火电厂异步电机启动电压降落抑制

杨峻峰　付永生++高宁

摘 要：火电厂大功率异步电机采用全压启动时，启动电流较大，造成电压降落，影响火电厂辅助设备正常运行。为解决高压异步电机启动电压降落的问题，文章采用实时动态调压器，并通过MATLAB建立仿真模型，仿真结果证明此方法能有效抑制高压电机引起的母线电压跌落。

关键词：异步电机；全压启动；电压降落；实时动态调压器

1 概述

火电厂发电机组运行需要大量辅助动力负荷，其中，高压异步电动机是最重要的辅助性负荷之一，用于引风机及增风机的高压异步电动机容量较大，启动时会从电网吸收大量无功功率，引起电压降落，从而影响母线上其它负荷及400V侧负荷正常运行，严重的可能造成其它动力负荷继电器脱扣，动力设备停运，另外，也可能造成某些控制器负荷工作停止或工作紊乱引起设备运行故障，最终造成发电机组无法正常工作[1]。

高压异步电机由于启动电流较大会造成电压深度跌落影响电厂正常生产秩序，需要采取措施进行治理，又因电动机启动电流主要是无功电流，因此，可以采用补偿无功电流的方式抑制由于电机启动造成的电压跌落。补偿无功电流的方式很多，而实时动态调压器是一种新型的动态无功补偿装置，能够跟随无功负荷变化动态调节输出无功，也能够跟随电压设定值调节电压，且实时动态调压器占地小，损耗小，性价比高，已经在国内有典型应用。

2 异步电机启动电压降落

异步电机启动时，启动电流是额定电流的5～7倍且功率因数较低[2]。由公式1可知，由电源至负荷的电压降落与电流流经线路的电阻及电抗有关，由于电流流经线路的电抗值远大于线路电阻值，启动电流大部分是无功电流且远大于额定电流，因此，电机启动时将会造成电源至负荷电压大幅降落[3]。

由图1所示，火电厂大型异步电机接于6kV系统，当电机启动时，电流来自电网系统及发电机，流经变压器、一次线缆到负荷端，由于流经的变压器阻抗值较大，因此，启动电流将会在流经路径引起较大的电压降落，造成在负荷端的电压不足，影响电机的启动及由于电压降幅较大从而威胁其它负荷的正常运行[4]。

3 实时动态调压器

3.1 实时动态调压器的基本原理

实时动态调压器以电压源换流器（VSC）为核心，直流侧采用直流电容器为储能元件，依靠VSC将直流电压转换成与电网同频率的交流电压，通过一个连接电抗器或耦合变压器并联接入系统。实时动态调压器的等效电路见图2。

由于实时动态调压器直流侧电容器仅起电压支撑作用，所以相对于SVC中的交流电容器容量要小得多。

实时动态调压器与电网间的无功交换可以通过改变VSC交流输出电压来加以控制。通常VSC交流输出电压 与电网电压 相位相同，如果Vs大于Vg，这时实时动态调压器就向电网发出无功；如果Vs小于Vg，这时实时动态调压器就从电网吸收无功。如果Vs等于Vg，那么无功交换为零。更进一步，由于直流下无功功率被定义为零，因此直流支撑电容作为VSC的输入是不提供无功的。VSC仅仅将交流侧三相端子通过一定的开关逻辑连接起来，在各相间建立了一种循环的无功功率交换，所以无功是在VSC内部产生的。实际运行时，应考虑直流电容器、VSC、耦合变压器或连接电抗器的损耗，可以将实时动态调压器等效成内阻抗为R+jX、内电势幅值为Vs的同步发电机。稳态时，忽略高次谐波的影响，并假设直流电容电压Vdc恒定，且Vs>Vg，则实时动态调压器的工作状况可以用图3所示的相量图来描述。

由公式2可见，稳态时实时动态调压器总是从系统吸收有功功率，而向系统注入的无功功率仅依赖于系统电压与实时动态调压器输出电压之间的夹角？啄。通过调节？啄，可以得到大范围的无功输出响应。

3.2 实时动态调压器控制

实时动态调压器的控制是把三相静止对称坐标系经过旋转坐标变换转换到同步旋转坐标系dq下，简化了控制系统设计。建立实时动态调压器在abc坐标系下以iab、ibc、ica为状态变量的状态方程为

式中，？棕为电网电压的基波角频率，isd和isq为换流链电流在dq坐标系下的d、q轴分量，vgd和vsd分别是电网电压和换流链输出电压经dq坐标变换后的d轴分量，同理vgq和vsq为q轴分量。

对式（5）进行拉普拉斯变换，得到S域方程为

从图4可以看到，有功电流igd和无功电流isq之间通过缓冲电抗互相耦合，有功电流isd的变化会引起无功电流isq的变化，同理，无功电流isq也会引起有功电流isd的变化，这不利于控制。

为实现isd与isq的解耦控制，设计如下控制规律

链式电压源换流器可以等效为传递函数为1的环节，即认为V*sd=Vsd，V*sq=Vsq。实时动态调压器统一电流控制框图见5。

4 仿真分析

根据被提供的火电厂大型电机6kV、5500kW电机参数及系统参数，对异步电机供电建立了仿真模型，图6为基于MATLAB的仿真模型，仿真根据实际启动方式，采用全压启动。

图7～图10是无实时动态调压器时，异步电机启动时的仿真结果，从图中可看到，当电机启动时间较长，转速达到其额定转速大约28S，启动时电流较大，母线电压峰值从8500V跌落到7200V左右，降幅达到16%。

通过对比有无实时动态调压器的仿真结果，可知采用实时动态调压器能够有效降低电机转速从零转速达到额定转速的时间，能够有效抑制电机启动时引起的电压降落，能够改善母线上其它负荷安全工作电气环境。

图11～图14是有实时动态调压器时，异步电机启动的仿真结果，从图中可看到，电机启动时间比无实时动态调压器时的启动时间缩短，转速达到其额定转速大约22S，母线电压峰值仅从8500V跌落到8000V，降幅仅6%，仿真为理想补偿下，实际实时动态调压器补偿时，电压从8500V跌落还需要延迟5～10ms，电压恢复到8000V。

5 结束语

文章分析了高压异步电机启动引起的电压跌落的机理，将实时动态调压器应用于异步电机的全压启动中，通过对基于实时动态调压器的异步电机全压启动进行仿真，验证了此方法的正确性，同时说明了此方法能抑制电机启动时引起的电压降落，而且可以缩短异步电机启动时间，火电厂大型异步电机全压启动时配置动态调压器将会有效抑制母线电压降落，降低厂内辅助设备由于电压降低停止工作的风险，提高了火电厂设备运行的可靠性，确保了电厂安全生产。

参考文献

[1]杨振祥.异步电动机起动时母线电压的计算[J].华北石油设计，1998（1）：19-22.

[2]翟庆志，李艳军.电机学[M].北京：中国电力出版社，2009.

[3]刘剑锋.大型高压电机启动方式选择[J].甘肃科技.2010，26（23）：69-72.

[4]裴雷，樊烨. 电动机全压起动的讨论及计算[J]. 电气应用，2014（16）：28-31.

[5]王成元，夏加宽，孙宜标.现代电机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2009.

作者简介：杨峻峰（1982-），男，本科学历，工程师，研究方向：继电保护及励磁技术。

付永生（1974-），男，工学硕士，高级工程师， 研究方向：电能质量治理及电力电子装置研究与开发。

高宁（1989-），女，工学硕士，助理工程师，研究方向：电力电子装置研究与开发。