异步发电机的应用及启动过程的研究

李 楠，潘博闻，赵小禹

（1.华电电力科学研究院东北分院，辽宁 沈阳 110179；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

异步发电机的应用及启动过程的研究

李 楠1，潘博闻2，赵小禹2

（1.华电电力科学研究院东北分院，辽宁 沈阳 110179；2.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

针对异步发电机的固有特点及其运行特性，将其应用于火力发电厂，通过在火力发电厂内增设背压发电机组以降低厂用电率，可降低火电厂运行成本，创造可观的经济效益。通过实例分析异步发电机在火电企业中的应用，对其存在的主要问题进行全面分析研究。

异步发电机；控制；启动过程

异步发电机具有价格便宜、运行可靠、维护方便且无需提供单独励磁电源等优点，适于作为针对可再生无污染能源进行发电的独立电力系统中发电单元。大容量异步发电机必须与同步发电机并列运行或接入电网运行，由同步发电机或电网提供自身所需的励磁无功，因此，异步发电机是电网的无功负载［1］。从原理上讲异步发电机可借助于电容器孤立运行在自激励状态，但处于该运行状态时，发电机调压能力较弱，当发电机达到临界负荷，将引起电压崩溃［2］。对于火力发电企业的背压式发电机组，由于系统无功容量充足，且异步发电机所带负荷稳定，电压能保持恒定［3］。在异步发电系统中，可直接将异步发电机定子并接到系统中，以实现输送电能，但异步发电机并网过程，转速、负载及机端电压将相互制约［4］。

1 异步发电机发电条件及数学模型

异步电机既可作为电动机运行，又可作为发电机运行，即异步电机的电动机运行状态和发电机运行状态可逆。如果将异步电机的负载去掉，改用原动机拖动，当转子转速n上升到略大于n0时，转差率s为负值，异步电机进入发电机运行状态，来自原动机的机械能就转化成电能向电网或负载输送［5］。

1.1 异步电动机的数学模型

通过绕组折算及频率折算可用1个静止的转子来代替旋转的转子从而得到异步电机的等效电路，如图1所示。折算前后转子各种功率不变，主磁通不变，定子方各有关物理量不变，对电网等效［5］。

图1 异步电动机的等效电路

式中̇U1——电动机定子电压；

̇I1——电动机定子电流；

̇I′2——电动机转子电流折算值；

I0——励磁电流；

Z1——定子绕组相漏阻抗；

Zm——励磁阻抗；

̇E1——定子绕组中的感应电动势；

̇E′2——折算后转子绕组中的感应电动势；

s——转差率；

R′2——折算后转子绕组电阻值；

X′2σ——折算后转子漏电抗值。

1.2 异步发电机发电条件

将异步电动机定子三相绕组接入到电压、频率恒定的电网时，若用原动机把异步电动机转子拖到超过同步转速，即n＞n0，转差率为负值，则异步电动机进入发电机状态。来自原动机的机械功率在扣除各种损耗后，转换成电功率送给电网，将机械能转换为电能。

异步发电机数学模型机端电压变换为

对于自励异步发电机机端电压的建立是其稳定运行的基础，启动时所需的电容值是发电机电压建立的关键［6］。由于自励异步发电机自身存在带负载能力差的缺点，需要电容并联补偿的方法来稳定机端电压，以提高负载能力［7］。

2 异步发电机的应用

中电国际清河发电责任有限公司供热改造背压机组设计为2台额定电压为6 kV，额定功率为6 000 kVA的异步发电机，发电机组发出的电量直接并入首站6 kV系统母线，通过6 kV双回路电源进线返回到厂用6 kV配电系统。首站电气系统采用高压6 kV双回路进线、分段母线形式，双回路进线分别来至1号机组和9号机组，每回路电源容量满足首站内所有运行设备的需要。

2.1 异步发电机的启动方式

清河发电责任有限公司背压机组电气系统如图2所示，主要由发电机、6 kV出口开关、水阻柜、星点启动柜组成。

图2 厂用异步发电机系统图

发电机采用三相鼠笼式异步电动机，整个启动过程主要分为2个阶段，第1阶段为发电机作为异步电动机运行，并判断其转子转向是否与汽轮机转向一致，在电动机启动过程中，电动机经水阻启动柜降压启动，启动结束后切换至星点柜方式运行。第2阶段为机组整套启动过程，先由汽轮机带异步发电机转子进行冲转，待转子转速接近异步发电机额定转速3 000 r／min时（n0－n＜50 r／min），合上异步发电机出口开关，此时由异步电动机拖动原动机运行，带运行稳定后，通过汽轮机调节门调节汽轮机转速，当发电机转子转速大于同步转速时（n＞n0），异步发电机进入发电状态，来自原动机的机械功率扣除各种损耗后，转换成电功率送给电网，将机械能转换成电能。

2.2 异步发电机经水阻柜启动存在的问题及改进方法

当s＝0，n＝n0，旋转磁场相对于转子静止，电磁转矩Tem＝0。

在机组整套启动时，异步发电机串联的水阻柜未退出运行，启动过程与异步电动机启动过程一致，但由于异步发电机启动时其启动电流接近0，不需要降压启动，其电磁转矩也为0。而水阻柜在启动过程中，不断调节启动电阻，导致发电机定子电流不断变化，转子转速不断上升，转差率及电磁转矩随之变化，由于汽轮机主汽门调节响应速度不能控制发电机转子转速的变化，因此，汽机超速保护多次动作，主汽门关闭，导致机组跳机，无法到达机组整套启动的要求。其启动过程如图3所示，启动过程中发电机电流产生剧烈的波动。

图3 异步发电机经水阻设备启动过程

在机组整套启动时，需要通过二次回路的修改，手动合上发电机中性点开关，并退出水阻启动柜运行。对比2种启动方式，其启动电流变化如图4所示，图4中发电机启动过程电流平稳。

3 结束语

针对异步发电机存在无功消耗较大且电压不稳定等的缺点，将其应用于火力发电厂节能项目改造中。由于火力发电厂厂用电无功充足，满足异步发电机运行的需求，且异步发电机投资较低，可降低整个机组厂用电率及煤耗，能取得较为可观的经济效益。通过实例分析异步发电机在火力发电企业中应用存在的问题，进行了现场试验，并提出相应的改进意见。

图4 异步发电机直接启动过程

［1］吴新振，王 祥，郝宽胜，等.异步发电机恒压运行时机端无功补偿功率［J］.清华大学学报，2007，47（1）：13－16.

［2］吴新振，张智晟，杨乐梅，等.异步发电机自激励建压临界值的计算［J］.电网技术，2008，32（23）：24－28.

［3］王正风，胡晓飞.发电机无功功率与电力系统稳定运行研究［J］.东北电力技术，2008，29（4）：15－16.

［4］包 丹.感应电动机负荷电压稳定性的研究与仿真［J］.东北电力技术，2000，21（1）：1－4.

［5］辜承林，陈乔夫，熊永前.电机学［M］.武汉：华中科技大学出版社，2010.

［6］黄文新.笼型异步发电机的直接转矩控制策略的研究［J］.电工技术学报，2002，17（5）：30－34.

［7］李 伟，王士伟，周家旭.自动电压控制的关键技术浅析［J］.东北电力技术，2015，36（3）：22－23.

Study on Application and Starting Process of Asynchronous Generator

LI Nan1，PAN Bo⁃wen2，ZHAO Xiao⁃yu2
（1.Northeast Branch of Huadian Electric Power Research Institute，Shenyang，Liaoning 110179，China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

According to inherent characteristics of asynchronous generator and its operational characteristics，adding pressure of gener⁃ating units reduces plant power consumption rate of application in thermal power enterprises.It can greatly reduce operating costs of thermal power enterprises and create considerable economic benefits.These problems are comprehensively studied by application of a⁃synchronous generator in thermal power enterprises.

Asynchronous generator；Control；Starting process

TM31

A

1004－7913（2016）08－0015－03

李 楠（1982—），男，硕士，工程师，从事发电厂继电保护与自动装置调试及相关技术工作。

2016－05－10）