東部電網大功率直啟負荷啟動方式分析

劉智洋， 穆興華， 宋杭選， 劉 進， 陳曉光， 曹 融

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

●電力電子及電力系統(tǒng)自動化●

東部電網大功率直啟負荷啟動方式分析

劉智洋， 穆興華， 宋杭選， 劉 進， 陳曉光， 曹 融

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030)

2017年黑龍江電網東部地區(qū)計劃投入3臺功率較大的直啟負荷，為探究其啟動過程對電網造成的沖擊，采用電力系統(tǒng)分析綜合程序對不同的啟動組合方式進行仿真分析。建立沖擊負荷模型，計算啟動過程中幾個關鍵節(jié)點的最大電壓降落和其波動比例，為電網調度控制及運行方式的編制提供理論依據。

直啟負荷；電力系統(tǒng)分析綜合程序；沖擊負荷模型；電壓降落；運行方式

交流電動機在各行業(yè)具有廣泛的應用，而電動機的啟動過程由于需要消耗大量的無功功率，將會對電網造成一定的沖擊，形成短時低電壓狀態(tài)，這種沖擊隨著電動機功率的增加而越發(fā)明顯。因此大功率電動機常常采用降壓方式啟動，以減小對電網的沖擊[1]。

黑龍江省東部某地區(qū)將在2017年投入一批灌溉負荷，其主要組成包含3臺直啟電動機。由于其功率相對較大，啟動過程可能對該地區(qū)的電網造成一定的沖擊，電壓短時將下降很多，這是否會對電網的安全穩(wěn)定性產生影響，需要通過仿真進行驗證。

1 電動機不同啟動方式的影響分析

1.1 直接啟動

直接啟動即全壓啟動，是通過斷路器或隔離開關直接將電動機以額定電壓接到電網上進行啟動，這是最簡單的啟動方式[2]，有如下優(yōu)點：

1)設備簡單。直接啟動只需要開關進行通斷操作，不需要變壓，具有設備簡單、操作容易的優(yōu)點。

2)啟動速度快。直接啟動沒有變壓過程，省去很多環(huán)節(jié)，而且由于是全壓啟動，電動機啟動后很快就可以達到額定轉速，啟動過程較快。

3)啟動轉矩大。直接啟動由于施加額定電壓，無功充電快，功率爬升迅速，啟動轉矩相對較大，由于電動機轉矩與電壓的平方成正比關系，這種轉矩的差異較為明顯。

直接啟動雖有如上優(yōu)點，但是不可避免存在一些弊端：

1)對電網存在沖擊。電動機從靜止到旋轉過程中初始有一小段時間處于堵轉狀態(tài)，這時產生的啟動電流非常大，通常若空載啟動會達到額定電流的4～7倍，帶負載啟動將會更大，甚至達到8～10倍。這相當于在電網上瞬間接入一個非常大的負荷，再在若干秒后緩慢撤走，由此造成該地區(qū)電壓一降一升的波動。若電動機的功率較大，壓降就很可觀，不僅影響其他用電設備，嚴重時可能造成電壓崩潰。

2)對電動機本身的損耗。過大的啟動電流會使電動機繞組和導線發(fā)熱，加速絕緣老化，減少電動機壽命。同時過大的啟動電流和低電壓容易造成過流保護、欠壓保護等繼電保護設備誤動，產生有害影響。

3)對其他附加設備的影響。突然間產生的較大轉矩會對機械設備造成沖擊，對于電動機本身來說容易造成絕緣磨損，對于外部設備來說可能出現轉軸扭曲、傳動齒輪損傷、傳動皮帶撕裂以及泵等設備的管道和閥門損壞等問題。

基于以上弊端，功率較大的電動機往往不適合直接啟動，需采取一定的措施以減小啟動過程中的各種沖擊。

1.2 軟啟動

軟啟動即降壓啟動，是利用輔助設備先在電動機端施加低于額定電壓的一個電壓值，待電動機達到一定轉速后再恢復為額定電壓供電的啟動方式。傳統(tǒng)的軟啟動有下面幾種[3-4]：

1)星-角降壓啟動。將電動機定子繞組接成星型進行啟動，待啟動成功后換成角型接法，利用兩種接法的電壓倍數關系達到降壓的目的。其缺點是降壓比例固定，無法調節(jié)。

2)串聯電阻降壓啟動。在定子或轉子回路中串聯電阻，分擔電壓，達到降壓啟動的目的。這種方法可以通過調節(jié)阻值調節(jié)降壓比例，缺點是串聯的電阻會產生熱損耗，造成能源浪費。

3)變壓器降壓啟動。通過諸如自耦變壓器進行降壓啟動，調節(jié)靈活，轉矩損失可控。缺點是增加額外設備，成本高，維修復雜。

還有一些新型的軟啟動方式如晶閘管軟啟動、變頻軟啟動等[5]，這些啟動方式較為復雜，在一些要求較高的場合才考慮采用。

2 系統(tǒng)仿真分析原則

2.1 仿真計算程序

仿真計算程序采用中國電科院開發(fā)的《電力系統(tǒng)分析綜合程序》(PSASP 7.16版)。

PSASP具有潮流計算、暫穩(wěn)計算、短路計算、小干擾計算等功能，是一套功能強大的電力系統(tǒng)分析軟件包。該程序已于2016年升級至7.16版，新版程序在修復原有程序錯誤的基礎上，又增加了一些新的輔助功能，較舊版本有了一定的突破。

2.2 負荷模型

此次仿真涉及的3臺電動機均為直啟電動機，在電源接通的瞬間電流迅速增大為額定電流的4～10倍，即

Iq=SIN

式中：Iq為啟動電流；IN為額定電流；S為電流倍數，取4～10。

由于是灌溉負荷，電動機牽引的水泵在啟動前一般保留一些存水，在啟動瞬間既不是空載，也不是滿載。規(guī)定啟動模型的最高瞬時電流為：有功分量為額定值的5倍，無功分量為額定值的7倍，即以功率的形式表示為

Pq=5PN

Qq=7QN

式中：Pq為有功功率啟動瞬時值；Qq為無功功率啟動瞬時值；PN為有功功率額定值；QN為無功功率額定值。

電流達到最大值后，隨著電動機轉速上升，電流逐漸下降，最終穩(wěn)定在額定值。為模擬該過程，采用PSASP中的沖擊負荷模型進行建模，運用暫態(tài)穩(wěn)定計算模塊進行仿真分析。

2.3 計算邊界條件

1)灌溉負荷以夏季為主，因此考慮針對夏季大負荷方式進行仿真，計算所用電網數據采用2017年末預計電網結構數據。

2)斷面潮流極限控制：該負荷接于黑龍江電網東部雙鴨山地區(qū)，仿真主要針對該區(qū)域，故僅需對該區(qū)域進行約束，控制東部網外送能力為3100 MW，其他斷面不進行約束。

3 不同組合啟動方式仿真分析

3.1 接線形式

該負荷接于220 kV米都變，米都變以雙回LGJ-400型號導線接于500 kV前進變，距離前進變45 km，處于雙鴨山環(huán)網之中，為負荷終端，具體接線情況如圖1所示。

3.2 負荷模型曲線

按照前述的負荷建模原則，電動機啟動最高瞬時電流有功分量和無功分量分別取額定值的5倍和7倍。隨著電動機轉速上升，電流逐漸下降，前期下降速度較快，后期下降速度逐漸減慢，最終趨于穩(wěn)定，整個啟動過程大約持續(xù)17 s。假定從仿真程序開始進行1 s后，電動機合閘啟動，選取4 s、10 s、15 s、20 s幾個關鍵點，建立分段有功負荷曲線為

圖1 雙鴨山環(huán)網接線圖Fig.1 Loop Wiring diagram in Shuangyashan area

P1=0，t=0～1 s

P2=-0.047t+0.887，t=1～4 s

P3=-0.067t+0.967，t=4～10 s

(4)

P4=-0.02t+0.5，t=10～15 s

P5=-0.006t+0.29，t=15～20 s

以相同原理建立無功負荷曲線為

Q1=0，t=0～1 s

Q2=-0.017t+0.417，t=1～4 s

Q3=-0.033t+0.483，t=4～10 s

(5)

Q4=-0.013t+0.31，t=10～15 s

Q5=0.07，t=15～20 s

其中，有功負荷和無功負荷均為標幺值。在仿真程序中設置負荷的參數值，以折線圖近似模擬電動機啟動過程中有功電流與無功電流的變化過程。圖2為3臺電動機同時啟動時的負荷模型曲線，其中偏上方的曲線為負荷有功分量，偏下方的曲線為無功分量，橫軸為時間軸，縱軸為負荷標幺值，最終穩(wěn)定后，無功分量約占有功分量1/3左右。

3.3 仿真結果

實際仿真時，需分別對3臺電動機進行1臺、2臺同時、3臺同時等不同組合情況進行仿真分析，以便掌握不同啟動方式可能對電網造成影響的嚴重程度。3臺同時啟動的方式對電網的影響最大，這里著重對這種情況進行仿真分析。

圖2 三機同啟負荷模型曲線Fig.2 Load model curves when three motors are started at the same time

按照上述負荷模型建模，進行機電暫態(tài)仿真，得到如圖3所示的電壓波動曲線。

圖3中，縱軸是以標幺值為單位表示的電壓值，顯示范圍為1.045～1.085 p.u.，每一個網格的間隔為0.005 p.u.；橫軸為時間軸，每個網格間隔5 s，合計仿真20 s。3條曲線由上至下分別為前進變500 kV母線、前進變220 kV母線、米都變220 kV母線，這三線母線是與該沖擊負荷距離最近的，受其影響也最明顯。為使圖面更清晰，在顯示選項中僅勾選了這3條母線電壓進行展示。

圖3 啟動過程機電暫態(tài)仿真結果Fig.3 Electromechanical transient simulation result during starting process

從圖3可以看出，受影響最大的米都變220 kV母線，其初始電壓為236.9 kV，電動機啟動瞬間電壓最低時被拉到230.1 kV，最后平穩(wěn)后穩(wěn)定在236.3 kV，最大壓降為7 kV左右，波動比例2.87 %，尚在可接受的范圍之內。

3.4 不同啟動方式比較

現考慮夏天大負荷運行方式下的不同啟動組合情況，經過計算，各種方式下的電壓波動情況如表1所示。

表1 夏季大負荷下不同啟動方式的電壓波動情況

Tab.1 Voltage fluctuations in different starting modes under heavy load in summer kV

為更加直觀，采用柱狀圖對上述結果進行解析，如圖4所示。

圖4 不同啟動方式下電壓波動比例統(tǒng)計Fig.4 Voltage fluctuations ratio statistics in different starting modes

整體看來，同時啟動的臺數越多，電壓波動越大；距離啟動中心越遠，電壓波動越小，符合電網特性的一般規(guī)律。

4 結 論

通過計算得知，3臺電動機同時啟動時，米都變220kV母線的壓降尚在可接受的范圍內，周圍其他變電站受到的影響更小。但是將近7 kV的壓降，其絕對數值也不容忽視，若考慮3臺電動機分別啟動，雖然壓降的數值有所降低，電網卻要遭受3次沖擊。因此，是否利用增加沖擊次數來換取較小的沖擊幅度，這是一個需要權衡的問題，應在實際調度過程中具體情況具體分析。

[1] 詹紅．電動機啟動方式的選擇[J]．電世界，2002(2)：38-40． ZHAN Hong. Selection of motor starting methods[J]. Electrical World, 2002(2): 38-40.

[2] 孟彥京，謝仕宏．交流電機軟啟動技術理論的發(fā)展與分析[J]．陜西科技大學報，2004(6)：83-87． MENG Yanjing, XIE Shihong. Development and analysis about soft-starting theory of induction hotor[J]. Journal of Shaanxi University of Science & Technology, 2004(6): 83-87.

[3] 何仰贊，溫增銀．電力系統(tǒng)分析[M]．武漢：華中科技大學出版社，2002． HE Yangzan, WEN Zengyin. Power System Analysis[M]. Wuhan: Hua Zhong University of Science & Technology Press, 2002.

[4] 許大中．交流電機調速理論[M]．杭州：浙江大學出版社，1991． XU Dazhong. AC motor speed control theory[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 1991.

[5] GINART A， ESTELLER R, MADURO A,et al．High starting torque for AC SCR controller[J]．IEEE Transactions on Energy Conversion，1999：14(3):553-559．

(編輯 侯世春)

Analysis on starting method of high power direct-start load in eastern Heilongjiang power grid

LIU Zhiyang, MU Xinghua, SONG Hangxuan, LIU Jin, CHEN Xiaoguang, CAO Rong

(Electric Power Research Institute of State Grid Heilongjiang Electric Power Co., Ltd.，Harbin 150030，China)

Three high power direct-start loads are scheduled to put into use in eastern Heilongjiang power grid in 2017. In order to explore the impact on the power grid during starting process. different combinations of starting modes by using PSASP are simulated and analyzed. Also, impact load models are built and ratio of maximum voltage drop and its offset in some key nodes are calculated during starting process, which provides a theoretical basis for the power grid dispatch and control as well as the establishment of the operation mode.

direct-start load; PSASP; impact load model; voltage drop; operation mode

2017-01-27;

2017-03-09。

劉智洋(1984—)，男，工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)仿真、電網運行方式計算、電網穩(wěn)定計算、電力供需、電網大數據統(tǒng)計及應用。

TM744

A

2095-6843(2017)03-0189-04