(zhuǎn)子回路及鐵芯中產(chǎn)生附加損耗，導(dǎo)致電機的整體能量轉(zhuǎn)換效率降低。變頻器輸入端的諧波會通過輸入電源線對公用電網(wǎng)產(chǎn)生影響諧波的產(chǎn)生會對系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生不小的沖擊。尤其是設(shè)備運行監(jiān)測系統(tǒng)[25-26]，大量的諧波會影響監(jiān)測設(shè)備正常的判斷能力，產(chǎn)生錯誤的信息。

為了更好的分析變頻器的接入和網(wǎng)側(cè)傳輸線路的選取對異步電機系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，筆者詳細研究了網(wǎng)側(cè)傳輸線的類型對于礦用變頻電機系統(tǒng)的影響，以指導(dǎo)礦用變頻電機系統(tǒng)的理論分析和工程設(shè)計。與此同時，針對礦用電機系統(tǒng)常見的雷擊、兩相短路、三相短路、堵轉(zhuǎn)故障和多臺礦用電機同時運行時單臺故障等各種系統(tǒng)故障可能出現(xiàn)的情況進行了研究。通過對不同傳輸線模型下系統(tǒng)發(fā)生故障時的現(xiàn)象進行比較，觀察兩者的差異，從而指導(dǎo)故障監(jiān)測裝置正確運行。通過仿真，揭示了由于變頻器的引入造成的網(wǎng)側(cè)傳輸線特性與系統(tǒng)性能之間的重要聯(lián)系，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。

1 變頻系統(tǒng)電路模型

考慮變頻器和傳輸線效應(yīng)的電機系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 考慮變頻器和傳輸線效應(yīng)的電機系統(tǒng)的示意圖Fig.1 Schematic of a motor system with converter and transmission line effect

其中假設(shè)電網(wǎng)側(cè)為理想電壓源，通過變頻器將恒頻恒壓的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成頻率幅值均可調(diào)的交流電，供給異步電機使用。通過變壓器和傳輸線路將電網(wǎng)中的電能同時供給多個帶有變頻器控制的異步電機，用以分析單個異步電機和多個異步電機的交互影響。為更好的研究傳輸線路參數(shù)模型對系統(tǒng)造成的影響，傳輸線路采用集總電路和分布電路兩種分析方法分別進行分析。電路模型中變壓器額定功率為250 MVA，二次側(cè)額定電壓660 V；電機額定容量37.3 kW/臺；變頻器為ZJT-2*250/660型本質(zhì)安全型變頻器；傳輸電纜電阻為0.132 Ω/km，電抗為0.066 Ω/km。

2 變頻系統(tǒng)故障模擬

根據(jù)此前分析，針對5類故障進行分析：雷擊故障、兩相短路故障、三相短路故障、堵轉(zhuǎn)故障、單臺電機故障。其中短路故障利用Matlab自帶的故障發(fā)生器模擬，堵轉(zhuǎn)故障通過典型PID閉環(huán)控制中電機輸出轉(zhuǎn)矩方程及電路方程聯(lián)立求解模擬，通過合適的條件判別設(shè)置，可實現(xiàn)電機啟動過程中因負載轉(zhuǎn)矩大于最大輸出轉(zhuǎn)矩而導(dǎo)致的啟動階段堵轉(zhuǎn)及運行中因外部負載突增而導(dǎo)致的運行中堵轉(zhuǎn)。

2.1 雷擊故障仿真

雷擊是使系統(tǒng)產(chǎn)生過電壓的重要原因之一。因此，分析雷擊對傳輸電纜產(chǎn)生的影響具有重要意義[27-29]。本研究分別使用集總參數(shù)和分布參數(shù)對雷擊在輸電線所產(chǎn)生的過電壓進行了分析。在集總參數(shù)模型下雷擊所致的輸電電纜過電壓的A相電壓波形隨與雷擊點距離掃描結(jié)果見圖2。分布參數(shù)模型下雷擊所致的輸電電纜過電壓的A相電壓波形隨與雷擊點距離掃描結(jié)果見圖3。

圖2 集總參數(shù)模型下雷擊故障Fig.2 Lightning strike fault in lumped parameter model

圖3 分布參數(shù)模型下雷擊故障Fig.3 Lightning strike fault in distributed parameter model

從數(shù)值上看，集總參數(shù)下計算所得到的過電壓幅值在1.63 MV左右，分布參數(shù)下計算所得到的過電壓幅值在0.85 MV左右，兩者之間存在較大的差異；從暫態(tài)過程來看，集總參數(shù)下的電壓波形相較于分布參數(shù)的振蕩頻率更高。

2.2 兩相短路故障仿真

2.2.1 參數(shù)掃描

為尋找極限情況，對故障發(fā)生相位進行參數(shù)掃描，故障相位掃描結(jié)果見圖4、圖5。

圖4 定子a、b、c相電流故障相位掃描結(jié)果Fig.4 Scanning results of current faults for stator a, b, c phase

圖5 定子a、b、c相電流傳輸線線長掃描結(jié)果Fig.5 Scanning results of transmission line length for stator a, b, c phase

由圖4可知，α=180°時，定子a、b、c相電流變化最為劇烈。基于故障相位掃描結(jié)果，對傳輸線線長進行參數(shù)掃描。由圖5可知，線長L=200 m定子a、b、c相電流變化最為劇烈。因此，為了更明顯的表現(xiàn)傳輸線路和變頻器對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，選定線長為200 m的傳輸線路進行仿真并假設(shè)故障發(fā)生相位為180°。

2.2.2 兩相短路故障數(shù)據(jù)分析

兩相短路故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應(yīng)的頻譜圖見圖6。由圖6(b)和圖6 (e)的比較可知，無論是采用何種參數(shù)模型，變頻器都會使得系統(tǒng)產(chǎn)生250 Hz、350 Hz的諧波分量。但是對比圖6(a) 、圖6 (d)的電流波形圖可以很明顯的觀察到，傳輸線路采用集總參數(shù)模型發(fā)生兩相短路故障時都會有上沖現(xiàn)象產(chǎn)生。并且集總參數(shù)傳輸線含變頻器情況下，A相電流的上沖幅值最大。而模型采用分布參數(shù)模型情況下，A相電流則不存在上沖現(xiàn)象。

圖6 兩相短路故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應(yīng)的頻譜圖Fig.6 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with two-phase short-circuit fault

2.3 三相短路故障仿真

2.3.1 參數(shù)掃描

為尋找極限情況，對故障發(fā)生相位和傳輸線線長進行參數(shù)掃描，故障相位掃描結(jié)果見圖7 (a)，傳輸線線長掃描結(jié)果見圖7 (b)。

圖7 參數(shù)掃描結(jié)果Fig.7 Parameter scanning results

由仿真結(jié)果可知，α=0°，線長L=200 m時，定子a、b、c相電流變化最為劇烈。因此，選定線長為200 m的傳輸線路進行仿真并假設(shè)故障發(fā)生相位為0°。

2.3.2 三相短路故障數(shù)據(jù)分析

圖8為系統(tǒng)只有一個異步電機處于工作狀態(tài)時，發(fā)生三相短路故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應(yīng)的頻譜圖。

由圖8(b)、圖8 (c)和圖8 (e)、圖8 (f)的比較可知，含有變頻器時，正常運行階段和圖4相同，產(chǎn)生了250 Hz、350 Hz的諧波分量。與兩相短路情況不相同，變頻器的引入不會使三相短路故障產(chǎn)生新的諧波分量。同時，對比圖8(a)、圖8 (d)的電流波形圖，傳輸線路采用集總參數(shù)模型發(fā)生三相短路故障時會有上沖現(xiàn)象產(chǎn)生。而模型采用分布參數(shù)模型A相電流則不存在上沖現(xiàn)象。當(dāng)變頻器引入采用分布參數(shù)模型的系統(tǒng)時，見圖8(d)，故障發(fā)生時會產(chǎn)生復(fù)雜的振蕩現(xiàn)象，這與兩相短路的情況大不相同。

圖8 三相短路故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應(yīng)的頻譜圖Fig.8 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with three-phase short circuit fault.

2.4 堵轉(zhuǎn)故障診斷

2.4.1 參數(shù)掃描

為尋找極限情況，對故障發(fā)生相位和傳輸線線長進行參數(shù)掃描，故障相位掃描結(jié)果見圖9(a)，傳輸線線長掃描結(jié)果見圖9(b)。

圖9 參數(shù)掃描結(jié)果Fig.9 Parameter scanning results

由仿真結(jié)果可知，故障相位時刻對于系統(tǒng)的影響不大，線長L=200 m時，定子a、b、c相電流變化最為劇烈。因此，選定線長為200 m的傳輸線路。

2.4.2 堵轉(zhuǎn)故障數(shù)據(jù)分析

圖10為系統(tǒng)只有一個異步電機處于工作狀態(tài)時，發(fā)生堵轉(zhuǎn)故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應(yīng)的頻譜圖。

由圖10(a)和圖10(d)可以觀察到，含有變頻器時，與圖6、圖8發(fā)生短路故障時的現(xiàn)象不同，無論是集總參數(shù)還是分布參數(shù)，故障的產(chǎn)生都不會有上沖現(xiàn)象產(chǎn)生。并且無論是集總參數(shù)模型還是分布模型，故障的發(fā)生都不會對原有系統(tǒng)產(chǎn)生新的諧波分量。

圖10 堵轉(zhuǎn)故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應(yīng)的頻譜圖Fig.10 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with blocking fault

2.5 兩臺電機同時運行單臺電機故障診斷

2.5.1 參數(shù)掃描

對故障發(fā)生相位和傳輸線線長進行參數(shù)掃描，故障相位掃描結(jié)果見圖11，傳輸線線長掃描結(jié)果見圖12。

圖11 故障相位掃描結(jié)果Fig.11 Scanning results of fault phase

圖12 傳輸線長掃描結(jié)果Fig.12 Scanning results of transmission line length

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)兩臺電機同時運行發(fā)生故障時，電機1定子a相電流變化最激烈的情況是α=0°,60°時，電機2定子a相電流變化最激烈的情況是α=60°,120°時。線長L=200 m電機1、電機2的定子a相電流變化最為劇烈。

2.5.2 多臺電機運行中單臺電機故障數(shù)據(jù)分析

圖13為系統(tǒng)兩臺電機同時運行時，單臺電機發(fā)生三相短路故障變頻器側(cè)B相電流的時域波形圖和其對應(yīng)的頻譜圖。

圖13 單臺電機發(fā)生三相短路故障變頻器側(cè)A相電流的時域波形圖和其對應(yīng)的頻譜圖Fig.13 Time-domain waveform and frequency spectrum of A-phase current on converter side with three-phase short circuit fault for single motor

由圖13(a)和圖13 (d)的比較可知，故障發(fā)生時采用集總參數(shù)傳輸線會產(chǎn)生上沖脈沖，而分布參數(shù)傳輸線則會產(chǎn)生阻尼現(xiàn)象。而且集總參數(shù)模型較分布參數(shù)模型需要較大的調(diào)節(jié)時間。從圖13(b)、圖13 (c)、圖13 (e)、圖13 (f)中可以觀察到，無論是正常運行階段還是故障階段，集總參數(shù)會產(chǎn)生250 Hz、350 Hz的諧波分量，而分布參數(shù)則不會。

3 結(jié)論

針對傳輸線路模型的不同，對異步電機系統(tǒng)進行了SIMULINK仿真。首先建立了其簡單電路模型，然后通過控制變量法，觀察引入變頻器和選取傳輸線路的模型對故障現(xiàn)象產(chǎn)生的影響。研究得到以下結(jié)論：

1)采用集總參數(shù)模型時所測得雷擊過電壓的幅值，較分布參數(shù)模型所得的電壓幅值偏大。

2)故障發(fā)生時，傳輸線采用集總參數(shù)模型往往會產(chǎn)生一個較大的上沖信號，而采用分布參數(shù)模型卻不會。

3)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障時，變頻器側(cè)短路電流會產(chǎn)生復(fù)雜的振蕩現(xiàn)象，而當(dāng)多電機同時運行，單臺電機發(fā)生三相短路故障時，短路電流呈現(xiàn)阻尼現(xiàn)象。不同故障類型下傳輸線分布參數(shù)模型所表現(xiàn)出來的現(xiàn)象大不相同。

4)不同故障類型對集總參數(shù)模型作為傳輸線模型的系統(tǒng)影響不大，而對采用分布參數(shù)模型的系統(tǒng)有較大影響。