響水澗發(fā)電電動(dòng)機(jī)選型計(jì)算與性能分析

劉新天，喬照威

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

響水澗抽水蓄能電站位于安徽省蕪湖市三山區(qū)峨橋鎮(zhèn)境內(nèi)，距繁昌縣城約25 km，距蕪湖市約45 km。安裝4臺(tái)250 MW可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組。為保證響水澗發(fā)電電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)，本文主要從電磁方案的選型和主要性能的分析計(jì)算出發(fā)，對(duì)該發(fā)電電動(dòng)機(jī)的參數(shù)選擇的合理性和主要電磁性能指標(biāo)進(jìn)行分析。

1 方案選擇與主要電磁參數(shù)

1.1 額定值

響水澗發(fā)電電動(dòng)機(jī)需按以下基本參數(shù)進(jìn)行方案選型計(jì)算。

發(fā)電工況額定容量/功率：277.8 MVA/250 MW

電動(dòng)工況額定功率(軸輸出)：277.15 MW

發(fā)電工況額定功率因數(shù)：0.9(滯后)

電動(dòng)工況額定功率因數(shù)：0.98(吸收有功，發(fā)送感性無(wú)功)

額定電壓：15.75 kV

額定頻率：50 Hz

相數(shù)：3

額定轉(zhuǎn)速：250 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速：375 r/min

GD2：14 000 t·m2

1.2 方案選擇

1.2.1 主要尺寸確定

電機(jī)的主要尺寸是指定子鐵心內(nèi)徑Di(或極距τ)及鐵心長(zhǎng)度lt，選擇和確定Di和lt時(shí)應(yīng)考慮下列問(wèn)題[1-4]：

(1) 電負(fù)荷和磁負(fù)荷應(yīng)在合理的取值范圍內(nèi)，并使Xd′、Xd″等參數(shù)滿(mǎn)足要求；

(2) 選擇的主要尺寸應(yīng)使轉(zhuǎn)子磁軛在正常的寬度和允許應(yīng)力下，自然滿(mǎn)足所要求的GD2值；

(3) 由主要尺寸所決定的定子和轉(zhuǎn)子等大部件的尺寸應(yīng)滿(mǎn)足運(yùn)輸條件的要求；

(4) 滿(mǎn)足電機(jī)本身通風(fēng)冷卻的要求；

(5) 機(jī)組總體結(jié)構(gòu)布置合理。

鐵心內(nèi)徑和長(zhǎng)度與額定容量及額定轉(zhuǎn)速有下述關(guān)系：

式中：SN為額定容量，kVA；Di為鐵心內(nèi)徑，m；lt為鐵心長(zhǎng)度，m；nN為額定轉(zhuǎn)速，r/min；C為利用系數(shù)，kVA·m3·r/min；K為常數(shù)，K=1.35×10-6；A為定子電負(fù)荷，A/cm；Bδ為氣隙磁密，T。

綜合考慮，響水澗發(fā)電電動(dòng)機(jī)的定子鐵心內(nèi)徑為7 500 mm，鐵心長(zhǎng)度為2 350 mm。

1.2.2 支路數(shù)與槽電流

對(duì)于24個(gè)磁極的發(fā)電電動(dòng)機(jī)，為滿(mǎn)足繞組完全對(duì)稱(chēng)的條件，可選的支路數(shù)包括1、2、3、4、6、8、12、24，發(fā)電電動(dòng)機(jī)額定功率為250 MW，額定電壓為15.75 kV，對(duì)應(yīng)不同支路數(shù)時(shí)的支路電流與槽電流見(jiàn)表1。

表1 不同支路數(shù)對(duì)應(yīng)的支路電流與槽電流

對(duì)于250 MW的發(fā)電電動(dòng)機(jī)，槽電流最好控制在4 000～6 000 A左右，因此，最優(yōu)的支路數(shù)為4，此時(shí)槽電流為5 091 A。

1.2.3 電負(fù)荷與定子槽數(shù)的選擇

電負(fù)荷A是發(fā)電電動(dòng)機(jī)的主要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)參數(shù)之一，它對(duì)電機(jī)的主要尺寸、電抗和繞組溫度等有直接影響。為控制電機(jī)的主要尺寸，必須盡量提高電機(jī)的利用系數(shù)，其表達(dá)式為：

C=K·A·Bδ(kVA·m3·r/min)

A值的大小決定了定子內(nèi)圓單位表面積所產(chǎn)生的繞組銅損的大小，因而直接影響溫升和效率的高低。在定子鐵心內(nèi)徑確定的前提下，選擇不同的槽數(shù)可決定不同的A值， 電機(jī)定子槽數(shù)與電負(fù)荷的對(duì)

應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 定子槽數(shù)與電負(fù)荷對(duì)應(yīng)關(guān)系

對(duì)于250 MW等級(jí)的發(fā)電電動(dòng)機(jī)，電負(fù)荷一般選取在700～800 A/cm左右，可以獲得合理的利用系數(shù)。另外，從控制熱負(fù)荷、運(yùn)行穩(wěn)定域?qū)捒紤]，選擇360槽方案是比較適宜的。

1.3 主要電磁參數(shù)

發(fā)電電動(dòng)機(jī)主要電磁設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 主要電磁設(shè)計(jì)參數(shù)

2 主要性能指標(biāo)

2.1 電壓波形畸變系數(shù)分析計(jì)算

應(yīng)用運(yùn)動(dòng)網(wǎng)格時(shí)變電磁場(chǎng)有限元對(duì)響水澗發(fā)電機(jī)的空載線(xiàn)電壓全諧波進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下。

空載線(xiàn)電壓全諧波因數(shù)：0.993%。

空載磁場(chǎng)分布如圖1所示。

圖1 空載磁場(chǎng)分布

2.2 阻尼繞組穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)特性分析計(jì)算

應(yīng)用專(zhuān)用軟件程序?qū)懰疂景l(fā)電電動(dòng)機(jī)的阻尼系統(tǒng)進(jìn)行全面分析計(jì)算。分析計(jì)算表明，對(duì)應(yīng)額定容量長(zhǎng)期不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷運(yùn)行工況，當(dāng)負(fù)序電流的標(biāo)么值為9%時(shí)，阻尼繞組的最高溫升和溫度值分別為47.2 K和100.2 ℃。

在長(zhǎng)期不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷和突然不對(duì)稱(chēng)短路工況下，響水澗發(fā)電電動(dòng)機(jī)的阻尼繞組溫升計(jì)算值在運(yùn)行實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)，并具有一定的裕度，滿(mǎn)足安全可靠運(yùn)行要求。

2.3 定子線(xiàn)棒特殊換位分析計(jì)算

通常發(fā)電電動(dòng)機(jī)有3種換位方式：360°換位、不完全換位和空換位。為使定子繞組中環(huán)流引起的熱損耗和發(fā)熱量最小，以減小股線(xiàn)在槽部漏磁場(chǎng)中不同位置產(chǎn)生環(huán)流引起的附加損耗和股線(xiàn)間溫差，應(yīng)用電磁場(chǎng)有限元程序?qū)Σ煌膿Q位方式進(jìn)行分析，計(jì)算集膚效應(yīng)和電流密度的變化。結(jié)果表明，定子線(xiàn)棒采用的最佳換位方式為313.33°不完全換位。

2.4 發(fā)電機(jī)誤同期并網(wǎng)分析計(jì)算

應(yīng)用仿真軟件程序?qū)Πl(fā)電電動(dòng)機(jī)120°誤同期并網(wǎng)時(shí)的U.V.W三相電流及電磁轉(zhuǎn)矩瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行全面分析，計(jì)算發(fā)電電動(dòng)機(jī)和水輪機(jī)機(jī)械系統(tǒng)及飽和的影響，以求計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4及圖2。

表4 誤同期并網(wǎng)計(jì)算結(jié)果

圖2 誤同期最大力矩隨時(shí)間變化曲線(xiàn)(橫坐標(biāo)為時(shí)間t/s，縱坐標(biāo)為力矩標(biāo)幺值Te/p.u.)

2.5 定子繞組端部電動(dòng)力分析計(jì)算

發(fā)電電動(dòng)機(jī)發(fā)生短路故障工況時(shí)，定子電流激增，定子繞組端部受到電動(dòng)沖擊力，嚴(yán)重時(shí)致使繞組變形，對(duì)絕緣產(chǎn)生破壞[5]。應(yīng)用計(jì)算軟件對(duì)6種工況的定子繞組端部電動(dòng)力進(jìn)行分析計(jì)算，詳見(jiàn)表5。從表5可知，120°誤同期工況定子繞組端部承受的電動(dòng)力最大。端部固定結(jié)構(gòu)據(jù)此進(jìn)行設(shè)計(jì)和核算，以滿(mǎn)足機(jī)組安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行要求。

表5 定子繞組端部電動(dòng)力計(jì)算結(jié)果 單位：N

2.6 短路電流分析計(jì)算

應(yīng)用專(zhuān)用計(jì)算軟件對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)突然短路電流進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)考慮參數(shù)飽和的影響。額定容量對(duì)應(yīng)短路電流各分量在不同時(shí)刻的計(jì)算值見(jiàn)表6及圖3。

表6 額定容量對(duì)應(yīng)短路電流分量計(jì)算值 單位：kA

2.7 靜止變頻器(SFC)起動(dòng)仿真計(jì)算

應(yīng)用專(zhuān)用計(jì)算軟件對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)行靜止變頻器(SFC)起動(dòng)仿真計(jì)算，發(fā)電電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流為1.0(p.u.)，勵(lì)磁控制方式為恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)方式。起動(dòng)過(guò)程為壓水起動(dòng)，計(jì)算中考慮了各種損耗對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的阻力矩，包括水輪機(jī)的水導(dǎo)軸承損耗、推力軸承損耗、主軸密封損耗、轉(zhuǎn)輪在空氣中旋轉(zhuǎn)的損耗、發(fā)電機(jī)的上導(dǎo)軸承損耗、下導(dǎo)軸承損耗、推力軸承損耗、通風(fēng)損耗、鐵心損耗、定轉(zhuǎn)子繞組銅耗及雜散損耗等等[6]。另外，靜止變頻器的容量為18 MW。計(jì)算結(jié)果，電機(jī)的加速時(shí)間為210 s左右，即機(jī)組從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間(不包括同步并網(wǎng)的時(shí)間)見(jiàn)圖4。

圖3 三相突然短路電流隨時(shí)間變化曲線(xiàn)(橫坐標(biāo)為時(shí)間t/s，縱坐標(biāo)為電流標(biāo)幺值Ia/p.u.)

圖4 轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線(xiàn)(橫坐標(biāo)為時(shí)間t/s，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值n/p.u.)

2.8 背靠背起動(dòng)仿真計(jì)算

應(yīng)用專(zhuān)用計(jì)算軟件對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)行背靠背起動(dòng)仿真計(jì)算，發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流分別給定1.0(p.u.)，勵(lì)磁控制方式為恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)方式。所分析的起動(dòng)過(guò)程為壓水起動(dòng)，計(jì)算中考慮了各種損耗對(duì)電機(jī)產(chǎn)生的阻力矩，包括發(fā)電機(jī)的上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承及推力軸承的損耗等等[7]。另外，起動(dòng)過(guò)程中水輪機(jī)的輸入轉(zhuǎn)矩給定22%Tn。電機(jī)的加速時(shí)間為104 s左右，即機(jī)組從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間(不包括同步并網(wǎng)的時(shí)間)見(jiàn)圖5。

3 結(jié)論

通過(guò)發(fā)電電動(dòng)機(jī)的容量、電壓、支路數(shù)及槽電流等參數(shù)的合理選擇和匹配，表明響水澗發(fā)電電動(dòng)機(jī)的計(jì)算結(jié)果完全在設(shè)計(jì)制造運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)電機(jī)相關(guān)電氣特性進(jìn)行全面的分析和計(jì)算，響水澗發(fā)電電動(dòng)機(jī)能夠真正實(shí)現(xiàn)技術(shù)一流、運(yùn)行安全可靠、穩(wěn)定域?qū)?、功率裕度大、易于調(diào)節(jié)、維護(hù)檢修和操作的綜合目標(biāo)。目前4臺(tái)均已發(fā)電，運(yùn)行良好。

圖5 轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線(xiàn)(橫坐標(biāo)為時(shí)間t/s，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速標(biāo)幺值n/p.u.)