抽水蓄能發(fā)電機機網(wǎng)仿真計算

劉琪，宋敏慧，楊華峰

(哈爾濱大電機研究所，黑龍江哈爾濱150040)

0 引言

突然短路是發(fā)電機的一種重要瞬變現(xiàn)象，其主要特征如下:(1)繞組中出現(xiàn)強大的沖擊電流，其值可達額定值的十余倍以上;(2)電機的繞組端部將受到強大的沖擊電磁力的作用;(3)突然短路過程中，在強大的短路轉矩的作用下，電機可能發(fā)生振動，而其結構部件特別是軸頸部分和基礎螺桿可出現(xiàn)很高的機械應力;(4)定轉子繞組出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象等。為了能恰當?shù)剡x用開關和保護設備，以及計算電機有關部件的受力情況，需知道發(fā)電機在各種突然短路故障時的電流和轉矩性質及其數(shù)值大小。本文中計算了激磁電動勢與電網(wǎng)電壓相位不同時的誤同期并網(wǎng)。當發(fā)電機完全失去勵磁時，勵磁電流將逐漸衰減至零。由于發(fā)電機感應電動勢隨著勵磁電流減小而減小，因此其電磁轉矩也將小于 原動機轉矩，因而引起轉子加速，使發(fā)電機功角增大。甩負荷計算的是發(fā)電機在瞬間衰減為零，非正常工況發(fā)熱主要計算了三相突然短路時的定子繞組溫升。

1 基本數(shù)據(jù)

以某抽水蓄能發(fā)電家為例，其基本數(shù)據(jù)見表1。

表1 抽水蓄能發(fā)電機主要數(shù)據(jù)

2 仿真模型

利用仿真軟件SIMSEN 進行分析計算。其系統(tǒng)仿真模型如圖1 和圖2 所示。其中，VS1:無窮大電網(wǎng);CB1 和CB2:開關;RT:轉子;T1:主變壓器;TRB:水輪機;SM1:同步發(fā)電機;VSEX:勵磁電壓源;OUT、OUT1、FMW3、PROG、INT:函數(shù)模塊;GND:接地阻抗;CE1-CE4:開關;R:滅磁電阻;R0:無窮大電阻;LN1:線路阻抗;VS2:勵磁電壓源;VREG1:勵磁調節(jié)器;RESULTS:輸出結果模塊。

圖1 抽水蓄能電機突然短路及非正常工況發(fā)熱、誤同期仿真模型

圖2 抽水蓄能電機失磁運行甩負荷仿真模型

3 數(shù)學模型及研究方法

在dq0 坐標系中同步電機的電壓方程為

式中，Udq0—定子、轉子和阻尼繞組的端電壓列矩陣;Idq0—電流列矩陣。

式中，H—機組的慣性時間常數(shù);θ—轉子位置角;Tm—輸入機械轉矩;Te—電磁轉矩。

采用4 階龍格-庫塔法進行疊代計算。

4 計算結果

4.1 突然短路計算

此發(fā)電電動機突然短路電流和電磁轉矩隨時間的變化曲線如圖3 ～圖8 所示。其中圖3 和圖4是三相短路電流和電磁轉矩隨時間變化曲線;圖5 和圖6 是介紹兩相短路電流和電磁轉矩隨時間變化曲線;圖7 和圖8 是介紹單相短路電流和電磁轉矩隨時間變化曲線。

圖3 三相短路電流(最大值12.338)

圖4 三相電磁轉矩(最大值4.4478)

圖5 兩相短路電流(最大值10.067)

圖6 兩相電磁轉矩(最大值5.317)

圖7 單相對中性點短路電流(最大值14.613)

圖8 單相短路電磁轉矩(最大值5.533)

4.2 誤同期并網(wǎng)計算

本文計算了激磁電動勢與電網(wǎng)電壓相位不同時的誤同期并網(wǎng)，此發(fā)電電動機機在120°誤同期并網(wǎng)時定子A 相電流隨時間變化曲線見圖9;B 相電流隨時間變化曲線見圖10;C 相電流隨時間的變化曲線見圖11;電磁轉矩隨時間的變化曲線見圖12。

圖9 A 相電流(最大值13.351)

圖10 B 相電流(最大值9.991)

圖11 C 相電流(最大值10.047)

圖12 電磁轉矩(最大值6.591)

4.3 失磁運行

標準GBT 7064—2008 中的4.32條款規(guī)定，發(fā)電機失磁后應在60s 將負荷降至60%，90s 內降至40%。本文中的仿真計算是參照標準GB/T 7064—2008中的4.32 條款規(guī)定，對勵磁繞組直接短路失磁這一工況進行了仿真計算，發(fā)電機滿負荷運行8s，6s 時將勵磁繞組短路，機組失磁運行，17s 時機組負荷降至60%，70s 時機組將負荷降至40%，以40%負荷運行80s。機端電壓有效值曲線見圖13;定子電流有效值見圖14;勵磁電壓有效值見圖15;勵磁電流有效值見圖16?；惦娏?、基值電壓、基值容量、基值勵磁電壓、基值勵磁電流均為發(fā)電機額定電流、額定電壓、額定容量、空載勵磁電壓、空載勵磁電流。

圖13 機端電壓有效值

圖14 定子電流有效值

圖15 勵磁電壓

圖16 勵磁電流

4.4 甩負荷運行

發(fā)電機正常運行10s，經(jīng)20s 把負荷降為0，機端電壓有效值曲線見圖17;定子電流有效值見圖18;勵磁電壓有效值見圖19;勵磁電流有效值見圖20?；惦娏?、基值電壓、基值容量、基值勵磁電壓、基值勵磁電流均為發(fā)電機額定電流、額定電壓、額定容量、空載勵磁電壓、空載勵磁電流。

圖17 極端電壓有效值

圖18 電流有效值

圖19 勵磁電壓

圖20 勵磁電流

4.5 非正常工況發(fā)熱

式中，P=mi2r，m—相數(shù);i—繞組中流過的電流，隨著時間的變化而變化;r—每相繞組電阻。因此，式(11)可寫成

對式(12)進行積分，可得到溫升變化的曲線，見圖21，最高溫升為1.59℃。

圖21 三相短路時定子繞組溫升(最大值1.59)

5 結語

本文對抽水蓄能機組運行機理進行研究，針對各種運行工況建立了系統(tǒng)仿真模型，在此仿真系統(tǒng)上對抽水蓄能發(fā)電電動機進行了全面的仿真研究，并獲得了一些對實際運行具有指導性的結論。

(1)單相對中性點短路時電流和電磁轉矩值最大。

(2)該抽水蓄能電機在短時間內可以進行失磁運行。

(3)計算結果發(fā)現(xiàn)，從電磁轉矩最大值看，120 度誤同期并網(wǎng)時比突然時大，而從電流最大值看，120 度誤同期并網(wǎng)時比突然短路時大，

電流和轉矩大小比機端突然短路故障還大，故當機組發(fā)生誤同期并網(wǎng)故障時，如果是最不利的誤差角，對電機造成的損壞程度，可能不亞于機端突然短路故障。

［1］ 湯蘊璆，史乃.電機學.北京:機械工業(yè)出版社，2006.

［2］ 湯蘊璆.交流電機動態(tài)分析.北京:機械工業(yè)出版社2004.

［3］ 賀家李.電力系統(tǒng)繼電保護原理.北京:中國電力出版社，2010.