發(fā)電電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)參數(shù)計(jì)算方法研究

李金香，胡 剛，王立芳，李桂芬，孫玉田

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發(fā)電電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)參數(shù)計(jì)算方法研究

李金香，胡 剛，王立芳，李桂芬，孫玉田

（水力發(fā)電設(shè)備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150040）

文中闡述了場(chǎng)路耦合時(shí)域有限元法及其仿真發(fā)電電動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)量的電壓恢復(fù)法試驗(yàn)過程，并計(jì)算了大型發(fā)電電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)參數(shù)。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明：所闡述的方法正確可行。該方法使電機(jī)瞬態(tài)參數(shù)的計(jì)算方法與試驗(yàn)方法及試驗(yàn)過程相同，計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果可以在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行對(duì)比分析，可對(duì)設(shè)計(jì)公式進(jìn)行修正，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)；瞬態(tài)參數(shù)；電壓恢復(fù)法；有限元法；場(chǎng)路耦合

0 前言

抽水蓄能電站通常在電力系統(tǒng)中起調(diào)峰填谷、調(diào)相調(diào)頻、緊急事故備用等作用。發(fā)電電動(dòng)機(jī)作為抽水蓄能電站的主要設(shè)備，受到發(fā)電設(shè)備行業(yè)和電力行業(yè)的廣泛關(guān)注。發(fā)電電動(dòng)機(jī)與常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)差別很大，其特點(diǎn)是雙向旋轉(zhuǎn)、起停頻繁、運(yùn)行工況多且轉(zhuǎn)換頻繁、工況轉(zhuǎn)換時(shí)間要求嚴(yán)格以及過渡過程復(fù)雜等[1]。為了適應(yīng)這些特點(diǎn)，發(fā)電電動(dòng)機(jī)需采用特殊結(jié)構(gòu)，因此其設(shè)計(jì)技術(shù)獨(dú)特，并隨著容量的逐漸增加，設(shè)計(jì)難度越來越大，很多參數(shù)不能采用常規(guī)的方法而需要采用有限元數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算研究。

本文對(duì)抽水蓄能發(fā)電電動(dòng)機(jī)的瞬態(tài)參數(shù)計(jì)算方法進(jìn)行研究，提出一種新的時(shí)域有限元方法，仿真電壓恢復(fù)法測(cè)量參數(shù)的試驗(yàn)過程。以某抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)為例計(jì)算瞬態(tài)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，用以驗(yàn)證計(jì)算方法正確性和可行性。

1 瞬態(tài)參數(shù)計(jì)算方法

1.1 瞬態(tài)參數(shù)試驗(yàn)測(cè)量方法[2]

根據(jù)GB/T 1029-2005《三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法》的第12款，測(cè)量同步電機(jī)瞬態(tài)參數(shù)的試驗(yàn)方法主要有四種：分別是電壓恢復(fù)試驗(yàn)（法）、三相突然短路試驗(yàn)（法）、任意轉(zhuǎn)子位置外施電壓試驗(yàn)（法）和轉(zhuǎn)子處于直軸和交軸位置時(shí)外施電壓試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)中還規(guī)定：在測(cè)取直軸瞬態(tài)電抗和直軸超瞬態(tài)電抗及電樞繞組短路時(shí)勵(lì)磁電流衰減時(shí)間常數(shù)（直軸瞬態(tài)開路時(shí)間常數(shù)）優(yōu)先采用電壓恢復(fù)法和三相突然短路法。下面主要介紹電壓恢復(fù)試驗(yàn)（法）。

電壓恢復(fù)試驗(yàn)（法）試驗(yàn)時(shí)繞組接線如圖1所示。

圖1 電壓恢復(fù)試驗(yàn)接線圖

切除三相穩(wěn)態(tài)短路后的電壓恢復(fù)試驗(yàn)是在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的電機(jī)上進(jìn)行的，在試驗(yàn)開始階段，電樞繞組通過斷路器短路。

電機(jī)在電樞繞組短路下運(yùn)行，勵(lì)磁電流產(chǎn)生的空載電壓應(yīng)在空載飽和特性直線段上，通常不超過空載額定電壓的0.7倍，且在斷路器動(dòng)作瞬間各種條件均處于穩(wěn)定。由該試驗(yàn)測(cè)得的各種參數(shù)對(duì)應(yīng)于電機(jī)的不飽和狀態(tài)，為不飽和值。

測(cè)量過程中需攝錄線電壓恢復(fù)波形和電樞電流波形，并記錄電壓恢復(fù)開路前電樞電流有效值、勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流以及電壓恢復(fù)開路后的電樞線電壓有效值和勵(lì)磁電流。

根據(jù)錄波圖求取穩(wěn)態(tài)電壓與恢復(fù)電壓波形包絡(luò)線的差值∞-，并繪制其隨時(shí)間變化曲線。把該曲線外推到短路切除的瞬間，得到△′(0)+△″(0)。把曲線的直線部分外推到縱坐標(biāo)軸，得到電壓瞬態(tài)分量的初始值△′(0)。

1.2 瞬態(tài)參數(shù)時(shí)域有限元仿真方法[3~5]

采用矢量磁位對(duì)電磁場(chǎng)有限元區(qū)域進(jìn)行求解。在對(duì)電機(jī)進(jìn)行時(shí)變電磁場(chǎng)數(shù)值分析時(shí)，作如下假定：

（1）忽略位移電流，即電磁場(chǎng)為似穩(wěn)場(chǎng)；

（3）材料各向同性，忽略鐵磁材料的磁滯效應(yīng)，B-H曲線單值；

（4）定子外表面圓周和轉(zhuǎn)子內(nèi)表面圓周的矢量位為零。

為了模擬勵(lì)磁電流在試驗(yàn)過程中的變化，采用電壓源作為勵(lì)磁電源，則時(shí)變電磁場(chǎng)方程為：

對(duì)外加電壓和渦流項(xiàng)積分可得導(dǎo)體的電流為：

耦合的電路方程為：

根據(jù)電機(jī)電磁場(chǎng)的周期分布及每極每相槽數(shù)，取二分之一個(gè)單元電機(jī)作為有限元求解區(qū)域，對(duì)于本文的實(shí)例電機(jī)，其求解區(qū)域如圖2所示。

耦合的電路模型如圖3所示。該電路模型本質(zhì)上與圖1完全相同，并可改變模型中電阻RN、RA_Short、RB_Short和RC_Short阻值以及S1、S2和S3開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷來設(shè)置短路類型，通過電阻和開關(guān)的不同設(shè)置使之成為空載工況的電路模型以及各種短路工況的電路模型等，具有很強(qiáng)的通用性。

圖3中，Lfield為勵(lì)磁繞組端部電感；Bfield_ R表示勵(lì)磁繞組的有限元區(qū)域；Q1 為阻尼繞組；L_A、L_B和L_C分別為三相定子繞組的端部電感；BA_ plus、BB_ plus和BC_ plus分別表示三相定子繞組有限元區(qū)域；RA、RB、RC、RAB、RBC和RAC為測(cè)量電阻；RN為接地電阻；RA_ Short、RB_ Short和RC_ Short為設(shè)置短路的電阻；S1、S2和S3為設(shè)置短路的開關(guān)；V1為勵(lì)磁電壓源。

圖2 求解區(qū)域示意圖

圖3 耦合電路模型

2 瞬態(tài)參數(shù)計(jì)算

本文將采用試驗(yàn)中更為常用的瞬態(tài)參數(shù)試驗(yàn)測(cè)量方法——電壓恢復(fù)試驗(yàn)（法）計(jì)算同步電機(jī)瞬態(tài)參數(shù)，以便與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。文中分析計(jì)算的某抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)的主要數(shù)據(jù)如附錄所示。

2.1 瞬態(tài)參數(shù)測(cè)量結(jié)果

穩(wěn)態(tài)電壓與恢復(fù)電壓包絡(luò)線（有效值）之間的差值∞-隨時(shí)間變化曲線，如圖5所示。為準(zhǔn)確地分析曲線，試驗(yàn)時(shí)間截取15s。

圖4 電壓的恢復(fù)波形曲線（試驗(yàn)錄波圖）

圖5 U∞- U隨時(shí)間變化曲線（試驗(yàn)）

2.2 瞬態(tài)參數(shù)仿真結(jié)果

圖6 空載磁場(chǎng)分布

圖7 電壓恢復(fù)法仿真曲線

圖8 U∞- U隨時(shí)間變化曲線（仿真）

3 結(jié)論

由于抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)雙向旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速較高，其結(jié)構(gòu)與常規(guī)水輪發(fā)電機(jī)不同，尤其是轉(zhuǎn)子極靴結(jié)構(gòu)特殊，因此電機(jī)的很多參數(shù)不能采用常規(guī)的方法進(jìn)行計(jì)算。本文采用時(shí)域有限元方法仿真了參數(shù)測(cè)量的電壓恢復(fù)法試驗(yàn)過程以計(jì)算電機(jī)的瞬態(tài)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明：所采用的方法正確可行。

用文中闡述的場(chǎng)路耦合時(shí)域有限元方法實(shí)現(xiàn)了抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)參數(shù)測(cè)量的電壓恢復(fù)法試驗(yàn)過程仿真，使電機(jī)瞬態(tài)參數(shù)的計(jì)算方法與試驗(yàn)方法以及過程相同，計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果可以在同一基準(zhǔn)上進(jìn)行對(duì)比分析，并可據(jù)此對(duì)設(shè)計(jì)公式進(jìn)行修正，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

表1 某發(fā)電電動(dòng)機(jī)瞬態(tài)參數(shù)計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果

注：誤差為（計(jì)算值-試驗(yàn)值）/試驗(yàn)值，定子繞組端部漏抗在電路中按0.03（p.u.）計(jì)入。

[1] 趙政. 發(fā)電電動(dòng)機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2011(3): 13-16.

[2] GB/T 1029-2005, 三相同步電機(jī)試驗(yàn)方法[S].

[3] 李金香, 孫玉田, 蔣寶剛. 超高壓發(fā)電機(jī)短路特性和參數(shù)計(jì)算[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2008(6): 1-5.

[4] 李金香, 等. 大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子不對(duì)稱支路繞組性能的數(shù)值分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2010(2): 7-11.

[5] 李金香, 等. 變頻凸極同步電動(dòng)機(jī)阻尼條斷裂故障分析[J]. 大電機(jī)技術(shù), 2010(3): 5-9.

附錄

某發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要數(shù)據(jù)

項(xiàng)目發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī) 額定功率/MW145170 額定電壓/kV13.8 額定電流/A6903.17818 額定功率因數(shù)0.880.91 額定頻率/Hz50 額定轉(zhuǎn)速/(r/min)200 空載勵(lì)磁電流/A980.58 額定勵(lì)磁電流/A1537.21603.2

Study on Calculation Method of Transient Parameters for Motor/Generator

LI Jinxiang, Hu Gang, Wang Lifang, LI Guifen, SUN Yutian

（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China）

FEM of the field-circuit coupled in time domain is described in the paper, the process of voltage recovery test is simulated, and transient parameters of large motor/generator are calculated. It is shown that the proposed method is accurate and feasible. The transient parameter calculation methods are agreed with test methods, as well as the entire process are exactly the same, the calculation results and the measurement results can be comparised and analysised on the same baseline, and it can correct the design formula, it has engineering application value.

motor/generator of pumped-storage power; transient parameters; voltage recovery method; FEM; field coupling with circuit

TM32

A

1000-3983(2014)05-0001-04

2014-03-17

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAF03B02)

李金香（1965-），1988年畢業(yè)于西安交通大學(xué)電機(jī)專業(yè)，2005年獲哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程專業(yè)工程碩士學(xué)位?，F(xiàn)從事電機(jī)磁場(chǎng)理論研究與計(jì)算、電機(jī)瞬變過程分析與計(jì)算、電機(jī)故障分析等，高級(jí)工程師。

審稿人：劉公直