李志旭

（中船第七一0 研究所，湖北 宜昌443000）

1 概述

電動(dòng)機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行為我們的生產(chǎn)和生活中的諸多方面提供了重要保障。但是在使用中依然出現(xiàn)了大量的問(wèn)題,我們通過(guò)采用短路速斷和勵(lì)磁控制的方式來(lái)對(duì)于電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行了有效的控制,這樣就避免了產(chǎn)生更加嚴(yán)重的系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn),減少了系統(tǒng)的事故數(shù)量,同時(shí)我們也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到對(duì)于電能質(zhì)量的控制,已經(jīng)成為了電動(dòng)機(jī)的核心工作。正如1987 年?yáng)|京發(fā)生的大停電事故,當(dāng)時(shí)新型空調(diào)剛剛問(wèn)世,在氣溫炎熱的七月,空調(diào)的負(fù)荷異常高。正午過(guò)后,負(fù)荷的增加速度為400MW/min。系統(tǒng)隨即崩潰,中斷了8168MW 的負(fù)荷。我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到對(duì)電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性保護(hù),是我國(guó)電網(wǎng)目前的關(guān)鍵工作,并且其重要性會(huì)日益增加。與人們對(duì)于不同,電壓穩(wěn)定的研究還并不是十分深入和全面。我們定性地討論可能會(huì)影響電壓穩(wěn)定性的因素, 進(jìn)而通過(guò)使用simulink 中的simpowersystem 工具箱對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模分析,通過(guò)直觀(guān)的現(xiàn)象得到相關(guān)結(jié)論。

2 三相異步電動(dòng)機(jī)的速度穩(wěn)定控制分析

2.1 電動(dòng)機(jī)電壓的速度控制分析

電壓穩(wěn)定在不同的研究方向中的意義是不相同的。比如說(shuō)我們?cè)谶M(jìn)行感應(yīng)三相異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)試的時(shí)候, 電壓的變化就極快,而在對(duì)于變壓器的接頭進(jìn)行分析時(shí),它的變化比較慢。為此,工程師們及研究人員曾討論過(guò)合適的電壓穩(wěn)定性分析方法,并且在電壓穩(wěn)定屬于靜態(tài)現(xiàn)象還是動(dòng)態(tài)現(xiàn)象這一問(wèn)題上持有不同的觀(guān)點(diǎn)。我們可以用速度控制分析的方法,來(lái)對(duì)電壓的穩(wěn)定性進(jìn)行判斷與分析, 電壓穩(wěn)定直接關(guān)系到了整個(gè)系統(tǒng)的耐受能力,因此我們應(yīng)該對(duì)于基于數(shù)學(xué)模型來(lái)對(duì)其進(jìn)行有效的分析,來(lái)使其能夠滿(mǎn)足于實(shí)際的需要, 同時(shí)我們應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于功角穩(wěn)定的研究,使其能夠更好的服務(wù)于電壓的控制方面,電壓和功角穩(wěn)定是有著極為重要的關(guān)系,我們應(yīng)當(dāng)采用,更加科學(xué)合理的三相異步電動(dòng)機(jī)規(guī)劃方案, 來(lái)讓整個(gè)三相異步電動(dòng)機(jī)的電能質(zhì)量更加的可靠。如果發(fā)現(xiàn)在經(jīng)受一定的擾動(dòng)之后, 其能夠回到平衡點(diǎn),那么我們認(rèn)為這一部分的電壓是穩(wěn)定的,我們要做的是讓更多的線(xiàn)路處于這樣的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 電動(dòng)機(jī)干擾的速度控制分析

三相異步電動(dòng)機(jī)在發(fā)生一定的干擾與故障之后, 其恢復(fù)穩(wěn)定的能力是有限的,因此,我們應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)這部分能力的提升,如果發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的,失穩(wěn)現(xiàn)象,就可能導(dǎo)致崩潰,因此在進(jìn)行變壓器接頭時(shí),保護(hù)接頭負(fù)荷擁有絕佳的成效,將工程予以落實(shí)價(jià)值巨大,其就可以把過(guò)電壓的發(fā)生概率降低。變壓器、溫控等保護(hù)是三相異步電動(dòng)機(jī)保護(hù)的重要構(gòu)成部分,尚未具備后續(xù)保護(hù)水準(zhǔn),倘若維護(hù)舉措不匹配,橋臂極易引發(fā)損毀,進(jìn)而致使跳閘出現(xiàn)的狀況。同時(shí),過(guò)電壓還可能引發(fā)電機(jī)絕緣放電,借助于接觸網(wǎng)來(lái)將牽變電所的相應(yīng)設(shè)備予以損毀,則會(huì)有更為不堪的后果發(fā)生。過(guò)電壓現(xiàn)象和諸如發(fā)電機(jī)自勵(lì)磁不穩(wěn)定不在上述定義的范圍內(nèi)。這是因?yàn)檫^(guò)電壓通常只涉及一個(gè)裝置本身的問(wèn)題, 而并非三相異步電動(dòng)機(jī)的問(wèn)題。我們對(duì)于電壓安全的理解是,其指的是電壓能夠在出現(xiàn)電路故障的情況下,保持相應(yīng)的穩(wěn)定,對(duì)于目標(biāo)電壓值留有一定的安全裕度。我們應(yīng)該加強(qiáng)無(wú)功控制, 實(shí)現(xiàn)電壓的穩(wěn)定,在發(fā)電機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)期的運(yùn)作之后, 如果無(wú)法對(duì)于它的電流進(jìn)行控制,在出現(xiàn)嚴(yán)重的擾動(dòng)時(shí),將可能引起大規(guī)模的故障,同時(shí)我們應(yīng)該做好電機(jī)的電流限流工作, 使其能夠保證電機(jī)的安全可靠運(yùn)行,如果電流的限制出現(xiàn)問(wèn)題,那么整個(gè)電機(jī)的運(yùn)行將會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的故障,這樣就會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)崩潰的情況。電壓穩(wěn)定性和整個(gè)區(qū)域的電網(wǎng)電能使用情況有關(guān), 我們應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于功角穩(wěn)定性的保護(hù), 因?yàn)槊坎糠蛛娏Χ夹枰?jīng)過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)輸才能經(jīng)過(guò)運(yùn)行,因此我們應(yīng)當(dāng)做好在變壓器和線(xiàn)路兩方面的穩(wěn)定保護(hù),如果三相異步電動(dòng)機(jī)過(guò)大,無(wú)法做好線(xiàn)路的穩(wěn)定保護(hù),就可能發(fā)生電壓的崩潰情況, 同時(shí)暫態(tài)速度和功角穩(wěn)定是有著極為重要的關(guān)系,如果在負(fù)荷處發(fā)生故障,那么就可能導(dǎo)致功角失穩(wěn)或者電壓失穩(wěn)等問(wèn)題。由于大量使用并聯(lián)電容器機(jī)組,雖然能夠增加線(xiàn)路的功率傳輸極限,同樣會(huì)給電力網(wǎng)絡(luò)增加電壓崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。因?yàn)椴⒙?lián)電容器組的無(wú)功輸出與電壓平方成正比, 故使系統(tǒng)在電壓?jiǎn)栴}上邊的更加脆弱。在電路出現(xiàn)故障之后應(yīng)當(dāng)采用自動(dòng)閉鎖的方式將通道關(guān)閉,同時(shí)做好預(yù)警的工作,利用其他的通道繼續(xù)進(jìn)行信息的采集, 但是勵(lì)磁系統(tǒng)的故障問(wèn)題及原因可能較多,因此應(yīng)當(dāng)利用自動(dòng)檢測(cè)裝置來(lái)做好這項(xiàng)工作。

3 三相異步電動(dòng)機(jī)的速度控制仿真分析

3.1 仿真軟件

Matlab 電動(dòng)機(jī)工具箱包含的模塊有:Electrical Sources (電源庫(kù))、Elements (元 件 庫(kù))、PowerElectronics (電 力 電 子 元 件 庫(kù))、Machines(電機(jī)庫(kù))、Connectors(連接器庫(kù))、Measurements(測(cè)量?jī)x器庫(kù))、Extra Library(附加元件庫(kù))、Demos(示例庫(kù))、Powergui(圖形用戶(hù)界面graphical user interface)等,為了研究電動(dòng)機(jī)的特性,我們應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)對(duì)其進(jìn)行搭建, 通過(guò)這樣的模塊系統(tǒng)就可以進(jìn)行理想化的分析,同時(shí)根據(jù)這樣的仿真結(jié)果,我們就可以對(duì)實(shí)際的電網(wǎng)情況進(jìn)行合理有效的分析, 使其能夠更好的為我們而服務(wù)。利用MATLAB 對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)可以進(jìn)行建模, 主要建立供電模型、變電所模型、變壓器模型等,把之前計(jì)算好的電網(wǎng)參數(shù)填入到相關(guān)的位置, 就可以利用Simulink 對(duì)其進(jìn)行仿真,利用其自帶的模型進(jìn)行計(jì)算,其他模型采用實(shí)際的參數(shù),這樣就可以得到較為科學(xué)合理的結(jié)論。

3.2 仿真方案

由于本次研究的是電動(dòng)機(jī)速度控制穩(wěn)定性, 著重關(guān)注的是電壓的變化,因此使用向量法最為適宜。顧名思義,向量法將電壓和電流看做向量,只解關(guān)于電壓電流的向量方程,相較于微分方程,來(lái)說(shuō),代數(shù)方程更為簡(jiǎn)單。因此向量法對(duì)于研究包含電動(dòng)機(jī),大型發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性研究非常適合。Powergui:選取向量法(phasor simulition)，頻率設(shè)置50HZ，在線(xiàn)路速度控制和電機(jī)初始化模塊中,設(shè)置電動(dòng)機(jī)的功率輸出為300MW,對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度控制初始化。初始化后參數(shù)為:P=0.6325pu ;Q=0.3858pu;Torque=0.7332pu; Slip=0.108

從目前電力系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行情況來(lái)看，對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)仿真技術(shù)要求更高的安全系數(shù)，同時(shí)對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行提升，并且可以利用各種檢測(cè)手段對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行多種檢測(cè)，使得遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)能夠更好的兼容檢測(cè)設(shè)備和三相異步電動(dòng)機(jī)。對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行定期的安全性能檢測(cè)，從而使得電力系統(tǒng)能夠更好地運(yùn)行，擁有更高的安全性能，對(duì)電力的輸送提供良好的供應(yīng)保障。在線(xiàn)檢測(cè)技術(shù)是根據(jù)電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的傳輸，相關(guān)的技術(shù)人員對(duì)于電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況能夠有一個(gè)大致的了解，從而使得電力系統(tǒng)能夠在廣泛的電力安全監(jiān)測(cè)方面形成重要的規(guī)模，對(duì)于電力系統(tǒng)運(yùn)行的設(shè)備的工作參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)值有一個(gè)清楚的了解。

3.3 仿真結(jié)論

利用示波器讀取電動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)情況, 發(fā)現(xiàn)故障0.091s 后切除故障,bus3 的電壓下降后會(huì)回升至故障前的狀態(tài),此時(shí)可以判斷, 系統(tǒng)是暫態(tài)速度穩(wěn)定的。繼續(xù)增加故障切除時(shí)間,當(dāng)故障切除時(shí)間為0.092s 時(shí),母線(xiàn)三的電壓響應(yīng)曲線(xiàn)時(shí)在波動(dòng)后下降的。綜合上述兩種情況,我們可以知道,對(duì)于該單負(fù)荷無(wú)窮大系統(tǒng)來(lái)說(shuō),電動(dòng)機(jī)慣性系數(shù)設(shè)置為0.7 時(shí),他的極限故障切除時(shí)間是0.091 秒。

改變發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù),H=0.8。此時(shí)仍然按照上述方法,連續(xù)增加故障切除時(shí)間。觀(guān)察電動(dòng)機(jī)機(jī)端電壓是否暫態(tài)穩(wěn)定。這時(shí),對(duì)于同樣在t=0.092s 切除故障,系統(tǒng)的暫態(tài)速度是穩(wěn)定的。此時(shí)我們可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于暫態(tài)常數(shù)為0.8 的電動(dòng)機(jī),它已經(jīng)相較于H=0.7 的電動(dòng)機(jī),系統(tǒng)暫態(tài)速度穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。為了嚴(yán)謹(jǐn)起見(jiàn),我們繼續(xù)增加故障切除時(shí)間。在H=0.8 時(shí),當(dāng)切除時(shí)間持續(xù)增加值0.103s 時(shí)系統(tǒng)的暫態(tài)速度發(fā)生失穩(wěn)。

設(shè)置t=1s 時(shí)系統(tǒng)發(fā)生三相故障, 不斷改變斷路器的故障切除時(shí)間,利用示波器讀取電動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)情況,發(fā)現(xiàn)故障0.091s 后切除故障,電壓下降后會(huì)回升至故障前的狀態(tài),此時(shí)可以判斷,系統(tǒng)是暫態(tài)速度穩(wěn)定的。增大故障切除時(shí)間,利用示波器讀取電動(dòng)機(jī)節(jié)點(diǎn)的電壓波動(dòng)情況, 發(fā)現(xiàn)故障0.092s 后切除故障,bus3 的電壓下降后會(huì)回升至故障前的狀態(tài),此時(shí)可以判斷,系統(tǒng)是暫態(tài)速度穩(wěn)定的。以此類(lèi)推,繼續(xù)增加故障切除時(shí)間,當(dāng)故障切除時(shí)間為0.103s 時(shí), 母線(xiàn)三的電壓響應(yīng)曲線(xiàn)時(shí)在波動(dòng)后下降的。說(shuō)明此時(shí),該系統(tǒng)是暫態(tài)速度不穩(wěn)定的。綜合上述兩種情況,我們可以知道,對(duì)于該單負(fù)荷無(wú)窮大系統(tǒng)來(lái)說(shuō),電動(dòng)機(jī)慣性系數(shù)設(shè)置為0.8 時(shí),他的極限故障切除時(shí)間是0.103 秒。

根據(jù)控制變量法的原理,我們比較了不同慣性常數(shù)時(shí),相同故障切除時(shí)間的波形。顯然,分別對(duì)于慣性常數(shù)H=0.7 和H=0.8的系統(tǒng),在故障切除時(shí)間同為0.091s 的情況下,電壓的穩(wěn)定狀況是不同的。對(duì)于H=0.7 的系統(tǒng),故障切除時(shí)間一旦大于0.091s 的極限切除時(shí)間后,系統(tǒng)的暫態(tài)速度是不穩(wěn)定的。然而對(duì)于H=0.8的系統(tǒng),在故障切除時(shí)間在0.091s 時(shí),仍然是穩(wěn)定的。因此,慣性常數(shù)為0.8 的電動(dòng)機(jī)比慣性常數(shù)0.7 的電動(dòng)機(jī)更有利于維持系統(tǒng)的暫態(tài)速度穩(wěn)定性。設(shè)置電動(dòng)機(jī)慣性常數(shù)為H=0.7,設(shè)置故障為在線(xiàn)路50%處發(fā)生三相短路,通過(guò)不斷改變故障切除時(shí)間,觀(guān)察電動(dòng)機(jī)端的電壓波形情況,判斷電動(dòng)機(jī)的暫態(tài)速度穩(wěn)定性。如圖所示,發(fā)現(xiàn)故障0.091s 后切除故障,bus3 的電壓下降后會(huì)回升至故障前的狀態(tài),此時(shí)可以判斷,系統(tǒng)是暫態(tài)速度穩(wěn)定的。繼續(xù)增加故障切除時(shí)間,當(dāng)故障切除時(shí)間為0.092s 時(shí),母線(xiàn)三的電壓響應(yīng)曲線(xiàn)時(shí)在波動(dòng)后下降的。說(shuō)明此時(shí),該系統(tǒng)是暫態(tài)速度不穩(wěn)定的。綜合上述兩種情況,我們可以知道,對(duì)于該單負(fù)荷無(wú)窮大系統(tǒng)來(lái)說(shuō),電動(dòng)機(jī)慣性系數(shù)設(shè)置為0.7 時(shí),他的極限故障切除時(shí)間是0.091 秒?？梢灾?故障切除時(shí)間較短時(shí),電動(dòng)機(jī)的暫態(tài)速度穩(wěn)定性更高。

4 結(jié)論

同時(shí)，我們可以采用功角穩(wěn)定的方式來(lái)對(duì)于電能質(zhì)量的相關(guān)問(wèn)題作出一些解釋,對(duì)電壓穩(wěn)定的研究還在進(jìn)行,我們需要使用更加先進(jìn)的方法,來(lái)使得其能夠更好的受到我們的控制,為我們而服務(wù)。