闫 璐 郭昆丽 王军辉

(1.西安工程大学电子信息学院 西安 710048)(2.陕西省水利电力勘测设计研究院 西安 710001)

高压大容量同步电动机启动的应用研究*

闫 璐1郭昆丽1王军辉2

(1.西安工程大学电子信息学院 西安 710048)(2.陕西省水利电力勘测设计研究院 西安 710001)

以陕西省黄金峡水利枢纽工程7台13.8KV/18.5MW同步电动机为案例。依据高压同步电动机启动要求,对泵站不同启动方式进行计算,分析对系统母线的影响,在Matlab中对黄金峡泵站18.5MW同步电动机静止变频器启动过程进行建模仿真,得到系统启动过程中主要物理量的变化曲线,为黄金峡泵站启动方式的选择提供理论依据。

同步电动机; 变频启动; Matlab仿真

Class Number TN60

1 引言

高压大容量同步电动机启动时会产生较大的冲击电流,造成供电系统各级母线电压降低,影响电气设备的正常运行,严重情况下会影响系统稳定性[1]。

大容量同步电动机启动方式有三大类[2～4]:

1) 辅助电动机法,又称旋转变频软启动,这种启动方式投资大、不经济、占地面积大,不适合带负载起动,个别用于起动同步补偿机。

2) 变频启动法,这种启动方式过程灵活性、起动功率因数高、一次起动成功性及可重复性高、对电网的冲击小、操作检修方便。

3) 异步启动与笼形电动机的起动过程完全一样,包括直接启动和降压启动以及星-三角形启动。对电网冲击大,但启动操作简单。

本文以黄金峡水利枢纽工程中13.8kV/18.5MW的高压大容量同步电动机为研究对象,该工程建设任务以供水为主,兼顾发电,装有3台40MW水轮发电机,安装7台(6用1备)立式、单级、单吸离心泵机组,泵站电动机选配13.8kV/18.5MW的高压大容量同步电动机。系统由洋县330kV变电所引出两回110kV线路供电,系统主接线图如图1所示。泵站电动机母线上连接有电站厂用、泵站站用变压器,并对站内辅助机械动力系统、保护控制系统、照明系统等设备进行供电,这些设备允许的电压波动范围大多数为±10%[5],如果母线波动较大,将会引起这些设备运行异常,对安全运行产生影响,因此同步电机采用合适的启动方式尤为重要。

图1 黄金峡泵站、电站主接线图

图1 中,110kV线路参数:2×LGJ-2×300；站用主变压器参数S=63MVA,Uk=10.5%,电压115±8×1.25%/13.8kV；同步电动机参数P=18.5MW,Ue=13.8kV,cosφ=0.95(超前),Xd"=16.7%；发电机参数:P=40MW,Ue=13.8kV,cosφ=0.85,ne=187.5r/min。

2 泵站不同启动方式的比较研究

2.1 全压起动方式

水泵电动机属于轻载启动,根据泵站规程规范要求,同步电动机启动应优先采用全压启动[5],并计算母线电压降是否超过额定电压的15%,如若超过则采用变频启动方式[7]。

110kV母线阻抗:

泵站主变压器阻抗:

同步电动机阻抗:

黄金峡水利枢纽工程在供电系统近期和远期最小运行方式,即电站不运行,一台主变压器带一台电动机机计算全压启动各级母线压降。启动等值阻抗图如图2所示。

图2中的0.0244和0.0171分别为近期和远期最小运行方式时洋县330kV变电站所带负荷的阻抗。所以两种情况下的等值阻抗分别为

0.86+0.1667+0.1=1.1267
1.1267//1.333=0.61

近期最小方式:0.61+0.0356+0.0244=0.67。

远期最小方式:0.61+0.0356+0.0171=0.6627。

近期最小运行方式时压降:

1) 洋县110kV母线

2) 黄金峡变110kV母线

3) 13.8kV电动机母线

远期最小运行方式时压降:

1) 洋县110kV母线

2) 黄金峡变110kV母线

3) 13.8kV电动机母线

通过以上计算结果可知,近期及远期规划,在系统最小运行方式下,泵站电动机母线电压在 0.729～0.737 范围内变化,启动电压能满足克服水泵机组所需的最低启动电压要求,但由于其母线上连接电站及泵站内辅助机械动力系统、保护控制系统、照明系统等设备进行供电,这些设备允许的电压波动范围大多数为±10%,所以不满足要求；黄金峡泵站近期全压直接启动将使洋县330kV变电所的110kV母线电压降至0.91倍的额定电压,远期将使洋县110kV母线电压最大降至额定电压的0.92倍,对系统有冲击。

2.1.1 电动机自启动电压校验

单台电动机自启动校验,厂用电动机在启动开始瞬间高压厂用母线电压为

(1)

高压厂用变压器供电的电源视为无穷大电源,即电源母线电压标么值U*0,采用有载调压变压器时取1.1,以变压器容量为基准值,各元件参数均有标么值表示。由式(1)算出厂用母线电压标么值不应低于自启动要求的厂用母线最低电压值,方能保证电动机顺利启动[8]。

表1 电动机自启动要求得厂用母线最低电压

注:对于高压厂用母线,失压或空载自启动电压去上限值,带负荷自启动电压去下限值。

将参数代入式(1)得

不满足要求,所以全压启动不可行,建议采用变频启动。

2.2 变频启动方式

用2台变频器分别启动7台水泵机组,此方案一次性投资少,两台变频启动器互为备用,可以分别实现任意一台水泵机组的软启和软停。根据电压等级要求,变频器容量应为9.0MW,额定电压为13.8kV。这种软起动方式是采用电力半导体功率器件,通过同时调节频率和电压来进行调速的。其工作原理是通过功率器件的有序开关,形成各种频率和电压的 PWM(脉宽调制)电压波形,施加于电机端。起动过程中,频率改变的同时,保证电机磁通近似不变,即电压频率之比为常数。当电机达到额定转速后,自动进行并网,将电机切换到工频电网恒速运行[8]。由于静止变频器(SFC)维护方便,控制性能优良,起动转矩大,冲击电流小(不超过电机额定电流),输出波形质量高,对电网污染小起动和并网时间很短,且广泛应用于大容量同步电动机中,所以本文选择9MW静止变频器进行仿真。SFC主回路选交-直-交电流源型变频器,如图3所示。

图3 变频软启动装置原理图

主回路由整流变压器、晶闸管整流电路、直流电抗器、晶闸管逆变器、交流电抗器、励磁系统及同步电动机组成。

3 电动机启动仿真和分析

3.1 变频器启动过程仿真

本文在Matlab建立变频调速系统仿真模型,如图4所示。包括交-直-交电流型负载换相变频器、同步电动机、转子位置检测及控制单元,转子位置检测由同步电动机模块自带测量模块实现。此外,控制系统根据电机测量端口提供的转子位置角θ实现逆变桥晶闸管的超前角γ0控制[10]。

由同步电动机数学模型[11]可知强迫换流时定子绕组电流波形和自然换流是定子绕组电流波形如图5、6所示。

文中采用的变频器为交-直-交电流型变频器,在启动过程中定子绕组电流和转子电压为已知量,转子电流、定子端电压和转速ω为未知量。定子端电压可由转子电流和转速ω求得。启动过程仿真流程图如图6所示。

图4 静止变频调速系统Matlab仿真模型

图5 强迫换流时定子绕组电流波形

图6 自然换流时定子绕组电流波形

3.2 仿真结果与分析

在同步电机刚启动时,由于反电动势为零而不能进行可靠的自然换流,所以必须采用其它的换流方式,其中最简单、经济的办法是采用强迫换流法,即在换流时,使逆变器的输入电流为零后自行关断,将整流桥晶闸管拉入逆变状态[12]。变频启动采用电流型变频器,平波电抗器值相对比较大,实践中为了加快换流过程,在滤波电感两端并联续流晶闸管[13]。强迫换流阶段同步电动机转速、母线电流、A相定子绕组电压波形和定子电流波形分别如图8～11所示。

图7 变频器启动数字仿真流程图

从图8中可以看出,断续控制时,直流母线断续,幅值下降,电机依靠惯性继续旋转,直到下一组晶闸管导通才会产生新的转矩,过渡过程平滑；从图9中看出,当转速n≥150r/min时,电流进入连续加速阶段,直流母线基本恒定,即电机进入同步状态,泵站电动机能正常运行。从图11定子电流波形看出,其输出波形与强迫换流阶段定子电流理想波形(图5)变化趋势相同。当电动机的转速升至10%额定转速时,定子绕组感应电势足以供给逆变器实现负载换流,此阶段为自然换流阶段。在自然换相阶段的一周期内,A相阴极组、阳极组中两个晶闸管分别导通一次,每一晶闸管导通时间约为120°的电角度,由于换流重叠角的影响,晶闸管不能立即关断,图10中的电压波形在启动初期呈现的非规律变化就是由于是从强迫换流过渡而来的缘故。从图9看出,整个启动过程中,定子电流波动范围较小,从而对配电系统母线电压的影响较小。换相过渡阶段和电动机牵入同步过程对定子电压有一定的影响。从以上仿真结果看出,大容量同步电动机采用变频器方式时,启动过程平滑、启动电流较小、对电网的冲击也较小,因此具有良好的启动性能。

图8 启动过程转速变化波形

图9 启动过程母线电流波形

图10 启动初期定子绕组A相电压波形

图11 强迫换流阶段定子电流波形

4 结语

黄金峡泵站13.8kV/18.5MW高压大容量同步电动机采用变频启动能满足启动要求,且启动平缓对电网冲击小。通过对启动方式的建模仿真进一步确认了变频启动的可行性,对实际工程有一定的指导意义。

[1] 邹挺.中大容量电动机启动技术探讨[J].科技资讯,2009(4):147-148. ZHOU Ting. Discussde in Large Capacity Motor Starts Technology[J]. Science&Technology Information,2009(4):147-148.

[2] 郭昆丽,李怀莉,等.基于ETAP的高压大容量同步电动机仿真启动[J].电网与清洁能源,2014(9):1-4. GUN Kunli, LI Huaili et al. Simulation Research of Starting Procedure of High-Voltage and Large-Capacity Synchyonous[J]. Power System and Clean Energy,2014(9):1-4.

[3] 阎治安,崔新宇,等.电机学[M].西安:西安交通大学出版社,2006:304-309. YAN Zhian, CUI Xinyu et al. Electromechanics[M]. Xi’an: Xi’an Jiaotong University Press,2006:304-309.

[4] 熊信银.发电厂电气部分[M].北京:中国电力出版社,2009:157-162. XIONG Xinyin. Power Plant Electrical Department[M]. Beijing: China Electric Power Press,2009:157-162.

[5] GB50265-2010泵站设计规范[S].北京:中国计划出版社,2010. GB50265-2010Code for Design of Pumping Station[S]. Beijing: China Planning Press,2010.

[6] SL311-2004水利水电高压配电装置设计技术规范[S].北京:中国计划出版社,2004. SL311-2004Technical Specification for Design of High Voltage Power Distribution System for Water Conservancy and Hydropower[S]. Beijing:China Planning Press,2004.

[7] 水利电力部西北电力设计院编写组.电力工程电气设计手册(电气一次部分)[M].北京:中国电力出版社,2007:285-286. Compilation group of Northwest Electric Power Design Institute of Ministry of water resources and electric power.Electrical Engineering Electrical Design Manual (electrical part)[M].Beijing:China Electric Power Press,2007:285-286.

[8] 孙旭东.大容量同步电动机软启动控制[J].清华大学学报,1999(9):22-25. SUN Xudong.Sofe start control of large-capacity synchronous motor[J]. J Tsinghua Unit,1999(9):22-25.

[9] 田文革,纪妮妮.基于MATLAB的正弦波永磁同步电动机变频调速仿真[J].电子质量,2014(5):13-15. TIAN Wenge, JI Nini. Simulation of Matlab-Based Permanment Magnet Synchronous Motor Variable Frequency Speed Control[J]. Electron Mass,2014(5):13-15.

[10] 李玉玲,王自涛等.同步电动机静止变频器自然换流启动过程研究[J].哈尔滨理工大学学报,2000(2):80-82. LI Yuling, WANG Zitao et al. Study of Static Variable Frequency Starting Process of Synchronous Motors[J]. Journal Harbin Univ,2000(2):80-82.

[11] 张俊武,王新等.同步电动机变频启动控制系统[J].控制工程,2002(9):92-93. ZHANG Junwu, WANG Xin et al. Synchronous Motor Frequency Starting Controlling System[J]. Control Engineering of China,2002(9):92-93.

[12] 顾春雷,陈中.电力拖动自动化控制系统与MATLAB仿真[M].北京:清华大学出版社,2011:122-146. GU Chunlei, CHENG Zhong. Electric Drive Automation Control System and MATLAB Simulation[M]. Beijing: Tsinghua University Press,2011:122-146.

Application Research of High Voltage and Large Capacity When Synchronous Motor Starting

YAN Lu1GUO Kunli1WANG Junhui2

(1. School of Electronics and Information, Xi’an Polytechnic University, Xi’an 710048) (2. Shaanxi Province Water Conservancy Electric Power Survey Design Snstitute, Xi’an 710001)

Synchronous motors of shaanxi pumping irrigation project — Huangjinxia pumping stations (7×18.5MW 13.8 kV) are taken as the research object.In accordance with the startup request of high voltage synchronous motor ,different starting ways of pumping station are calculated. Then and the influence of system is analyzed and evaluated. The feasible advice for the synchronous motor starting method is proposed, according to the results and actual project requirements, static freguency converter starting proces is modeled and simulated susing Matlab.

synchronous motor, freguency converter, Matlab simulation

2016年9月12日,

2016年10月14日

闫璐,女,硕士研究生,研究方向:电力系统分析。郭昆丽,女,副教授,研究方向:电力系统分析与运行。王军辉,男,高级工程师,研究方向:水利电力系统研究工作。

TN60

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.03.034