辅机启动对电网电压影响及动态无功补偿策略研究

发布时间：2016-04-12 08:27

第 1 章 绪

1.1 背景和意义
现代社会中，电能作为一种清洁能源在世界上得到广泛应用且其使用程度是一个国家发展水平的重要体现方式。随着科技和我国国民经济的快速发展，工农业生产、社会和人民生活等方面对电能的需求量不断增大，同时对波形畸变、电压波动、电压闪变、频率偏差以及电压暂降等电能质量的要求也越来越高，电能质量问题已经引起各电力相关部门和科研人员的密切关注[1]。 现代工业和高技术产业的迅速发展使得电力系统的规模日益扩大，电力系统中的用电负荷结构也发生较大的变化，由此引起的电能质量问题日趋严峻。电能质量问题的种类繁多，而对于电力系统来说，由各种较大扰动导致的电能质量问题中，电压暂降作为一种常见的扰动现象因其覆盖面积广、发生频度高、处理相对困难、造成危害大等特点而使其成为影响电能质量的主要因素，通常可达电能质量问题的 70%-90%。当供电网络中发生各种短路故障、用电设备启动（如大容量电动机启动）或突然加负荷、电网或用电设备发生雷电击、投运变压器以及操作开关等扰动时都会引起电压降落，尤其是大容量感应电动机并网和短路故障是导致电网电压幅值突然跌落的主要原因[2-4]。 近年来，随着自动控制技术、计算机以及电力电子等高新技术的快速发展，一些新型用电设备、大功率电力电子设备、冲击性与非线性负荷大量投入电网，这使得供电网络对电网电压的要求更加苛刻[5]。根据调查显示在欧美等发达国家中，电力部门以及电力用户对电压暂降问题的关注程度比其他电能质量问题要强烈的多，而且在引起电能质量问题的所有因素中，由于电压暂降导致的电能质量问题占用户投诉的 80%以上，因此上世纪 90 年代初电压暂降成为衡量电能质量的重要指标之一。另外，在供电网络中对电压非常敏感的用电设备受电压暂降的影响较大，例如电压降落将会影响对电压敏感程度很高的新型精密设备的正常工作；使敏感控制器发生误动作，导致不必要的跳闸等。相关文献也介绍了一些对电压暂降特别敏感的电力设备如可调速驱动装置（Adjustable Speed Drive）、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）以及精密加工机械等等，电压幅值突然下降将会影响这些电气设备的正常工作，导致生产中断甚至是设备损坏，从而造成严重的经济损失[6-7]。
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1.2 国内外研究动态
大容量异步电动机广泛应用在现代工农业生产中，但作为一类重要的电气设备，其全压启动过程中引起的电压暂降问题将对整个电力网络以及网络内正在运行的其他用电设备带来诸多影响。因此，电动机启动时不仅要求其有足够大的起动转矩和满足要求的机械特性曲线，而且还要尽可能的减小启动时引起的冲击电流。另外，整个供电网络在实际运行中也会受到如雷击、保护误动作引起的跳闸等各种不可预测的故障，当故障结束后，供电系统再次恢复供电时，电动机的重新接入同样可能产生较大的冲击电流，导致电网电压的大幅下降，威胁整个供电系统的安全稳定运行。 大容量辅机启动时将会产生很大的冲击电流，造成电网电压暂降。电压暂降是指供电网络中某一点工频电压均方根值突然降落到额定电压的 0.1-0.9 倍，并且持续时间为 0.5 周波-1 分钟的电压变动现象[11]。目前，电压暂降问题受到世界各国的广泛关注，为了能够及时准确的监测出电力系统中电压暂降的发生状况，世界上多个国家已经开始对电压暂降问题进行长期的监测工作，例如在供电网络中的特殊节点处装设监测装置。美国电力研究协会对电力系统中电压暂降问题开展了长期的监测工作，监测结果显示电网电压的暂降幅值是变化不定的，并且可能会出现波形畸变、相位发生突变等问题；在 1994 年，法国对电压暂降问题进行了抽样检查，发现 44%的工业用电用户认为电压暂降问题会给其生产带来威胁；之后，英国在 1995 年对一百家容量高于 1MW的用户做了调查，调查结果表明电力用户因电能质量问题而引起的生产事故中，83%是由电压暂降引起的；另外，从 1991 年起，加拿大电气协会利用三年的时间对电能质量问题展开了调查工作，调查结果显示，在工业用户组中，电源侧每相每月平均发生 4次电压暂降问题，而每个用户侧则发生 38 次，在商业用户组中用户侧与电源侧发生电压暂降的次数较少，其中用户侧有 70%的监测点发生 2-3 次，电源侧则为 1-2 次[12]。 
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第 2 章 大容量辅机启动理论计算方法研究

火电厂中的厂用电负荷主要是各类大型辅助机械如给水泵、各类风机等大容量的感应电动机，所以本文采用感应电动机模型对辅机启动进行分析。大容量辅机启动时对电网电压造成较大的冲击，为了较好的分析辅机启动对电网电压造成的影响，辅机启动时采用全压启动。所谓全压启动就是利用闸刀开关或接触器将电动机定子绕组直接投入额定电压的交流电网上启动[41]。该启动方式不需要专门的启动设备，启动方式简单、成本低并且可靠性高。但在额定电压下直接启动，启动初始时刻冲击电流的大小只受电动机短路阻抗的限制，由于其阻抗很小，所以初始启动电流很大，约为额定电流的 4-8 倍，但启动转矩并不随启动电流的倍数增长，只有额定转矩的 1-2 倍[42-43]。因此，本章节主要对辅机全压启动时对电网电压跌落造成的影响以及考虑电网络时的电压幅值跌落的理论计算方法进行分析总结。 

2.1 辅机启动时启动电流的简化计算 
辅机启动时，一方面为了能够使转速较快的达到额定值，希望能产生较大的启动转矩，另一方面为了避免造成电网电压的大幅降落，希望启动时产生的冲击电流不要太大，影响其他用电设备的正常运行。然而，在初始时刻，辅机的转子转速为零，转差率为 1，大容量辅机直接投入电网启动时，旋转磁场以同步转速切割转子绕组时将会感应出较大的电势，并产生较大的转子电流，使得流过定子绕组的电流也很大，所以大容量辅机直接启动过程中将会产生很大的冲击电流，下面就辅机直接启动时的电流计算进行分析。辅机的 T 型等效电路如图 2.1 所示。 
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2.2 辅机启动对电网电压的影响分析
电压暂降的主要原因是电网中某处电流突然增加很多例如系统短路、大容量感应电动机启动、变压器的投入以及开关操作等引起的，导致电网电压突然下降，并在很短的时间内恢复正常所致。感应电动机是供电网络中的重要感性负载，当大容量辅机直接启动时，将会产生很大的冲击电流，使线路电压或者母线电压下降幅度较大，影响邻近其他用电设备的正常工作，甚至危及电网的安全稳定运行。本文主要以大容量辅机启动对电网电压造成的影响为例进行分析。图 2.2 是某一含辅机的供电系统等效电路模型。辅机启动的过程中，其转速上升到额定值需要一定的时间，在这一过程中，辅机启动产生的冲击电流一直维持在较大的值，因而电压的回升是个渐变的过程，需要一定的恢复时间。电压恢复到稳定水平所需的时间与辅机的参数有关，其中最重要的影响参数是惯性，惯性越大，电压跌落持续的时间越长，反之则越短。另外，由于辅机的启动转矩与终端电压的平方成正比，电压的降落将会导致辅机转矩的值减小，使加速时间加长，电压降落的持续时间也相应的加长。 
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第 3 章 辅机启动对电网电压的影响仿真研究 ............ 17 
3.1 电磁暂态仿真理论 .......... 17 
3.2 辅机启动仿真平台建模 ........... 19 
3.2.1 同步发电机模型..... 19 
3.2.2 负荷模型........ 21 
3.2.3 其他模型........ 26 
3.3 实际工程仿真计算及分析 ....... 27
3.4 小结 ....... 31 
第 4 章 动态无功补偿策略研究及其仿真分析 ............ 32 
4.1 概述 ....... 32 
4.2 STATCOM 模型及其控制系统 ......... 32 
4.2.1 STATCOM 电路的基本结构 ............ 32 
4.2.2 STATCOM 的基本工作原理 ............ 33 
4.2.3 STATCOM 的数学模型 ........... 37 
4.2.4 STATCOM 的控制策略分析 ............ 40 
4.2.5 孤网带辅机启动过程中的补偿作用仿真分析 ........... 42 
4.3 基于粒子群算法的动态无功补偿控制策略分析 ....... 45
4.4 小结 ....... 52 
第 5 章 结论与展望 ........... 54 

第 4 章 动态无功补偿策略研究及其仿真分析 

为了保证电力系统的安全性、稳定性以及经济性，无功功率的补偿是必不可少的。无功功率不平衡将导致电网电压不能维持在稳定水平，进而影响供电质量，导致输电系统的输电能力以及稳定性降低，设备容量及功率损耗增加等。从前面的分析可以看到，大容量的辅机启动时将会产生较大的冲击电流，造成较大的压降，给电网的安全运行带来风险。本节基于孤立电网带辅机启动的动态仿真，分析在辅机启动过程中进行动态无功补偿，对减少电网电压降落以及促进电网电压恢复的作用。下面的研究主要介绍了无功补偿装置 STATCOM 的基本原理以及数学模型，提出相应的控制策略，并应用到 STATCOM 装置中使其能够有效的改善电网电压的水平，并通过仿真分析验证控制策略的有效性[50-52]。 

4.1 概述 

无功补偿技术是指通过改变系统中无功功率的大小来提高供电系统的运行性能。一般情况下，无功补偿需要考虑两个方面的问题即：电压支撑与负荷补偿。大容量辅机作为感性的冲击负荷并网时将会从电网汲取一定的无功功率以保证辅机的正常启动，给电网电压带来较大的冲击，并且在电压下降的状况下其吸收的无功反而不断增加。因此，为了电网的安全稳定运行，需要向电网提供一定的无功支撑。目前，电力系统中的无功补偿装置主要有电容器组、SVC 和 STATCOM。 为了提高功率因数，保证电网的稳定运行，感应电动机通常情况下是由电容器组进行补偿的。然而由电容器组提供的无功功率与电压的平方有关，当电压降低时，提供的无功也将明显降低，并且电容器组不能对无功进行动态和连续的调节，因此，为了避免大容量辅机并网对孤立电网造成较大的冲击，动态无功补偿装置例如 STATCOM和 SVC 等新型补偿设备得到重视。SVC 虽能对无功进行动态调节，但其动态调节特性受并入母线电压的波动影响较大，调节能力受限；STATCOM 基于电压源换流器，可以快速提供容性和感性无功功率，并且他所控制的无功电流不受供电网络电压的影响，能够较好的实现电网对无功的动态需求，是现阶段比较理想的无功补偿设备。 

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结论

本文主要分析了辅机启动对电网电压的影响，介绍了辅机启动时造成电网电压下降的原因以及考虑电网络的辅机启动引起电网电压幅值跌落的计算方法。考虑到理论计算忽略了一些因素，将会使计算结果存在相应的误差，为了能够更加直观确切的得到辅机启动造成电网电压降落的动态过程，本文在仿真软件中搭建了孤立电网带辅机启动的仿真模型，并详细分析了发电机模型、辅机模型、电解铝负荷模型以及其他相关模型（变压器模型和线路模型）的搭建过程，针对孤立电网带辅机启动对电网电压造成影响的实际情况进行仿真分析。为了抑制大容量辅机启动时引起的电网电压的暂降问题，文章在研究 STATCOM 补偿装置的基本工作原理以及数学模型的基础上，提出了一种基于坐标变换的电压外环与电流内环的双闭环的无功和有功解耦控制策略，并应用到 STATCOM 装置中使其能够有效的改善电网电压的水平。最后在补偿装置中引入粒子群优化算法，，使得 STATCOM 装置的控制策略更加有效的发挥作用并通过仿真验证。通过以上理论研究和仿真分析可得如下结论： 
（1）建立了孤立电网带大容量辅机启动的电磁暂态仿真平台，研究了辅机启动对孤立运行电网电压的影响。通过仿真结果可以得出在辅机直接启动的初期阶段，由于孤立电网的网架结构简单且系统容量较小，在此基础上启动辅机将会引起电网电压大幅下降；孤立电网中各母线电压都有较大的降落，且距离辅机电气距离越近的母线，电压跌落情况越严重。 
（2）考虑到 STATCOM 补偿装置可有效抑制孤立电网带辅机启动时电网电压的降落，建立了 STATCOM 的数学模型及其仿真模型，通过仿真来验证 STATCOM 装置的补偿作用。通过仿真结果可以看出加入动态无功补偿装置后电网电压受辅机启动的影响明显减少；不同容量的动态无功装置对电网电压的补偿效果不同，辅机启动过程中，动态无功补偿容量越大，电网压降越少，当补偿器件的额定容量接近辅机的冲击容量时，补偿效果较好。 
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参考文献(略)

本文编号：37941