站用電切換中調(diào)相機(jī)循泵電機(jī)的瞬態(tài)分析*

張玉良, 馬宏忠, 蔣夢(mèng)瑤, 劉一丹

(1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京 211100;2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 檢修分公司,江蘇 南京 211106)

0 引 言

中國(guó)現(xiàn)階段的交直流混聯(lián)電網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了巨大的發(fā)展，尤其是特高壓(UHV)直流輸電，其電壓等級(jí)和規(guī)模均已達(dá)到世界前列，打破了中國(guó)經(jīng)濟(jì)能源分布不均的格局[1-2]。然而UHV變電站交直流的并列運(yùn)行易使其換流站直流端的電壓支撐不足，新能源的匯集接入和電力大規(guī)模的外送極有可能導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)電壓以及換相失敗等故障。為解決換流站電壓調(diào)節(jié)能力不足的問(wèn)題，換流站配置了大容量調(diào)相機(jī)進(jìn)行無(wú)功調(diào)節(jié)[3-5]。

目前在運(yùn)行的大容量調(diào)相機(jī)一般是雙水內(nèi)冷式，其冷卻系統(tǒng)延伸到機(jī)組外，由大功率380 V低壓異步電機(jī)帶動(dòng)多組水泵進(jìn)行循環(huán)冷卻。站用電系統(tǒng)則是由多組站用變壓器、380 V低壓配電屏、交流供電網(wǎng)絡(luò)、動(dòng)力電及生活用電等用電設(shè)備構(gòu)成[6-7]。站用電對(duì)于UHV變電站是非常重要的基礎(chǔ)設(shè)施，保證了變電站各項(xiàng)設(shè)備的穩(wěn)定工作。

變電站會(huì)對(duì)站用電進(jìn)行定期檢修，并做站用電雙電源切換以及備自投的試驗(yàn)[8-10]。然而在站用電的切換過(guò)程中，不可避免地存在短暫的失電時(shí)間，當(dāng)重新上電時(shí)，再次投入的電網(wǎng)電壓與異步電機(jī)殘余電壓的相位和幅值的差異，極易導(dǎo)致異步電機(jī)中出現(xiàn)巨大的沖擊電流，引發(fā)系統(tǒng)多級(jí)跳閘，若不能及時(shí)合閘，則會(huì)導(dǎo)致調(diào)相機(jī)過(guò)熱，出現(xiàn)嚴(yán)重故障。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于異步電機(jī)重新投入使用的大部分研究將重點(diǎn)放在了電機(jī)起動(dòng)和備自投的應(yīng)用中，而對(duì)于雙電源切換的研究較少。文獻(xiàn)[11]通過(guò)建立dq坐標(biāo)系下的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型對(duì)電機(jī)斷電及重合閘過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，但尚未細(xì)致分析失電殘壓和相位信息，且需要復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算。文獻(xiàn)[12]利用頻差和相位差提出了一種同步調(diào)相機(jī)的并網(wǎng)策略，但該方法對(duì)異步電機(jī)卻不適用。

由交流電機(jī)的基本原理可知[13-15]，異步電機(jī)的定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)在其正常運(yùn)行時(shí)相對(duì)靜止，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子內(nèi)電流相互作用，形成電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子則以轉(zhuǎn)差率s相對(duì)其運(yùn)動(dòng)。在系統(tǒng)電源切換過(guò)程中，由于開(kāi)關(guān)切換的物理性質(zhì)，會(huì)有短時(shí)間的斷電情況存在。異步電機(jī)的定子磁場(chǎng)會(huì)由于斷電而突然消失，其轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流在三相電斷開(kāi)的瞬間也會(huì)變?yōu)槔m(xù)流電流，并逐步衰減直至消失。按能量方向理解，則是在轉(zhuǎn)子電感中存儲(chǔ)的能量，斷電后在回路中漸漸消散。電機(jī)轉(zhuǎn)子中衰減的電流感應(yīng)出衰變的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子繞組中則感應(yīng)出電壓，并隨著時(shí)間逐步衰減。

雙電源切換過(guò)程中，在電機(jī)重新上電時(shí)其機(jī)端電壓是電機(jī)失電后殘余電壓與電源電壓的向量差，該值將直接影響沖擊電流的大小[16]。本文對(duì)雙電源切換時(shí)三相異步電機(jī)失電和重合閘的瞬態(tài)特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)了沖擊電流隨時(shí)間的變化規(guī)律，其最大值與最小值分別略滯后于相位相反和相位相同的點(diǎn)，由此提出了一種基于失電殘壓和電源電壓幅值差的切換方法，并建立相關(guān)模型對(duì)其進(jìn)行了分析。

1 失電殘壓

電源切換時(shí)在斷電的瞬間，異步電機(jī)三相電源消失，其定子電流應(yīng)該突降至零值，旋轉(zhuǎn)磁勢(shì)也應(yīng)該突降至零值，但異步電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組是閉合回路，其磁通不能產(chǎn)生突變，因此在轉(zhuǎn)子繞組回路中將會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電流，以平衡由于定子電流突變而導(dǎo)致的磁通變化。該續(xù)流電流是直流性質(zhì)的，并且會(huì)跟隨轉(zhuǎn)子繞組的時(shí)間常數(shù)進(jìn)行較為緩慢的衰減。轉(zhuǎn)子與其繞組中電流生成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)靜止，該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)相對(duì)于定子則以ωr的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。電機(jī)失電后轉(zhuǎn)速會(huì)不斷下降，轉(zhuǎn)子繞組中的續(xù)流電流也會(huì)不斷減小，而定子繞組中的感應(yīng)電勢(shì)即為失電殘壓，并以(1-s)ω0的角速度在持續(xù)衰減。

以三相異步電機(jī)的理想模型為基礎(chǔ)，其定子電壓可表示如下：

(1)

式中：ψa、ψb、ψc為異步電機(jī)定子繞組的磁鏈；p為對(duì)時(shí)間的微分；Ra、Rb、Rc為定子電阻；ia、ib、ic為定子電流。

異步電機(jī)的線電壓則可以表示為

(2)

電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子繞組電流以及轉(zhuǎn)速等信息均會(huì)在失電的瞬間存留，而在電機(jī)失電后，其定子電流會(huì)降至零。因此，在電機(jī)失電的瞬間可以由磁鏈?zhǔn)睾愕玫酵茖?dǎo)式如下：

(3)

式中：Iso為電機(jī)失電前定子電流；Iro為電機(jī)失電前轉(zhuǎn)子電流；Ir為電機(jī)失電后轉(zhuǎn)子電流；Lrs為定子電感；Lrr為轉(zhuǎn)子電感；ψro-為電機(jī)失電瞬間前的磁鏈；ψro+為電機(jī)失電瞬間后的磁鏈。

在異步電機(jī)失電后，式(1)、式(2)變?yōu)?/p>

(4)

(5)

其中，電機(jī)定子磁鏈在失電后變?yōu)?/p>

(6)

式中：Lar、Lbr、Lcr為定子三相電感。

根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電壓為零可以得到

(7)

式中：ψr為轉(zhuǎn)子繞組的磁鏈；Rr為轉(zhuǎn)子電阻。

結(jié)合式(4)、式(6)可以得到

(8)

式中：ω為電機(jī)定子電壓的角頻率；θm為轉(zhuǎn)子和定子同相軸線之間的夾角，即電角度。

本文以泰州UHV變電站調(diào)相機(jī)循泵電機(jī)IEC60034作為站用電切換時(shí)的研究對(duì)象進(jìn)行相關(guān)計(jì)算仿真，其基本參數(shù)如表1所示。

表1 循泵電機(jī)參數(shù)

根據(jù)表1參數(shù)可對(duì)三相異步電機(jī)失電后的殘壓波形進(jìn)行仿真，如圖1所示。圖1中，3 s時(shí)電機(jī)開(kāi)始失電。根據(jù)圖1，電機(jī)失電后定子電壓是不斷衰減的正弦波，其幅值和頻率均在持續(xù)減小。

圖1 循泵電機(jī)失電定子電壓波形

2 重合閘的瞬態(tài)分析

由上文可知，在三相異步電機(jī)失電后的一段時(shí)間內(nèi)定子繞組上的殘壓會(huì)一直存在，無(wú)法忽略。而電機(jī)失電殘壓的幅值變化與持續(xù)時(shí)間還與負(fù)載大小和電源切換時(shí)間有關(guān)。因此，需要在有失電殘壓的情況下，對(duì)三相異步電機(jī)重合閘[17-21]的瞬態(tài)進(jìn)行研究。

假設(shè)電機(jī)在重新上電時(shí)定子端的殘壓存在且為us0，磁鏈ψr0以ωr的轉(zhuǎn)速相對(duì)于定子旋轉(zhuǎn)并持續(xù)衰減，轉(zhuǎn)子繞組中的續(xù)流電流Ir0同樣在持續(xù)衰減。

在定子回路中生成交流分量iss3，其衰減的時(shí)間常數(shù)為Tr。上述磁場(chǎng)的相互作用可由圖2闡釋。

圖2 電機(jī)重合閘時(shí)電磁場(chǎng)相互作用

基于定子磁鏈、轉(zhuǎn)子磁鏈以及電壓方程，利用狀態(tài)空間建模法，對(duì)三相異步電機(jī)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模：

(9)

式中：us為電機(jī)定子電壓；is為定子電流；ir為轉(zhuǎn)子電流；Rs為定子電阻；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；Ls為定子自感；Lr為轉(zhuǎn)子自感；Mm為電機(jī)互感；ωr為轉(zhuǎn)子的角速度。

對(duì)式(9)進(jìn)行拉氏變換并整理可以得到:

(10)

(11)

(12)

式(12)的分母為三次方程，即Q(s)有3個(gè)根，故可以發(fā)現(xiàn)s1=jω1。解上述等式式(2)，可得定子電流is在向量空間中的解:

(13)

將式(12)的結(jié)果取拉氏變換后結(jié)合式(8)可得：

is=iss1+iss2+iss3=

(14)

由上述解析式式(14)可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)失電后的殘壓us0和電源電壓的幅值差主要影響衰減的定子電流中交、直流分量，因此整體上在電機(jī)重合閘瞬間總的定子電流會(huì)有較大的變化，即當(dāng)失電殘壓與電源電壓幅值差較大時(shí)，總的定子電流會(huì)大幅增加。

3 瞬態(tài)過(guò)程仿真

3.1 仿真模型

通過(guò)異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料等參數(shù)利用多回路計(jì)算出電機(jī)各項(xiàng)電抗參數(shù)，構(gòu)建出電機(jī)模型，并搭建站用電切換系統(tǒng)模型，如圖3所示。

圖3中系統(tǒng)模型整體分為電網(wǎng)側(cè)、軟起動(dòng)模型、三相異步電機(jī)模型3部分。其中三相異步電機(jī)模型由前文所述各項(xiàng)參數(shù)構(gòu)建，軟起動(dòng)模型則由控制模塊、觸發(fā)器模塊、雙向晶閘管模塊構(gòu)成。同步電壓和階躍起動(dòng)信號(hào)分別經(jīng)過(guò)控制模塊和觸發(fā)器模塊產(chǎn)生6路觸發(fā)脈沖，控制晶閘管向電機(jī)端的輸出，以模擬循泵電機(jī)軟起動(dòng)器[22-23]。

圖3 站用電切換系統(tǒng)模型

圖4 循泵電機(jī)實(shí)測(cè)惰走曲線

3.2 沖擊電流隨時(shí)間變化規(guī)律

以站用電切換時(shí)間為0.1 s為例進(jìn)行仿真，待電機(jī)起動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行后，在3 s時(shí)將三相斷路器斷開(kāi)，并于3.1 s時(shí)將軟起動(dòng)模型接入，以此觀察重合閘時(shí)的沖擊電流。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 電源切換時(shí)間為0.1 s時(shí)仿真波形

當(dāng)電源切換時(shí)間為0.1 s時(shí)，沖擊電流最大為1 079 A，達(dá)額定電流7.6倍，已經(jīng)遠(yuǎn)高于軟起動(dòng)時(shí)的最大電流。同時(shí)對(duì)不同的電源切換時(shí)間進(jìn)行仿真，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

為了保持每次仿真時(shí)重合閘時(shí)電源電壓均為同相位，選取0.02 s為最小時(shí)間間隔。從表2可以發(fā)現(xiàn)，沖擊電流分兩個(gè)階段變化：第一階段是電源切換時(shí)間為0.02～0.06 s時(shí)，沖擊電流有短暫的增長(zhǎng)；第二階段是0.06 s以后，沖擊電流開(kāi)始降低，并隨時(shí)間推移而降速變緩。

表2 不同切換時(shí)間的沖擊電流

對(duì)于第一階段的變化，根據(jù)圖1，電機(jī)失電殘壓與電源電壓的幅值差在隨時(shí)間逐步擴(kuò)大。因此在最開(kāi)始的幾個(gè)周期內(nèi)，由于失電殘壓的幅值在逐步減小，電源電壓與失電殘壓的幅值差不斷擴(kuò)大，沖擊電流會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)。根據(jù)圖1，從3 s失電到3.06 s，失電殘壓的周期僅增加了0.002 s，而幅值從380 V降至265 V，下降了115 V，可以忽略頻率的微小變化，認(rèn)為僅幅值在發(fā)生變化；根據(jù)表2，切換時(shí)間從0.02 s至0.06 s時(shí)，沖擊電流增加了729 A，與前文式(14)得出的結(jié)論一致，即失電殘壓與電源電壓的幅值差對(duì)沖擊電流的影響占主要地位。

第二階段中從0.06 s至0.10 s，電機(jī)失電后轉(zhuǎn)速和電壓均下降較快，沖擊電流因此也有大幅下降。從0.1 s至0.3 s，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降稍緩，但已明顯下降，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大，因此重合閘時(shí)為了提供足夠的轉(zhuǎn)矩，軟起動(dòng)器會(huì)將電壓保持較高的狀態(tài)，沖擊電流下降較緩。而0.5 s以后電機(jī)轉(zhuǎn)速已下降過(guò)半，軟起動(dòng)器在接入瞬間提供的電壓不會(huì)達(dá)到峰值，并隨轉(zhuǎn)速的下降速度持續(xù)降低，因此沖擊電流下降略快，并開(kāi)始低于軟起動(dòng)時(shí)的最大電流。

3.3 基于幅值差的切換方法

將三相異步電機(jī)模型負(fù)載調(diào)整為類水泵負(fù)載后，令電機(jī)在0 s時(shí)起動(dòng)，穩(wěn)定運(yùn)行后斷開(kāi)電源，并在不同時(shí)刻重新接入軟起動(dòng)模型。通過(guò)ode23t算法仿真獲取電機(jī)斷電后殘壓和重新接入軟起動(dòng)器時(shí)的電源電壓及相位等信息，作出圖6所示失電殘壓與電源電壓幅值差關(guān)系圖。

圖6 失電殘壓與電源電壓幅值差關(guān)系

三相異步電機(jī)在失電后，殘壓的幅值與頻率均在持續(xù)減小，失電殘壓與電源電壓相位差和幅值差也在持續(xù)變化。根據(jù)圖6，失電殘壓與電源電壓幅值差的最大值為二者第一次相位差達(dá)191.34°時(shí)，即滯后相位相反的點(diǎn)10°左右。類似地，電壓幅值差最小值出現(xiàn)在滯后相位相同的點(diǎn)10°左右。但隨著時(shí)間的推移，電壓幅值差出現(xiàn)極大極小值點(diǎn)的相位差會(huì)逐漸滯后并擴(kuò)大，如第二次極大值出現(xiàn)在二者相位差約為235°時(shí)，極小值出現(xiàn)在二者相位差約為91°時(shí)。這個(gè)滯后的量取決于失電殘壓衰減的快慢，衰減越快則頻率越小，即該滯后的量越大。

沖擊電流的大小主要取決于失電殘壓和電源電壓的幅值差，而沖擊電流的最小值點(diǎn)略滯后于相位相同的點(diǎn)，因此可以選擇失電殘壓與電源電壓幅值差最小的時(shí)刻進(jìn)行重合閘操作，以減小沖擊電流并獲得較為理想的瞬態(tài)轉(zhuǎn)矩。

目前變電站中對(duì)于電機(jī)斷電后重合閘主要有直接重合閘、檢同期、啟用備自投等3種常用方法。

直接重合閘即是在系統(tǒng)斷電后立即進(jìn)行重合閘操作，在變電站站用電系統(tǒng)中體現(xiàn)為雙電源裝置的自動(dòng)切換，但限于設(shè)備的硬件性能特性，一般需要300～1 000 ms完成重合閘動(dòng)作。根據(jù)表2的仿真結(jié)果，在這一時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行重合閘操作會(huì)產(chǎn)生極大的沖擊電流，極易致使保護(hù)設(shè)備動(dòng)作。

檢同期合閘主要是針對(duì)兩側(cè)電壓幅值基本相同的設(shè)備，找尋失電殘壓和電源電壓相位相同的點(diǎn)進(jìn)行重合閘操作。根據(jù)上述仿真結(jié)果，三相異步電機(jī)的失電殘壓幅值是持續(xù)衰減的，又因?yàn)槠漕l率也在持續(xù)衰減，導(dǎo)致二者幅值差的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)分別滯后于相位相反和相同的點(diǎn)。因此，該方法對(duì)調(diào)相機(jī)循泵電機(jī)存在較大誤差且成本較高。

啟用備自投是延長(zhǎng)雙電源切換時(shí)間，讓備自投開(kāi)始運(yùn)行，待主設(shè)備完全停機(jī)后，再?gòu)膫溆迷O(shè)備切換回主設(shè)備，讓主設(shè)備重新起動(dòng)。該方法雖不會(huì)引起保護(hù)設(shè)備動(dòng)作，但讓系統(tǒng)整體恢復(fù)正常狀態(tài)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，甚至?xí)?dǎo)致調(diào)相機(jī)因過(guò)熱而出現(xiàn)故障。

綜上所述，目前常用的3種方法均存在不足，因此本文提出基于失電殘壓和電源電壓幅值差的切換方法，可以在盡可能降低沖擊電流的同時(shí)快速進(jìn)行重合閘操作。

根據(jù)沖擊電流的變化規(guī)律，本文提出如下降低站用電切換失敗概率的建議，供維護(hù)設(shè)計(jì)人員參考。

(1) 由于重合閘后短暫的時(shí)間內(nèi)沖擊電流會(huì)隨兩側(cè)的頻差和角差的增大而增大，因此如若電源開(kāi)關(guān)水平較高(10 ms級(jí))，則可以直接投切，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的沖擊電流。

(2) 重合閘后在一定的時(shí)間后，沖擊電流會(huì)隨著時(shí)間逐步降低，但由于軟起動(dòng)器的特性，當(dāng)反向轉(zhuǎn)矩依然在一定范圍內(nèi)時(shí)，為提供足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，沖擊電流會(huì)大于正常起動(dòng)電流。因此，當(dāng)開(kāi)關(guān)水平較低時(shí)，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)電源切換時(shí)間，直至沖擊電流低于電機(jī)正常起動(dòng)最大電流，從而保證站用電切換過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)多級(jí)跳閘的情況。

(3) 可以根據(jù)失電殘壓與電源電壓幅值差來(lái)判定重合閘時(shí)刻，在該幅值差達(dá)到最小值時(shí)再進(jìn)行投切操作。

4 結(jié) 語(yǔ)

在變電站站用電切換的過(guò)程中，在循泵電機(jī)失電后，轉(zhuǎn)子電流不會(huì)突變，定子繞組中則會(huì)感應(yīng)出失電殘壓，且該殘壓的頻率和幅值持續(xù)衰減。因此，電機(jī)失電后重合閘的瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流。本文針對(duì)該問(wèn)題對(duì)電源切換過(guò)程中失電和重合閘的瞬態(tài)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了最大沖擊電流根據(jù)電機(jī)失電時(shí)間長(zhǎng)短，先短暫增長(zhǎng)再持續(xù)減小的規(guī)律，且沖擊電流的最大值滯后于相位相反的點(diǎn)，該滯后的量由失電殘壓衰變的速率決定，因此可以根據(jù)失電殘壓和電源電壓的幅值差來(lái)確定投切的時(shí)刻。