大容量電機(jī)啟動(dòng)方式對電網(wǎng)的影響

司小慶，王徐延，葉婷，王寶華

(1.南京供電公司，南京市210008;2.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京市210094)

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，大功率同步電機(jī)由于其功率因數(shù)高、轉(zhuǎn)速不隨負(fù)載變化、運(yùn)行穩(wěn)定性高等［1］優(yōu)點(diǎn)普遍應(yīng)用于各行各業(yè)，已經(jīng)成為工礦企業(yè)的主要?jiǎng)恿Α４笮碗姍C(jī)在全壓啟動(dòng)時(shí)，空載啟動(dòng)電流會(huì)達(dá)到額定電流的4～7倍，帶載時(shí)可達(dá)8～10倍［2］。強(qiáng)大的啟動(dòng)電流會(huì)造成較大的線路電壓降落，降低電網(wǎng)電壓，不僅影響其他用電設(shè)備的正常工作，而且也會(huì)對動(dòng)力變壓器產(chǎn)生較大的沖擊［3］。而且，大電機(jī)電氣啟動(dòng)過程中還存在操作問題、設(shè)備配合問題、設(shè)計(jì)問題及安裝質(zhì)量問題等［4-5］。因此，對同步電機(jī)的啟動(dòng)方式進(jìn)行分析研究顯得非常重要。

工程中，大型中壓同步電機(jī)往往采用軟啟動(dòng)方式，而大型同步電機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)由最初的定子串電阻、電抗器降壓啟動(dòng)，發(fā)展到現(xiàn)在的自耦變壓器降壓啟動(dòng)，晶閘管調(diào)壓控制的變頻電子軟啟動(dòng)［6-8］。自耦變壓器降壓啟動(dòng)需電網(wǎng)提供的啟動(dòng)電流較小，對電網(wǎng)電壓的影響小。電機(jī)用高壓變頻裝置做軟啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流可以根據(jù)需要設(shè)定。但是交流電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)復(fù)雜，產(chǎn)品價(jià)格昂貴，而軟啟動(dòng)對啟動(dòng)性能要求不是那么嚴(yán)格，所以變頻器用作軟啟動(dòng)器是大材小用［9］。

目前，軟啟動(dòng)技術(shù)已日趨成熟。文獻(xiàn)［10-12］主要介紹了幾種軟啟動(dòng)方式及其優(yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)［13］介紹了某6 300 kW電機(jī)起動(dòng)用自耦變壓器的工作情況，通過具體實(shí)例驗(yàn)證自耦變壓器降壓啟動(dòng)的優(yōu)勢。文獻(xiàn)［14］提出一種開關(guān)變壓器技術(shù)，可將其作為大型及超大型高壓電機(jī)起動(dòng)的優(yōu)選方法。文獻(xiàn)［15］采用單片機(jī)與可控硅制作了一種變頻式軟啟動(dòng)器，為實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、低諧波的軟啟動(dòng)器奠定了基礎(chǔ)。上述文獻(xiàn)沒有結(jié)合具體電力系統(tǒng)來詳細(xì)討論大容量電機(jī)啟動(dòng)方式對電網(wǎng)電壓降落的影響，并利用討論結(jié)果去確定電機(jī)啟動(dòng)方式及選擇電氣設(shè)備。

本文研究大容量同步電機(jī)直接啟動(dòng)及自耦變壓器降壓啟動(dòng)對系統(tǒng)母線電壓的影響，通過仿真數(shù)據(jù)和理論計(jì)算結(jié)果的對比分析，在考慮提高接入點(diǎn)電網(wǎng)電壓質(zhì)量的同時(shí)，將對其他接入電機(jī)母線的用戶供電的影響降至最低，為電網(wǎng)安全運(yùn)行提供指導(dǎo)依據(jù)及技術(shù)支撐。

1 大容量電機(jī)啟動(dòng)

大容量同步電機(jī)一般需要通過用戶總降變電所供電，高壓側(cè)一般為35kV及以上電壓等級，低壓側(cè)一般為10kV或6kV;電機(jī)開關(guān)柜由戶內(nèi)電纜接至用戶變低壓側(cè)母線，其典型的供用電系統(tǒng)如圖1所示。圖中PCC為公共連接點(diǎn)(point of common coupling)。

設(shè)電機(jī)所接開關(guān)柜母線電壓(即電動(dòng)機(jī)額定電壓)為UN。進(jìn)行電路計(jì)算時(shí)，采用標(biāo)幺值，基準(zhǔn)電壓取各母線額定電壓。無窮大系統(tǒng)的等效電抗為

式中:SC為系統(tǒng)PCC點(diǎn)的短路容量;SB為基準(zhǔn)功率。

電機(jī)接入系統(tǒng)的總阻抗為

式中:ZL1為雙回輸電線路的等值阻抗;XT為用戶總降變的等效電抗;ZL2為用戶變低壓側(cè)出線電纜的等值阻抗。

(1)直接啟動(dòng)方式下。大容量電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)所接開關(guān)柜母線處的等值阻抗為

開關(guān)柜母線的電壓降落為

式中IStart1為啟動(dòng)電流，其數(shù)值為額定電流IN的n倍。

PCC點(diǎn)處電壓降落為

(2)自耦變壓器降壓啟動(dòng)方式下。自耦變壓器一般都有幾個(gè)可選抽頭，啟動(dòng)電流和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以靠改變抽頭來調(diào)節(jié)，設(shè)自耦變壓器二次電壓與一次電壓之比為K，則流入電網(wǎng)的啟動(dòng)電流Istart2只有直接啟動(dòng)時(shí)的K2倍，即

這種方式下，開關(guān)柜母線的電壓降落為

PCC點(diǎn)處電壓降落為

以南京普萊克斯大容量電機(jī)啟動(dòng)為例。該用戶通過雙回110kV線路從220kV板橋變電站受電，用戶總降變電站10kV側(cè)母線分三路向普萊克斯新廠供電:其中1號開關(guān)柜接一期空壓機(jī)、聯(lián)壓機(jī)、氮壓機(jī)的容量為16 MVA;2號開關(guān)柜接二期空壓機(jī)，容量合計(jì)39 MVA;3號開關(guān)柜接二期聯(lián)壓機(jī)與氮壓機(jī)。根據(jù)南京電網(wǎng)公司提供的數(shù)據(jù)，在電網(wǎng)最大運(yùn)行方式下，板橋變電站110kV的短路容量為2 000 MVA;在電網(wǎng)最小運(yùn)行方式下，板橋變電站110kV的短路容量為1 000 MVA。

結(jié)合普萊克斯項(xiàng)目的實(shí)際情況，基準(zhǔn)功率取100 MVA，計(jì)算得到電網(wǎng)不同運(yùn)行方式下，二期空壓機(jī)分別采用直接啟動(dòng)和自耦變壓器降壓啟動(dòng)方式時(shí)開關(guān)柜10kV母線與PCC處母線的電壓降落如表1所示。

表1 直接啟動(dòng)和自耦變壓器降壓啟動(dòng)方式下母線電壓降落計(jì)算結(jié)果Tab.1 Bus voltage drop calculations under direct starting mode or step-down starting mode of autotransformer

由表1可知:自耦變壓器啟動(dòng)方式下引起的母線電壓降落要小于直接啟動(dòng)所產(chǎn)生的壓降;所選取的自耦變壓器抽頭越小，引起的母線電壓降落也越小，電壓質(zhì)量越高;電網(wǎng)短路容量越大，電機(jī)啟動(dòng)引起的母線電壓降落越小。在電網(wǎng)最小運(yùn)行方式下，無論電機(jī)采取何種啟動(dòng)方式，PCC處母線的電壓降落大于或臨近5%的限值，若要保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)PCC處母線的電壓降落滿足要求，則要進(jìn)一步降低啟動(dòng)電壓，但這將會(huì)造成啟動(dòng)時(shí)間過長;而在最大運(yùn)行方式下直接啟動(dòng)時(shí)，開關(guān)柜母線電壓降落超過規(guī)定的15%［16］，因此普萊克斯二期空壓機(jī)宜在電網(wǎng)大運(yùn)行方式下采用自耦變壓器降壓啟動(dòng)。以電機(jī)額定值為基準(zhǔn)):直軸同步電抗Xd為116%，直軸暫態(tài)同步電抗Xd'為35%，電樞漏磁電抗XL為15%，交軸同步電抗Xq與交軸暫態(tài)同步電抗Xq'為73%，直軸暫態(tài)開路時(shí)間常數(shù)Td0'為3.88 s。

以電網(wǎng)最大運(yùn)行方式為例，仿真得到電機(jī)直接啟動(dòng)與自耦變壓器降壓啟動(dòng)(85%抽頭)時(shí)，110kV板橋變電站與2號開關(guān)柜母線電壓波形圖如圖3、4所示。

2 啟動(dòng)方式的仿真分析

根據(jù)實(shí)際情況，建立如圖2所示的仿真模型。其中U0為無窮大系統(tǒng)等值模型的電壓，系統(tǒng)PCC點(diǎn)為板橋變電站110kV母線，一期3臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)接于1號開關(guān)柜，二期空壓機(jī)接于2號開關(guān)柜，二期聯(lián)壓機(jī)和氮壓機(jī)接于3號開關(guān)柜。其中二期空壓機(jī)設(shè)置參數(shù)如下:額定功率為19 870 kW，額定電壓為10kV，額定電流為1 165 A，功率因數(shù)為100%，在負(fù)載分別為100%、75%、50%情況下的效率分別設(shè)為98.39%、98.3%、97.9%，啟動(dòng)電流倍數(shù)為 440%。由于二期空壓機(jī)采用暫態(tài)模型，須設(shè)置以下參數(shù)(均

圖2 仿真模型Fig.2 Simulation model

圖3 電網(wǎng)大運(yùn)行方式下，二期空壓機(jī)不同啟動(dòng)方式下110kV板橋變電站電壓波形Fig.3 Voltage waveform of 110kV Banqiao substation under different starting modes of air compressor and large operation mode of power grid

圖4 電網(wǎng)大運(yùn)行方式下，二期空壓機(jī)不同啟動(dòng)方式下2號開關(guān)柜母線電壓波形Fig.4 Voltage waveform of 2 switchgear under different starting modes of air compressor and large operation mode of power grid

由于仿真中板橋變電站為平衡節(jié)點(diǎn)，故在二期空壓機(jī)啟動(dòng)之前，其電壓為100%，而輸電電纜阻抗的存在會(huì)引起電網(wǎng)上的電壓損耗，所以2號開關(guān)柜母線電壓初始值為99.411%。如圖4(a)所示，10 s時(shí)，二期空壓機(jī)直接啟動(dòng)，由于同步電機(jī)的啟動(dòng)電流比較大，各母線會(huì)產(chǎn)生較大的電壓降落，直到15.78 s時(shí)刻空壓機(jī)啟動(dòng)完成，最終電機(jī)在36.3 s時(shí)刻達(dá)到額定運(yùn)行狀態(tài)。

比較圖4(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，二期空壓機(jī)采用自耦變壓器降壓啟動(dòng)的過程與直接啟動(dòng)還是有所不同的。主要體現(xiàn)在:空壓機(jī)自耦變壓器降壓啟動(dòng)過程中，母線電壓降落較直接啟動(dòng)時(shí)變小，在自耦變壓器切除的時(shí)刻，由于電動(dòng)機(jī)端電壓突然上升至額定電壓，此時(shí)各母線電壓會(huì)有明顯的突降，此后電動(dòng)機(jī)慢慢進(jìn)入同步狀態(tài)，母線電壓也逐漸穩(wěn)定。

理論計(jì)算結(jié)果與仿真結(jié)果的比較如表2所示。從表2可看出，電機(jī)直接啟動(dòng)對母線電壓的影響較大，會(huì)導(dǎo)致母線電壓降落超過電壓質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。電機(jī)若采用自耦變壓器降壓啟動(dòng)方式，能夠在一定程度上減少母線電壓降落。同時(shí)，自耦變壓器采用不同抽頭，也會(huì)對母線電壓產(chǎn)生不同的影響。另外，由仿真結(jié)果可知:最大運(yùn)行方式下同步電機(jī)直接啟動(dòng)所需時(shí)間為26.3 s;自耦變壓器降壓啟動(dòng)方式時(shí)，選取85%抽頭時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間為27.6 2 s，選取80%抽頭時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間為28.24 s，選取75%抽頭時(shí)的啟動(dòng)時(shí)間為29 s。由此可知，電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)間最短，自耦變壓器啟動(dòng)時(shí)間會(huì)相應(yīng)增加，且所選抽頭越小，啟動(dòng)時(shí)間越長。綜合考慮母線電壓降落與啟動(dòng)時(shí)間，二期空壓機(jī)啟動(dòng)應(yīng)采用自耦變壓器起動(dòng)方式，且選取80%的抽頭。在其他運(yùn)行條件相同的情況下，電網(wǎng)大運(yùn)行方式下母線的電壓降落要遠(yuǎn)小于電網(wǎng)小運(yùn)行方式下的電壓降落。

表2 仿真與計(jì)算結(jié)果匯總Tab.2 Simulation and calculation results

3 結(jié)論

(1)同步電機(jī)選取同一啟動(dòng)方式，系統(tǒng)小運(yùn)行方式下母線電壓降落明顯高于大運(yùn)行方式。因此，大容量電動(dòng)機(jī)宜在系統(tǒng)大運(yùn)行方式下啟動(dòng)。

(2)在系統(tǒng)大運(yùn)行方式下，普萊克斯大容量同步電機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，PCC處母線電壓降落在5%內(nèi)，而開關(guān)柜母線電壓降落超過15%，無法滿足電壓質(zhì)量要求。若采用自耦變壓器啟動(dòng)方式，選取自耦變壓器80%抽頭，就能將開關(guān)柜母線電壓降落控制在15%內(nèi)。

(3)大容量同步電機(jī)啟動(dòng)時(shí)引起的電壓降落與電網(wǎng)運(yùn)行方式、系統(tǒng)阻抗、電機(jī)參數(shù)等因素密切相關(guān)。若直接啟動(dòng)時(shí)電壓降落過大，宜采用較為經(jīng)濟(jì)的自耦變壓器降壓啟動(dòng)方式。同時(shí)，在滿足電壓降落的前提下，宜選擇自耦變壓器較大抽頭，以降低電機(jī)啟動(dòng)時(shí)間。

(4)比較仿真分析與理論計(jì)算，母線電壓降落的仿真結(jié)果均大于計(jì)算結(jié)果。原因是在進(jìn)行電動(dòng)機(jī)自耦變壓器降壓啟動(dòng)的工程計(jì)算時(shí)，只考慮了電動(dòng)機(jī)支路啟動(dòng)電流，而實(shí)際上，與電機(jī)并聯(lián)的自耦變壓器二次側(cè)繞組中也存在電流，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果較仿真值偏小。因此，理論計(jì)算只是粗略地估計(jì)電機(jī)啟動(dòng)對母線電壓影響，方法相對較為簡便，而仿真分析的結(jié)果更加準(zhǔn)確、切合實(shí)際。

［1］肖永濤，劉蓮輝.同步電機(jī)啟動(dòng)過程優(yōu)化控制研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2010，27(7):162-166.

［2］張?jiān)葡?8 500 kW同步電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)裝置的性能及應(yīng)用［J］.有色金屬設(shè)計(jì)，2003，30(S1):142-143.

［3］周芹剛，孫本勝.大功率電機(jī)啟動(dòng)方式的比較與選擇［J］.氯堿工業(yè)，2007(8):13-15.

［4］孫鋼虎，兀鵬越，牛利濤，等.火電機(jī)組電氣啟動(dòng)試驗(yàn)中的問題及處理［J］.電力建設(shè)，2012，33(7):46-49.

［5］兀鵬越，胡任亞，陳飛文，等.1 036MW機(jī)組的電氣整套啟動(dòng)調(diào)試［J］.電力建設(shè)，2010，31(7):77-80.

［6］Phipps C A.Variable speed drive fundamentals［M］.The Fairmont Press，1999:38-39.

［7］孫旭東.大容量同步電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)控制［J］.清華大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，1999，39(9):22-25.

［8］劉海亭，汪劍嗚，竇汝振，等.無刷直流電機(jī)啟動(dòng)過程仿真研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2012，29(1):389-394.

［9］孟彥京，謝仕宏，陳景文.交流電機(jī)軟啟動(dòng)技術(shù)理論的發(fā)展與分析［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，22(6):83-87.

［10］楊潔.大功率設(shè)備軟啟動(dòng)的方式及優(yōu)缺點(diǎn)比較［J］.科技信息，2011(4):411.

［11］張紹文.電動(dòng)機(jī)軟起動(dòng)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，16(2):14-15.

［12］蘭易軍.大功率設(shè)備軟啟動(dòng)的方式及優(yōu)缺點(diǎn)比較［J］.中小企業(yè)管理與科技，2010(10):234-235.

［13］劉秀誠，劉莉誠.6 300 kW電機(jī)起動(dòng)用自耦變壓器的探討［J］.變壓器，1995(8):36-38.

［14］張智元.大型及超大型電動(dòng)機(jī)起動(dòng)方法之比較與優(yōu)選［J］.大電機(jī)技術(shù)，2007(3):27-30.

［15］成燕，梁中華，孫勇軍，等.一種變頻式軟啟動(dòng)器的探討［J］.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2002，24(2):22-25.

［16］劉劍峰.大型高壓電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方式選擇［J］.甘肅科技，2010，26(23):69-72.