动态无功在电厂辅机启动过程中的补偿作用研究

胡耀宁，叶 鹏，何 淼，张芊里，郭 帅，董环宇

(沈阳工程学院 a.电力学院；b.信息学院，辽宁 沈阳 110136)



动态无功在电厂辅机启动过程中的补偿作用研究

胡耀宁a，叶 鹏a，何 淼b，张芊里a，郭 帅a，董环宇a

(沈阳工程学院 a.电力学院；b.信息学院，辽宁 沈阳 110136)

电厂辅机启动过程中会产生较大的冲击电流，造成电网的电压降落，尤其对于小电网或孤立电网，压降更为严重。对动态无功在电厂辅机启动过程中的补偿作用进行研究，在电磁暂态仿真软件PSCAD环境中，建立了包含孤立电网、电厂辅机以及动态无功补偿装置的动态仿真模型。在不同工况下，对动态无功在电厂辅机启动过程中的补偿作用进行了研究和分析。结果表明，动态无功补偿装置可以有效地抑制电厂辅机在启动过程的电压降落。

电厂辅机；动态无功补偿；电磁暂态仿真

在电力系统中，无功功率与电网电压紧密相连，无功功率的不平衡将会引起系统压降，严重时还会导致设备损坏以及系统解列。电厂辅机多为大容量异步电动机，启动时需要从电网吸收较多无功功率来建立和维持旋转磁场，使转子转动从而带动机械运动[1]。电厂辅机启动时产生的冲击电流为其额定电流的5～7倍，会引起较大的电网压降以及敏感控制器的误动作[2]。电压过低很有可能导致大电机无法正常启动，甚至损坏[3]。对于小电网或孤立电网，系统的电压控制能力低，电厂辅机启动对电网电压的影响和破坏力更大，该问题已经成为制约现代电网孤立运行或小规模运行的关键因素。为此，研究动态无功在电厂辅机启动过程中的补偿作用，提升电网电压稳定运行水平对现代电网的运行和控制具有重要的现实意义。

国内外的学者对这一问题进行了一系列的研究分析，文献[4]提及了一些用电设备尤其是大容量的感应电动机启动时会引起电网电压的暂降。文献[5]首先研究了感性和容性负荷投入电网后对电压的影响，并通过仿真研究了异步电机空载启动、半载启动和满载启动三种启动方式对电压暂降的情况分析，最后得出空载启动时电压暂降最为严重的结论。文献[6]在电厂的大型辅机启动中加入无功补偿，可减少大型辅机的启动电流，降低电压损耗，改变电动机处的运行电压。由上述研究可见，在辅机启动过程中有必要并入无功补偿装置，补偿辅机启动所消耗的无功功率，减小启动电流，提高电网电压。随着动态无功补偿装置在电网中的大量应用和不断成熟，动态无功在电厂辅机启动过程中的补偿作用有待于进一步深入研究。

基于电磁暂态仿真软件，对动态无功在电厂辅机启动过程中的补偿作用进行研究。在电磁暂态仿真软件PSCAD环境中，建立了包含孤立电网、电厂辅机以及动态无功补偿装置的动态仿真模型。在不同工况下，对动态无功在电厂辅机启动过程中的补偿作用进行了研究和分析，为电厂辅机启动过程中的无功补偿方法提供了理论依据以及可行性的建议。

1 电厂辅机启动过程分析

电厂辅机为大容量的感应电动机，是电网中负荷的重要组成部分。在启动过程中，需要消耗较多的无功功率来建立和维持旋转磁场，进而带动转子旋转，完成辅机的启动。在此过程中，消耗的无功功率和产生较大冲击电流将会引起电网电压暂降，危及电力系统运行的安全稳定。文献[7]详细地介绍了直接全压启动、定子回路串电抗器减压启动、自耦变压器降压启动、以小拖大启动以及软启动等方法，综合得出全启动对电网的影响最大，故这里在全压启动方式下研究动态无功在电厂辅机启动过程中的补偿作用。

1.1 辅机启动原理

辅机大多为感应电动机，辅机的“T”型等效电路如图1所示。

图1 辅机“T”型等效电路

在电厂辅机并网的瞬间，辅机的转速n=0，转差率S=1。此时，电厂辅机相当于三相短路，短路阻抗为Zk，流经它的静态电流即为辅机的启动电流。依据电厂辅机的“T”型等效电路，并且忽略激磁电流Im＇，可得启动电流为

由启动电流计算公式可得，在额定电压下采用直接全压启动的方式，启动电流的大小只与短路阻抗有关。然而电厂辅机的短路阻抗很小，若不采用任何措施而直接启动，则启动电流将会很大。

1.2 冲击电流特性分析

基于电厂辅机固有的机械特性分析可得到，若在额定电压下直接启动感应电机，由于最初启动瞬间的主磁通约减少到额定值的一半，外加功率因数又很低，从而导致启动电流较大，约为额定电流的5～7倍，而启动转矩并不按启动电流的倍数增长，约为额定转矩的1～2倍[8]。冲击电流随辅机启动过程中的变化如图2所示。

图2 辅机启动时的冲击电流

由图2可知，在辅机启动的过程中，将会产生很大的瞬时冲击电流，其幅值瞬间升高，并以较高的电流幅值持续维持几秒钟，之后便迅速下降，最后稳定在某一幅值。此过程中，冲击电流约为额定电流的5～7倍，对电网产生很大冲击的同时，还会引起系统电压的下降，影响电网安全、稳定的运行。

2 电网系统仿真平台建立

电磁暂态仿真软件PSCAD是一种用户可以在图形环境中搭建仿真电路、运行、分析和处理数据的一种电力系统科研应用软件，并且得到了国内外学者的一致认可，具有广泛的应用价值。该软件不但可以进行电力电子器件的仿真，还可以分析和研究交直流电力系统的问题，同时具有非线性控制等多功能集于一体的仿真软件。

2.1 发电机系统仿真模型的建立

发电机系统在PSCAD建模的过程中，发电机选用同步机，包括发电机主体、汽轮机、励磁系统和调速器。发电机以及调速器的搭建模型如图3所示。

由图3可知，与发电机相连的端子g1是与外电路相连的三相电气量，在提供机械转矩Tm和励磁电压Ef的同时，还可以输出电磁转矩、机械转矩、机端电压、励磁电流和转速。

图3 发电机以及调速器的搭建模型

2.2 辅机系统仿真模型的建立

感应电机是电力系统中不可或缺的重要负荷，同时也是所研究的重点。负荷分为两种：一种是母线所带的等效负荷，称之为固定负荷；另一种则是电厂辅机，对于此种负荷，在PSCAD中采用感应电动机模型，具体模型及控制方式如图4所示。

图4中，g1是电厂辅机转子的电气结点，和外电网相连；W为转速控制下的速度标么值；S为控制开关，S=0时，辅机处于转矩控制模式下，S=1时，运动于速度控制的方式下。所选取的控制模式为：通过初始转矩进行转速控制启动，转速恒定之后采用恒转矩控制运行，进而完成辅机的启动过程。

2.3 STATCOM装置仿真模型的建立

动态无功补偿装置是减小电网启动电流、抑制电压暂降的重要装置，对电力系统安全稳定的运行具有重要的意义。在PSCAD环境中搭建的具体模型如图5所示。

由图5可知，在仿真软件PSCAD环境中，STATCOM模型中每相上、下桥臂都串一个由全控型器件与二极管反向并联的模块，并最后和一个电容并联。此种模型能够较好地模拟动态无功补偿装置的功能特性。

图4 辅机模型及控制方式

图5 STATCOM装置模型

在文献[9]中，系统地介绍了静止同步补偿器(STATCOM)的原理结构，并且建立了STATCOM的数学模型，提出了采用无功电流的控制策略。对于三相平衡系统而言，STATCOM装置从电网吸收的有功只与电流的d轴分量有关，然而向电网注入的无功只和电流的q轴分量有关，故适当的调节无功电流的d、q轴分量，便能够实现STATCOM的有功和无功解耦控制，控制原理如图6所示。

图6中，Usref、Udcref为并入母线处电压的参考值和电容电压。通过电流内环控制以及电压外环控制，将得到的脉冲信号传入到PWM发生器中，进而可以对动态无功补偿装置中全控型器件进行导通、关断的控制，从而让换流器的交流侧输出一个等效可控的电压源。通过对该电压源相位、幅值的控制，可以实现与电网动态无功功率的交换。

图6 基于d-q坐标变换的电压外环与电流内环的双闭环控制

2.4 其他模型的建立

对于输电线路的建模，采用分布参数模型，即Bergeron模型，变压器模型则采用三相二绕组的变压器。

3 仿真结果分析

基于电力系统在电磁暂态仿真软件PSCAD模型的建立，对电网中大容量的电厂辅机启动过程中对系统电压的影响进行仿真。对于小电网或孤立电网，系统的电压控制能力低，电厂辅机启动对电网电压的影响和破坏力更大，故选取了一个孤立小电网为例，研究动态无功在电厂辅机启动过程中的补偿作用。

3.1 电网仿真系统概况

以孤立小电网为例进行研究分析，该网架结构中共有3台火电机组，总装机容量为900 MW，电网中的总负荷为300 MW。1#机组和2#机组为正常运行机组，3#机组为待启动机组，3#机组出口母线经降压变压器与辅机供电母线相连接。该地区电网的具体结构如图7所示。

3.2 辅机启动对电网的影响

在辅机母线侧，并入初始时刻断开的断路器，动作时间为2 s。断路器未闭合时，系统处于稳定运行状态，当动作之后，相当于将电厂辅机接入孤网启动。辅机启动方式选择全压启动，启动时采用初始转矩对转速控制方式，在转速达到恒定之后，再采用转矩控制的方式运行，在仿真软件PSCAD建模过程中，单台电动机容量取4 MW。

在电厂辅机启动的过程中，各个母线处电压的变化状况如图8所示。

图7 电网系统结构

图8 各母线处电压变化状况

由图8可知，辅机在启动的瞬间，电网中各个母线电压瞬间跌落，在发电机励磁系统参与电压调节的情况下，电网电压逐渐回升，最终稳定在低于正常母线电压水平的条件下运行。在电网中，尤其是小电网或孤立电网中，电厂辅机启动时，将会引起各个母线不同程度的电压暂降，并且距启动辅机电气距离最近的6 kV母线，压降最为严重，会对电力系统产生很大的冲击，影响电网安全稳定的运行。

3.3 动态无功对电网的补偿作用

通过上节对仿真结果的分析可知，在未加入动态无功补偿装置时，辅机启动过程中会引起较大的电压暂降，并且距启动辅机电气距离越近，压降就越为严重。为了保证电力系统安全、稳定的运行以及优质的电能质量，迫切需要在电力系统中并入动态无功补偿装置，以改善因辅机启动而造成电网电压暂降的问题。

由于辅机启动消耗较大的无功功率，加之距辅机电气距离最近的6 kV母线压降尤为严重。因此将动态无功补偿装置并入6 kV母线处，为辅机提供所必须的无功功率。补偿容量分别设置为4 Mvar、12 Mvar、21 Mvar以及30 Mvar等几个等级，从而可以研究分析不同补偿装置容量对抑制6 kV母线电压的影响。仿真结果如图9所示。

图9 不同补偿容量对6 kV母线的作用

由图9可知，不同容量的动态无功补偿装置对抑制电压压降的程度是不同的。随着动态补偿容量的增大，抑制电压压降的效果也越为明显，当接近辅机冲击容量时，抑制压降的效果最为明显，补偿效果也最为理想。

4 结 论

电力系统中的电厂辅机在启动的过程中，将会消耗较大的无功功率，产生较大的冲击电流，进而引起电网电压瞬间下降，电压过低很有可能导致大容量电机无法正常启动，甚至损坏，更为严重的是导致电力系统失稳，进而解列。以一个孤立小电网为例，在电磁暂态仿真软件PSCAD环境中建立了一个仿真模型，对动态无功在电厂辅机启动过程中的补偿作用进行了仿真研究与分析，具体结论如下：

1)电厂辅机在电网中直接启动时，会导致电网电压暂降，并且距辅机电气距离越近的母线，电网压降就越为严重。同时还会对电网产生了很大的冲击，影响系统安全稳定的运行以及供电质量。

2)通过在仿真软件PSCAD中建模、仿真运行可知，在电厂辅机机端并入动态无功补偿装置，可以有效的抑制辅机启动过程中的电网压降。

3)在仿真软件中，通过改变动态无功补偿装置的补偿容量可知，补偿容量越大，抑制压降的作用越明显；当补偿容量接近辅机冲击容量时，抑制压降的效果最为理想。

[1]王大志，王克难，刘 震.电力系统无功补偿原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2013.

[2]王宏生，张建国，张建军.电动机起动对电网电能质量的影响[J].电气技术，2007:(9)：45-47.

[3]杨桂钟，方朝雄，黄文英.600MW火电机组黑启动过程仿真分析中的大型辅机启动模型[J].电网技术，2008,32(S2)：116-118.

[4]Math H J.Understanding power quality problems: voltage sags and interruption[C]//IEEE,New York,2000.

[5]邢 颖，李宝树，程 佳.异步电动机起动过程的电压暂降分析[J].电气应用，2008，27(15)：79-83.

[6]牟旭涛，李铭铭.无功补偿装置在大型辅机启动中应用[J].电力自动化设备，2009,29(9)：148-150.

[7]孙海燕，赵洪波.大容量电动机启动方法的讨论[J].水利水电工程，2014,4(20)：1674-1680.

[8]靳 希，沙旦华，张立峰，等.大容量电动机启动对孤立小电网的影响[J].上海电力学院学报，2011,27(6)：579-582.

[9]茅靖峰，孙玉坤，吴爱华，等.静止同步补偿器装置建模、控制与仿真研究[J].系统仿真学报，2007，19(10)：2332-2336.

(责任编辑 佟金锴 校对 张 凯)

Research on Compensation Effect of Dynamic Reactive Power During the Auxiliary Equipment Startup in Power Plant

HU Yao-ninga,YE Penga,HE Miaob,ZHANG Qian-lia,GUO Shuaia,DONG Huan-yua

(a.Institute of Electric Power; b.College of Information,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

During the auxiliary equipment startup in power plant,there will appear significant surge current that will cause considerable voltage dropping especially for the small grid or isolated power grid.In this paper,the compensation effect of dynamic reactive power during the startup of power plant auxiliary equipment is studied.By electromagnetic transient simulation software of PSCAD,a dynamic simulation model is established which contains isolated grids,power plant auxiliary and dynamic reactive power compensation device.Under various operation conditions,the compensation effect of dynamic reactive power is studied and analyzed.The results show that the dynamic reactive power compensation device can effectively suppress voltage drop during the startup.

Power plant auxiliary equipment; Dynamic reactive power compensation; Electromagnetic transient simulation

2015-06-01

胡耀宁(1990-)，男，河北石家庄人，硕士研究生。

叶 鹏(1974-)，男，吉林人，教授，博士，硕士生导师，主要从事电力系统运行与控制方面的研究。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.03.013

TM743

A

1673-1603(2015)03-0250-05