第 1 章 緒

1.1 背景和意義
現(xiàn)代社會(huì)中，電能作為一種清潔能源在世界上得到廣泛應(yīng)用且其使用程度是一個(gè)國家發(fā)展水平的重要體現(xiàn)方式。隨著科技和我國國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會(huì)和人民生活等方面對(duì)電能的需求量不斷增大，同時(shí)對(duì)波形畸變、電壓波動(dòng)、電壓閃變、頻率偏差以及電壓暫降等電能質(zhì)量的要求也越來越高，電能質(zhì)量問題已經(jīng)引起各電力相關(guān)部門和科研人員的密切關(guān)注[1]。 現(xiàn)代工業(yè)和高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展使得電力系統(tǒng)的規(guī)模日益擴(kuò)大，電力系統(tǒng)中的用電負(fù)荷結(jié)構(gòu)也發(fā)生較大的變化，由此引起的電能質(zhì)量問題日趨嚴(yán)峻。電能質(zhì)量問題的種類繁多，而對(duì)于電力系統(tǒng)來說，由各種較大擾動(dòng)導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題中，電壓暫降作為一種常見的擾動(dòng)現(xiàn)象因其覆蓋面積廣、發(fā)生頻度高、處理相對(duì)困難、造成危害大等特點(diǎn)而使其成為影響電能質(zhì)量的主要因素，通�？蛇_(dá)電能質(zhì)量問題的 70%-90%。當(dāng)供電網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生各種短路故障、用電設(shè)備啟動(dòng)（如大容量電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)）或突然加負(fù)荷、電網(wǎng)或用電設(shè)備發(fā)生雷電擊、投運(yùn)變壓器以及操作開關(guān)等擾動(dòng)時(shí)都會(huì)引起電壓降落，尤其是大容量感應(yīng)電動(dòng)機(jī)并網(wǎng)和短路故障是導(dǎo)致電網(wǎng)電壓幅值突然跌落的主要原因[2-4]。 近年來，隨著自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)以及電力電子等高新技術(shù)的快速發(fā)展，一些新型用電設(shè)備、大功率電力電子設(shè)備、沖擊性與非線性負(fù)荷大量投入電網(wǎng)，這使得供電網(wǎng)絡(luò)對(duì)電網(wǎng)電壓的要求更加苛刻[5]。根據(jù)調(diào)查顯示在歐美等發(fā)達(dá)國家中，電力部門以及電力用戶對(duì)電壓暫降問題的關(guān)注程度比其他電能質(zhì)量問題要強(qiáng)烈的多，而且在引起電能質(zhì)量問題的所有因素中，由于電壓暫降導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題占用戶投訴的 80%以上，因此上世紀(jì) 90 年代初電壓暫降成為衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。另外，在供電網(wǎng)絡(luò)中對(duì)電壓非常敏感的用電設(shè)備受電壓暫降的影響較大，例如電壓降落將會(huì)影響對(duì)電壓敏感程度很高的新型精密設(shè)備的正常工作；使敏感控制器發(fā)生誤動(dòng)作，導(dǎo)致不必要的跳閘等。相關(guān)文獻(xiàn)也介紹了一些對(duì)電壓暫降特別敏感的電力設(shè)備如可調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置（Adjustable Speed Drive）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller）以及精密加工機(jī)械等等，電壓幅值突然下降將會(huì)影響這些電氣設(shè)備的正常工作，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷甚至是設(shè)備損壞，從而造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[6-7]。
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1.2 國內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)
大容量異步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，但作為一類重要的電氣設(shè)備，其全壓啟動(dòng)過程中引起的電壓暫降問題將對(duì)整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)內(nèi)正在運(yùn)行的其他用電設(shè)備帶來諸多影響。因此，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)不僅要求其有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和滿足要求的機(jī)械特性曲線，而且還要盡可能的減小啟動(dòng)時(shí)引起的沖擊電流。另外，整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行中也會(huì)受到如雷擊、保護(hù)誤動(dòng)作引起的跳閘等各種不可預(yù)測的故障，當(dāng)故障結(jié)束后，供電系統(tǒng)再次恢復(fù)供電時(shí)，電動(dòng)機(jī)的重新接入同樣可能產(chǎn)生較大的沖擊電流，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的大幅下降，威脅整個(gè)供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 大容量輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，造成電網(wǎng)電壓暫降。電壓暫降是指供電網(wǎng)絡(luò)中某一點(diǎn)工頻電壓均方根值突然降落到額定電壓的 0.1-0.9 倍，并且持續(xù)時(shí)間為 0.5 周波-1 分鐘的電壓變動(dòng)現(xiàn)象[11]。目前，電壓暫降問題受到世界各國的廣泛關(guān)注，為了能夠及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測出電力系統(tǒng)中電壓暫降的發(fā)生狀況，世界上多個(gè)國家已經(jīng)開始對(duì)電壓暫降問題進(jìn)行長期的監(jiān)測工作，例如在供電網(wǎng)絡(luò)中的特殊節(jié)點(diǎn)處裝設(shè)監(jiān)測裝置。美國電力研究協(xié)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)中電壓暫降問題開展了長期的監(jiān)測工作，監(jiān)測結(jié)果顯示電網(wǎng)電壓的暫降幅值是變化不定的，并且可能會(huì)出現(xiàn)波形畸變、相位發(fā)生突變等問題；在 1994 年，法國對(duì)電壓暫降問題進(jìn)行了抽樣檢查，發(fā)現(xiàn) 44%的工業(yè)用電用戶認(rèn)為電壓暫降問題會(huì)給其生產(chǎn)帶來威脅；之后，英國在 1995 年對(duì)一百家容量高于 1MW的用戶做了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果表明電力用戶因電能質(zhì)量問題而引起的生產(chǎn)事故中，83%是由電壓暫降引起的；另外，從 1991 年起，加拿大電氣協(xié)會(huì)利用三年的時(shí)間對(duì)電能質(zhì)量問題展開了調(diào)查工作，調(diào)查結(jié)果顯示，在工業(yè)用戶組中，電源側(cè)每相每月平均發(fā)生 4次電壓暫降問題，而每個(gè)用戶側(cè)則發(fā)生 38 次，在商業(yè)用戶組中用戶側(cè)與電源側(cè)發(fā)生電壓暫降的次數(shù)較少，其中用戶側(cè)有 70%的監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生 2-3 次，電源側(cè)則為 1-2 次[12]。 
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第 2 章 大容量輔機(jī)啟動(dòng)理論計(jì)算方法研究

火電廠中的廠用電負(fù)荷主要是各類大型輔助機(jī)械如給水泵、各類風(fēng)機(jī)等大容量的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，所以本文采用感應(yīng)電動(dòng)機(jī)模型對(duì)輔機(jī)啟動(dòng)進(jìn)行分析。大容量輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓造成較大的沖擊，為了較好的分析輔機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓造成的影響，輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)采用全壓啟動(dòng)。所謂全壓啟動(dòng)就是利用閘刀開關(guān)或接觸器將電動(dòng)機(jī)定子繞組直接投入額定電壓的交流電網(wǎng)上啟動(dòng)[41]。該啟動(dòng)方式不需要專門的啟動(dòng)設(shè)備，啟動(dòng)方式簡單、成本低并且可靠性高。但在額定電壓下直接啟動(dòng)，啟動(dòng)初始時(shí)刻沖擊電流的大小只受電動(dòng)機(jī)短路阻抗的限制，由于其阻抗很小，所以初始啟動(dòng)電流很大，約為額定電流的 4-8 倍，但啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩并不隨啟動(dòng)電流的倍數(shù)增長，只有額定轉(zhuǎn)矩的 1-2 倍[42-43]。因此，本章節(jié)主要對(duì)輔機(jī)全壓啟動(dòng)時(shí)對(duì)電網(wǎng)電壓跌落造成的影響以及考慮電網(wǎng)絡(luò)時(shí)的電壓幅值跌落的理論計(jì)算方法進(jìn)行分析總結(jié)。 

2.1 輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流的簡化計(jì)算 
輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)，一方面為了能夠使轉(zhuǎn)速較快的達(dá)到額定值，希望能產(chǎn)生較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，另一方面為了避免造成電網(wǎng)電壓的大幅降落，希望啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的沖擊電流不要太大，影響其他用電設(shè)備的正常運(yùn)行。然而，在初始時(shí)刻，輔機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零，轉(zhuǎn)差率為 1，大容量輔機(jī)直接投入電網(wǎng)啟動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場以同步轉(zhuǎn)速切割轉(zhuǎn)子繞組時(shí)將會(huì)感應(yīng)出較大的電勢，并產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)子電流，使得流過定子繞組的電流也很大，所以大容量輔機(jī)直接啟動(dòng)過程中將會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，下面就輔機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)的電流計(jì)算進(jìn)行分析。輔機(jī)的 T 型等效電路如圖 2.1 所示。 
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2.2 輔機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響分析
電壓暫降的主要原因是電網(wǎng)中某處電流突然增加很多例如系統(tǒng)短路、大容量感應(yīng)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、變壓器的投入以及開關(guān)操作等引起的，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓突然下降，并在很短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常所致。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)是供電網(wǎng)絡(luò)中的重要感性負(fù)載，當(dāng)大容量輔機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，使線路電壓或者母線電壓下降幅度較大，影響鄰近其他用電設(shè)備的正常工作，甚至危及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文主要以大容量輔機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓造成的影響為例進(jìn)行分析。圖 2.2 是某一含輔機(jī)的供電系統(tǒng)等效電路模型。輔機(jī)啟動(dòng)的過程中，其轉(zhuǎn)速上升到額定值需要一定的時(shí)間，在這一過程中，輔機(jī)啟動(dòng)產(chǎn)生的沖擊電流一直維持在較大的值，因而電壓的回升是個(gè)漸變的過程，需要一定的恢復(fù)時(shí)間。電壓恢復(fù)到穩(wěn)定水平所需的時(shí)間與輔機(jī)的參數(shù)有關(guān)，其中最重要的影響參數(shù)是慣性，慣性越大，電壓跌落持續(xù)的時(shí)間越長，反之則越短。另外，由于輔機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與終端電壓的平方成正比，電壓的降落將會(huì)導(dǎo)致輔機(jī)轉(zhuǎn)矩的值減小，使加速時(shí)間加長，電壓降落的持續(xù)時(shí)間也相應(yīng)的加長。 
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第 3 章 輔機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響仿真研究 ............ 17 
3.1 電磁暫態(tài)仿真理論 .......... 17 
3.2 輔機(jī)啟動(dòng)仿真平臺(tái)建模 ........... 19 
3.2.1 同步發(fā)電機(jī)模型..... 19 
3.2.2 負(fù)荷模型........ 21 
3.2.3 其他模型........ 26 
3.3 實(shí)際工程仿真計(jì)算及分析 ....... 27
3.4 小結(jié) ....... 31 
第 4 章 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償策略研究及其仿真分析 ............ 32 
4.1 概述 ....... 32 
4.2 STATCOM 模型及其控制系統(tǒng) ......... 32 
4.2.1 STATCOM 電路的基本結(jié)構(gòu) ............ 32 
4.2.2 STATCOM 的基本工作原理 ............ 33 
4.2.3 STATCOM 的數(shù)學(xué)模型 ........... 37 
4.2.4 STATCOM 的控制策略分析 ............ 40 
4.2.5 孤網(wǎng)帶輔機(jī)啟動(dòng)過程中的補(bǔ)償作用仿真分析 ........... 42 
4.3 基于粒子群算法的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償控制策略分析 ....... 45
4.4 小結(jié) ....... 52 
第 5 章 結(jié)論與展望 ........... 54 

第 4 章 動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償策略研究及其仿真分析 

為了保證電力系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)性，無功功率的補(bǔ)償是必不可少的。無功功率不平衡將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓不能維持在穩(wěn)定水平，進(jìn)而影響供電質(zhì)量，導(dǎo)致輸電系統(tǒng)的輸電能力以及穩(wěn)定性降低，設(shè)備容量及功率損耗增加等。從前面的分析可以看到，大容量的輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生較大的沖擊電流，造成較大的壓降，給電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。本節(jié)基于孤立電網(wǎng)帶輔機(jī)啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)仿真，分析在輔機(jī)啟動(dòng)過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，對(duì)減少電網(wǎng)電壓降落以及促進(jìn)電網(wǎng)電壓恢復(fù)的作用。下面的研究主要介紹了無功補(bǔ)償裝置 STATCOM 的基本原理以及數(shù)學(xué)模型，提出相應(yīng)的控制策略，并應(yīng)用到 STATCOM 裝置中使其能夠有效的改善電網(wǎng)電壓的水平，并通過仿真分析驗(yàn)證控制策略的有效性[50-52]。 

4.1 概述 

無功補(bǔ)償技術(shù)是指通過改變系統(tǒng)中無功功率的大小來提高供電系統(tǒng)的運(yùn)行性能。一般情況下，無功補(bǔ)償需要考慮兩個(gè)方面的問題即：電壓支撐與負(fù)荷補(bǔ)償。大容量輔機(jī)作為感性的沖擊負(fù)荷并網(wǎng)時(shí)將會(huì)從電網(wǎng)汲取一定的無功功率以保證輔機(jī)的正常啟動(dòng)，給電網(wǎng)電壓帶來較大的沖擊，并且在電壓下降的狀況下其吸收的無功反而不斷增加。因此，為了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要向電網(wǎng)提供一定的無功支撐。目前，電力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償裝置主要有電容器組、SVC 和 STATCOM。 為了提高功率因數(shù)，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)通常情況下是由電容器組進(jìn)行補(bǔ)償?shù)摹Ｈ欢呻娙萜鹘M提供的無功功率與電壓的平方有關(guān)，當(dāng)電壓降低時(shí)，提供的無功也將明顯降低，并且電容器組不能對(duì)無功進(jìn)行動(dòng)態(tài)和連續(xù)的調(diào)節(jié)，因此，為了避免大容量輔機(jī)并網(wǎng)對(duì)孤立電網(wǎng)造成較大的沖擊，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置例如 STATCOM和 SVC 等新型補(bǔ)償設(shè)備得到重視。SVC 雖能對(duì)無功進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，但其動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)特性受并入母線電壓的波動(dòng)影響較大，調(diào)節(jié)能力受限；STATCOM 基于電壓源換流器，可以快速提供容性和感性無功功率，并且他所控制的無功電流不受供電網(wǎng)絡(luò)電壓的影響，能夠較好的實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)對(duì)無功的動(dòng)態(tài)需求，是現(xiàn)階段比較理想的無功補(bǔ)償設(shè)備。 

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結(jié)論

本文主要分析了輔機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓的影響，介紹了輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)造成電網(wǎng)電壓下降的原因以及考慮電網(wǎng)絡(luò)的輔機(jī)啟動(dòng)引起電網(wǎng)電壓幅值跌落的計(jì)算方法。考慮到理論計(jì)算忽略了一些因素，將會(huì)使計(jì)算結(jié)果存在相應(yīng)的誤差，為了能夠更加直觀確切的得到輔機(jī)啟動(dòng)造成電網(wǎng)電壓降落的動(dòng)態(tài)過程，本文在仿真軟件中搭建了孤立電網(wǎng)帶輔機(jī)啟動(dòng)的仿真模型，并詳細(xì)分析了發(fā)電機(jī)模型、輔機(jī)模型、電解鋁負(fù)荷模型以及其他相關(guān)模型（變壓器模型和線路模型）的搭建過程，針對(duì)孤立電網(wǎng)帶輔機(jī)啟動(dòng)對(duì)電網(wǎng)電壓造成影響的實(shí)際情況進(jìn)行仿真分析。為了抑制大容量輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)引起的電網(wǎng)電壓的暫降問題，文章在研究 STATCOM 補(bǔ)償裝置的基本工作原理以及數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基于坐標(biāo)變換的電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)的無功和有功解耦控制策略，并應(yīng)用到 STATCOM 裝置中使其能夠有效的改善電網(wǎng)電壓的水平。最后在補(bǔ)償裝置中引入粒子群優(yōu)化算法，，使得 STATCOM 裝置的控制策略更加有效的發(fā)揮作用并通過仿真驗(yàn)證。通過以上理論研究和仿真分析可得如下結(jié)論： 
（1）建立了孤立電網(wǎng)帶大容量輔機(jī)啟動(dòng)的電磁暫態(tài)仿真平臺(tái)，研究了輔機(jī)啟動(dòng)對(duì)孤立運(yùn)行電網(wǎng)電壓的影響。通過仿真結(jié)果可以得出在輔機(jī)直接啟動(dòng)的初期階段，由于孤立電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)簡單且系統(tǒng)容量較小，在此基礎(chǔ)上啟動(dòng)輔機(jī)將會(huì)引起電網(wǎng)電壓大幅下降；孤立電網(wǎng)中各母線電壓都有較大的降落，且距離輔機(jī)電氣距離越近的母線，電壓跌落情況越嚴(yán)重。 
（2）考慮到 STATCOM 補(bǔ)償裝置可有效抑制孤立電網(wǎng)帶輔機(jī)啟動(dòng)時(shí)電網(wǎng)電壓的降落，建立了 STATCOM 的數(shù)學(xué)模型及其仿真模型，通過仿真來驗(yàn)證 STATCOM 裝置的補(bǔ)償作用。通過仿真結(jié)果可以看出加入動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置后電網(wǎng)電壓受輔機(jī)啟動(dòng)的影響明顯減少；不同容量的動(dòng)態(tài)無功裝置對(duì)電網(wǎng)電壓的補(bǔ)償效果不同，輔機(jī)啟動(dòng)過程中，動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償容量越大，電網(wǎng)壓降越少，當(dāng)補(bǔ)償器件的額定容量接近輔機(jī)的沖擊容量時(shí)，補(bǔ)償效果較好。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：37941