大惯性电动机负荷运行特性对油田区域配电网电压暂降影响仿真分析

刘玉林

（胜利石油管理局有限公司电力分公司，山东 东营257000）

0 引言

随着油田敏感性用电设备的广泛应用以及并网型分布式电源、智能化设备等大量接入电网，电压暂降影响越来越大［1-6］。多年以来，油田生产频繁受到电压暂降的影响，带来了生产设备停机、线路停电等大量的生产问题，严重影响油田产量。油田配电网处于供电系统的末端，直接面向用电设备，是保障供电可靠性与提高运行经济性的关键环节［7-11］。因此，有必要针对油田配电网进行电压暂降治理，这对降低经济损失及提高供电可靠性意义重大［12-15］。

现阶段，电压暂降治理通常从供电侧电压暂降水平和用电侧设备耐受能力两个角度保证电压暂降的兼容性［16-18］。具体技术手段上，供电方可以通过增加避雷器、定期维护绝缘子等方式减少短路故障的发生次数，降低电压暂降的危害程度，但无法避免严重电压暂降事件的发生，敏感设备仍有发生中断的可能性。用户侧可以通过安装包括动态电压恢复器［19-23］、静止无功补偿器［24-27］、限流电抗器［28-32］等装置，能够在一定程度上提高电能质量，但是敏感设备耐受能力提升的手段和应用范围有限，此类治理技术仅对部分敏感设备有效。油田配电网的典型用电负荷是抽油机［33-35］，具有惯性大、周期运行的特点，停止后有很大的惯性，会产生比较大的反电势，而且与系统电压存在相位差，在合闸时有可能会引起冲击，对抽油机控制设备造成损坏。且油田是滚动开发模式，油井数量多、位置分散，当供电线路发生电压暂降时，每个位置的暂降程度是不一样的，给电压暂降治理带来了一定的难度。

研究大惯性电动机负荷对油田配电网电压暂降的影响特征，可以更好地对电压暂降进行治理，提高区域配电网供电可靠性。因此，本文将理论分析与电磁暂态仿真验证相结合，建立油田区域配电网简化拓扑图，对大惯性电动机负荷在电压暂降传播过程中的影响进行机理分析，利用电磁暂态仿真软件PSCAD进行仿真验证，得到大惯性电动机负荷运行特性对电压暂降的影响特征，为后续电压暂降治理提供思路。

1 大惯性电动机负荷运行特性对油田电压暂降影响机理分析

本文针对油田辐射型配电网络［7］，采用RTU数据信息，建立干线式等效模型如图1所示。由于油田配电线路供电半径较短，电压等级较低，输送容量较小，在分析计算线路电压损失时，可忽略其电压降落的横向分量，仅计及其纵向分量［36］；并利用额定电压代替各点的实际电压计算线路电压损失，其简化模型如图1所示。

图1 干线式配电线路简化模型图Fig.1 Simplified Model of Trunk Distribution Line

其中，pi、qi表示各支线的负荷功率，Pi、Qi表示各段干线的功率，li、ri、xi表示各段线路的长度、电阻和电抗，Li、Ri、Xi表示各个负荷到电源之间的干线长度、电阻和电抗，i= 1，2，3。

为了便于计算，可忽略各段线路的功率损耗且认为各段线路的导线类型相同，各段干线的电压损失为：

式（1）中，r1表示单位长度的电阻，x1表示单位长度的电抗。由式（1）可知，电压降落的大小主要和线路长度l，干线有功功率P、无功功率Q有关。

又因为：

当供电系统发生电压暂降时，故障点处负荷电压最低，无功功率Q从电压高的节点流向电压低的节点。因此，非故障线路上无功功率Q＜0。

同步电动机和异步电动机的机械电路表达都为电磁转矩Te与机械阻转矩TL之间的关系，由电力拖动系统旋转运动方程式可知：

式（3）中，Ω表示转子机械角速度。

正常工况下，Te与TL相等；当暂降发生时，电压的突变会改变电磁转矩Te，而负载转矩TL是油田典型大惯性负荷抽油机，因为故障持续时间很短，在暂降期间近似认为TL不变，导致Te＜TL；且TL很大，在大惯性的作用下沿着原来的方向继续移动。

式（3）等号两边都乘以同步机械角速度Ω1。

根据功率守恒定律，当Pe＜PL时，电动机负荷向电网侧倒送功率，此时负荷功率为：p＜0，q＜0，根据公式（1）得到ΔU＜0。由式（2）可得，配电网非故障线路会出现线路末端负荷电压高于线路首端电压的现象；且倒送功率越大，电压抬升现象越明显。

2 大惯性电动机负荷运行特性对油田电压暂降影响仿真分析

本文以胜利油田某区域配电网及其所带负荷为分析对象，基于PSCAD软件建立仿真模型，系统简化拓扑结构如图2所示，各条出线数据信息如表1，以线路1、2作为试验对象，其拓扑结构如图3-4所示，仿真分析大惯性电动机负荷运行特性对油田电压暂降影响作用。

为简化分析，仿真模型中所有出线的线路类型均相同，其线路型号、阻抗值如表2所示。

图2 油田某区域配电网简化分析模型Fig.2 Simplified analysis model of distribution network in a certain area of oil field

图4中，每个黑色图案都代表一台380 V的低压电动机，其中圆圈代表永磁同步电动机，正方块代表鼠笼式异步电动机；线路电压等级为10 kV，通过变压器给电动机供电，红色虚线框内的电动机作为测量对象。参考油田某区域配电网线路拓扑结构、线路参数和负荷分布，建立仿真模型进行仿真分析。

2.1 不同类型大惯性电动机负荷对电压暂降的影响

如图2 所示，线路3 发生三相短路，过渡电阻为0.1 Ω，故障持续时间0.1 s，测量非故障线路1不同位置和不同类型电动机的机端电压。

表1 仿真模型线路数据信息表Table 1 Simulation model line data information table

表2 仿真模型线路型号参数表Table 2 Simulation model line model parameter table

1）首端同步电动机和异步电动机机端电压；

2）中间同步电动机和异步电动机机端电压；

图3 线路1拓扑结构图Fig.3 Line 1 topology diagram

图4 线路2拓扑结构图Fig.4 Line 2 topology diagram

3）末端同步电动机和异步电动机负荷电压。

图5 线路1首端位置电动机机端电压波形图Fig.5 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the head end of line 1

图6 线路1中间位置电动机机端电压波形图Fig.6 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the middle position of line 1

图7 线路1末端位置电动机机端电压波形图Fig.7 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the end of line 1

表3 大惯性电动机对非故障线路电压暂降影响统计表Table 3 Statistical table of influence of large inertia motor on voltage sag of non-faulty line

根据表3计算结果，形成暂降深度-位置曲线如图8所示。

由图8可得，当配电网发生电压暂降，非故障线路末端电动机机端电压高于首端；受电动机类型的影响，永磁同步电动机运行不需要吸收无功功率，异步电动机运行需要吸收无功功率进行励磁，所以相同位置的同步电动机机端电压高于异步电动机机端电压，同步电动机暂降时倒送功率比异步电动机多。

2.2 不同暂降深度下大惯性电动机对电压暂降的影响

如图2 所示，线路3 发生三相短路，过渡电阻改为0.5 Ω，故障持续时间0.1 s，测量非故障线路1不同位置和不同类型电动机的机端电压：

1）首端同步电动机和异步电动机机端电压；

2）中间同步电动机和异步电动机机端电压；

3）末端同步电动机和异步电动机机端电压。

将仿真得到的非故障线路1 参数进行处理，计算不同位置及不同类型电动机在电压暂降时的机端电压暂降深度如表4所示。

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根据表4计算结果，形成暂降深度-位置曲线如图12所示。

图12表示的暂降深度-位置曲线与图8曲线对比可以看出，电压暂降越严重，暂降深度-位置曲线斜率越大，电动机倒送功率越多，抬升电压现象越明显。

图8 大惯性电动机对非故障线路电压暂降影响波形图Fig.8 Waveform diagram of influence of large inertia motor on non-fault line voltage sag

图9 线路1首端位置电动机机端电压波形图Fig.9 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the head end of line 1

图10 线路1中间电动机机端电压波形图Fig.10 The voltage waveform diagram of the middle motor terminal of line 1

图11 线路1末端位置电动机机端电压波形图Fig.11 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the end of line 1

2.3 大惯性电动机数量不同的线路受电压暂降的影响

如图2 所示，线路3 发生三相短路，过渡电阻为0.1 Ω，故障持续时间0.1 s，测量线路2不同位置和不同类型电动机受故障影响程度：

1）首端同步电动机和异步电动机机端电压；

2）中间同步电动机和异步电动机机端电压；

3）末端同步电动机和异步电动机负荷电压。

将仿真得到的非故障线路2 参数进行处理，得到电压暂降时的电动机机端电压暂降深度如表5所示。

表4 大惯性电动机对非故障线路电压暂降影响统计表Table 4 Statistical table of influence of large inertia motor on voltage sag of non-faulty line

表5 大惯性电动机对非故障线路电压暂降影响统计表Table 5 Statistical table of influence of large inertia motor on voltage sag of non-faulty line

图12 大惯性电动机对非故障线路电压暂降影响波形图Fig.12 Waveform diagram of influence of large inertia motor on non-fault line voltage sag

图13 线路2首端位置电动机机端电压波形图Fig.13 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the head end of line 2

图14 线路2中间位置电动机机端电压波形图Fig.14 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the middle position of line 2

根据表5计算结果，形成暂降深度-位置曲线如图16所示。

图16 表示的是线路2 的暂降深度-位置曲线，线路上有37台电动机；图8表示的是线路1的暂降深度-位置曲线，线路上有58台电动机，两图对比可以看出，相同故障类型下，线路上电动机数量越多，电压暂降时电动机总的倒送功率越多，非故障线路末端电动机机端电压高于首段现象越明显。

图15 线路2末端位置电动机机端电压波形图Fig.15 The voltage waveform diagram of the motor terminal at the end of line 2

图16 大惯性电动机对非故障线路电压暂降影响波形图Fig.16 Waveform diagram of influence of large inertia motor on non-fault line voltage sag

3 结语

针对油田区域配电网中的电压暂降问题，本文将理论分析与仿真验证相结合，建立PSCAD 仿真模型，通过仿真分析，得到如下结论：

1）当配电网发生电压暂降，大惯性电动机负荷存在一定的倒发电现象，非故障线路末端电动机机端电压高于首端；受电动机类型的影响，非故障线路相同位置的同步电动机机端电压高于异步电动机，且电压暂降越严重，上述现象越明显。

2）相同类型故障和暂降深度下，线路电动机数量越多，总的倒送功率越多，倒发电导致的非故障线路末端电动机机端电压抬升现象越明显。

综上，当系统发生电压暂降时，油区场井的位置、所在区域的电动机数量以及电动机容量都会对配电网负荷电压产生影响。通过上述仿真分析，可以为油田区域配电网电压暂降治理提供以下的思路：

1）对油区进行合理规划，定期检查和维护容易遭受电压暂降影响的油井线段。

2）通过采取一定的电压暂降治理措施提高线路首端附近的油井电压暂降耐受能力。

电机作为工业领域的主要负荷形式，电压暂降后电机不脱网已成为工业界应对电压暂降的主要措施之一。本文得到的结论可为其他工业领域电压暂降影响分析、扰动源分界以及治理措施提供支撑，进而减小电压扰动对工业生产的影响。