抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程數(shù)字仿真探討

摘要：為了滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的實(shí)際需求，電力行業(yè)建設(shè)者必須高度重視調(diào)峰填谷、控制系統(tǒng)能耗以及提高供電質(zhì)量、確保供電安全等工作。抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，有效地緩解了我國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)中存在的各種問題，在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)揮著不可替代的作用。目前，我國(guó)抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)均以可逆式為主，這種可逆式的機(jī)組都以靜止變頻器和背靠背啟動(dòng)法為主。抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行受諸多因素影響，為了提高該發(fā)電機(jī)的運(yùn)行效率，研究人員必須高度重視抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程數(shù)字仿真探討，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行相關(guān)研究，為提高抽水蓄能機(jī)組的使用效益提供保障。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能機(jī)組 靜止變頻器 啟動(dòng)過程 數(shù)字仿真

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，電力行業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位明顯提高。電能與日常生活聯(lián)系十分緊密，人們對(duì)發(fā)電質(zhì)量以及發(fā)電安全提出了更高要求。以往使用的水輪發(fā)電機(jī)已經(jīng)落后于時(shí)代發(fā)展的步伐，在現(xiàn)代社會(huì)快速發(fā)展的大環(huán)境下，抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)組受到了電力行業(yè)的青睞。抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)組一改常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)組的弊端，具有雙向旋轉(zhuǎn)以及起停頻率高等特點(diǎn)，但是在實(shí)際運(yùn)行中仍存在需設(shè)置專門啟動(dòng)設(shè)置以及過渡過程十分復(fù)雜等弊端。啟動(dòng)問題是發(fā)電機(jī)組面臨的主要問題之一，為了保障電網(wǎng)的安全，研究人員應(yīng)該高度重視抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程數(shù)字仿真探討工作。數(shù)字仿真是提高抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全的重要手段，本文從抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)著手，對(duì)抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程數(shù)字仿真做了簡(jiǎn)單介紹。

1 抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)

1.1 發(fā)電機(jī)工況的啟動(dòng)設(shè)備 抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)以發(fā)電電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)裝置。抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行過程中不能直接與電網(wǎng)相連，發(fā)電機(jī)一旦與電網(wǎng)直接連接，抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)將受到嚴(yán)重的沖擊，引發(fā)用電安全事故。為了降低啟動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，必須減少設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的影響，通常情況下，工作人員會(huì)采用配套設(shè)備完成發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)操作。

1.2 雙向旋轉(zhuǎn)、快速停啟的影響 抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)在實(shí)際使用過程中電動(dòng)機(jī)保持雙向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)頻率非常高，發(fā)電機(jī)的通風(fēng)設(shè)計(jì)和軸承設(shè)計(jì)比較特殊，實(shí)際運(yùn)行過程中，抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)組會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)和承受較大的外力。為了滿足電網(wǎng)調(diào)度的實(shí)際需求，必須保障抽水蓄能機(jī)組能在第一時(shí)間內(nèi)開啟或者關(guān)閉。機(jī)械制動(dòng)力矩越高發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越快，反之，機(jī)械制動(dòng)力矩越低動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越慢，因此，發(fā)電電動(dòng)機(jī)必須配置相關(guān)的電氣制動(dòng)設(shè)備。

1.3 勵(lì)磁系統(tǒng)的特點(diǎn) 常用的啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的方法有靜止變頻器和背靠背兩種，當(dāng)抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)組處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，勵(lì)磁系統(tǒng)應(yīng)該保障足夠的勵(lì)磁電流。因此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)組上建立轉(zhuǎn)子磁勢(shì)，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)和定子磁勢(shì)共同作用后產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2 抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程數(shù)字仿真探討

2.1 靜止變頻器啟動(dòng)原理 靜止變頻器啟動(dòng)接線如下圖1所示。機(jī)組的啟動(dòng)過程受諸多因素影響，在滿足所有啟動(dòng)條件的前提下，機(jī)組啟動(dòng)步驟如下：首先，在需要啟動(dòng)的機(jī)組上添加勵(lì)磁，添加的勵(lì)磁以空載額定電壓為依據(jù)，打開開關(guān)CB2，將勵(lì)磁連接在變頻器上；其次，打開開關(guān)CB1，向定子電阻內(nèi)輸入三相交電流，三相交電流以逐漸上升的趨勢(shì)向定子電阻內(nèi)傳輸，電流互相作用后產(chǎn)生加速力矩；最后，打開開關(guān)CB3，并列機(jī)組內(nèi)部各網(wǎng)線，移除原有位置上的變頻器。

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圖1 靜止變頻器啟動(dòng)接線示意圖

隨著轉(zhuǎn)速逐漸加快，極端電壓不斷降低，逆變器很難完成換流操作，此時(shí)，逆變器處于強(qiáng)迫回流狀態(tài)。如果轉(zhuǎn)速達(dá)到10%以上，逆變器既可以順利完成換流，該過程中產(chǎn)生的電流即為恒定直流。

2.2 變頻啟動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型 變頻啟動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型以坐標(biāo)系統(tǒng)為主，通常情況下采用d、q、o系統(tǒng)建立變頻啟動(dòng)過程的數(shù)學(xué)模型。可逆式發(fā)動(dòng)發(fā)電機(jī)在電動(dòng)機(jī)條件下運(yùn)行時(shí)，d、q、o坐標(biāo)系統(tǒng)中計(jì)算電壓的公式如下：

u■u■u■OO=x■ O x■ x■ OO x■ O O x■x■ O x■ x■ Ox■O x■ x■ OO x■ O O x■Pi■i■i■i■i■

+r -ωxq O O -ωxaqωxd r ωxad ωxad OO O rf O OO O O rD OO O O O iQi■i■i■i■i■ （1）

本文中研究的抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)以電流逆變器為主，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，可以得到準(zhǔn)確的定子繞組電流和轉(zhuǎn)子電壓數(shù)值，而轉(zhuǎn)子電流、定子端電壓以及轉(zhuǎn)速仍是未知數(shù)。在實(shí)際運(yùn)行過程中，定子電壓可以轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)子電流，從而獲得實(shí)際轉(zhuǎn)速。

2.3 變頻啟動(dòng)過程仿真計(jì)算 首先，應(yīng)該計(jì)算已知量和初始值。計(jì)算已知量和初始值的前提是明確換流超前角以及換流重疊角的大小，了解器輸出的直流電流、電壓的有效值以及換相電感等。如果換流處于自然換流狀態(tài)，如圖2所示，可以明確設(shè)計(jì)算初始時(shí)刻電流波的形式。勵(lì)磁基波磁通勢(shì)與空間電角重合，轉(zhuǎn)子的初始位置角符合變頻啟動(dòng)過程仿真計(jì)算要求。下圖2是數(shù)字仿真流程圖。

變頻啟動(dòng)過程仿真計(jì)算比較復(fù)雜，主要步驟如下介紹：第一，輸入電機(jī)參數(shù)、初始值和步長(zhǎng)；第二，計(jì)算TL和θ值；第三，計(jì)算iA、iB、iC值；第四，計(jì)算id、iq、Pid以及Piq值；第五，利用龍格—庫(kù)塔法解狀態(tài)方程，求出if、iD、io以及w值；第六，計(jì)算Te值；第七，計(jì)算ud、ud、uA、uB以及uC值；最后，輸出計(jì)算結(jié)果。仿真計(jì)算結(jié)果表示：阻尼然組在電機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下，能夠保證機(jī)組的正常運(yùn)行，在提高機(jī)組狀態(tài)穩(wěn)定性的前提下，還能減少轉(zhuǎn)子震蕩產(chǎn)生的破壞。當(dāng)變頻器處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，以仿真計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，阻尼繞組可以降低電壓波形中的高次諧波，全面提升電機(jī)的啟動(dòng)性能。

2.4 結(jié)果討論 從上文中的抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程數(shù)字仿真探討中可以得出以下結(jié)論：第一，啟動(dòng)抽水發(fā)動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)，電壓形態(tài)發(fā)生巨大變化，由純正的弦波轉(zhuǎn)化為含有大量諧波的電壓；第二，仿真探索過程中產(chǎn)生的阻尼繞組降低了正弦電壓波形上脈沖的大小；第三，電磁轉(zhuǎn)矩逐漸發(fā)生變化，以脈動(dòng)變化形態(tài)為主，受阻尼繞組的影響，機(jī)組啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速成穩(wěn)定上升狀態(tài)；第四，抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)啟動(dòng)過程中將產(chǎn)生大量電流、電波以及高次諧波，對(duì)數(shù)字仿真中的各種計(jì)算結(jié)果有直接影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)在抽水蓄能建設(shè)方面取得了令人滿意的成績(jī)，研究人員針對(duì)抽水蓄能機(jī)組技術(shù)的研究也獲得了相關(guān)行業(yè)的一致認(rèn)可。隨著研究范圍的擴(kuò)大，抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)的實(shí)際價(jià)格不斷降低，大規(guī)模的風(fēng)能、太陽(yáng)能以及光伏發(fā)電建設(shè)范圍逐漸擴(kuò)大，這為我國(guó)抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)的發(fā)展提供了廣闊的應(yīng)用平臺(tái)，抽水蓄能技術(shù)將得到進(jìn)一步提高。

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作者簡(jiǎn)介：周敏（1985-），女，安徽巢湖無為人，畢業(yè)于安徽電氣工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，主要從事抽水蓄能電站工程項(xiàng)目管理。