《电力系统分析》_.ppt

电力系统分析PowerSystemAnalysis(八、同步电机突然发生三相短路分析),主讲人：田行军tianxingjun66,2019/11/24,第八章同步电机突然发生三相短路分析,主要内容,1、同步电机的基本方程与参数,3、同步电机突然三相短路时的物理分析,2、同步电机稳态运行时的基本方程与向量图,4、同步发电机的暂态参数和等效电路,5、自动调节励磁装置对短路电流的影响,8.1同步发电机的基本方程与参数,abc坐标系下的方程,派克-戈列夫变换,凸极机、隐极机稳态方程与参数、向量图,8.1同步发电机的基本方程与参数,汽轮发电机一般采用隐极式结构。受转子机械强度的限制，直径较小，长度较长。卧式结构,8.1同步发电机的基本方程与参数,国产200MW汽轮发电机定子铁心,汽轮发电机结构,国产300MW汽轮发电机,8.1同步发电机的基本方程与参数,发电机结构,8.1同步发电机的基本方程与参数,一、同步发电机SynchronousMachines,电力系统最复杂的元件之一；同步电机电磁暂态过程左右了电力系统电磁暂态过程；同步电机建模方法非常重要顾毓秀提出前进后退分量法（文理大师）章名涛在国际上率先采用拉普拉斯变换求解电机的短路电流高景德电机过渡过程理论的大专家,8.1同步发电机的基本方程与参数,1、理想同步电机,同步发电机绕组模型为：定子3个绕组、励磁绕组绕组、d轴阻尼绕组DD、q轴阻尼绕组QQ、转子铁心组成的6绕组电磁系统。,q轴等效的阻尼绕组,d轴等效的阻尼绕组,励磁绕组,转子、定子绕组对称磁势、磁通正弦分布不计饱和,8.1同步发电机的基本方程与参数,abc与iabc相反（由于定子产生的磁场具有去磁作用）fDQ与ifDQ相同为da轴之间的夹角具体方向规定见书P33,2、正方向的选取,8.1同步发电机的基本方程与参数,?阻尼绕组中有无电流,3、同步电机回路图,8.1同步发电机的基本方程与参数,4、六回路电压方程电关系,8.1同步发电机的基本方程与参数,定子绕组的自感,定子绕组间的互感,转子绕组的自感,转子绕组间的互感,定转子绕组间的互感,5、磁链方程磁关系(FluxLinkagesEquation),8.1同步发电机的基本方程与参数,6、电感(Inductance),8.1同步发电机的基本方程与参数,转子绕组的自感,转子绕组间互感,恒定（常数）垂直时=0,1）转子绕组自感及互感,8.1同步发电机的基本方程与参数,2）定子与转子绕组间互感,8.1同步发电机的基本方程与参数,3）定子绕组自感,8.1同步发电机的基本方程与参数,4）定子绕组间互感,8.1同步发电机的基本方程与参数,1.派克变换,二、派克-戈列夫变换ParksTransformationdqoTransformation,变换由美国工程师派克在1929年首次提出（其后不久，苏联学者戈列夫也独立地完成了大致相同的工作），一般称为派克变换。,2.派克变换下同步电机电流、磁链及电压方程,把定子绕组上的变量变换到转子上,8.1同步发电机的基本方程与参数,可理解为数学变换：但应了解物理本质。,因此，进行坐标变换，使易分析、易处理,1、变换概述,时变系数，方程难分析、难计算,abc坐标系方程,8.1同步发电机的基本方程与参数,双反应理论三相定子绕组合成的旋转磁势可以用直轴分量和交轴分量代替。,与,任何时刻同相位，且在数值上成比例,8.1同步发电机的基本方程与参数,电气角,空间角,2.两个角度,8.1同步发电机的基本方程与参数,3.派克变换的导出,8.1同步发电机的基本方程与参数,方程两边同乘,8.1同步发电机的基本方程与参数,不对称,但可令：,使：,称为定子电流的零轴分量,8.1同步发电机的基本方程与参数,综合得Park变换：,逆变换为,8.1同步发电机的基本方程与参数,数学上：状态量的转变物理上：观察点的转移静止的以速度旋转的abc坐标系dq0坐标系,可理解为线性数学变换,可用于其他各量，如等；,8.1同步发电机的基本方程与参数,4、磁链方程,dq0坐标下的电感系数都变为常数；定子对转子的互感系数出现3/2，是由于定子三相合成磁动势的幅值为一相的3/2倍。0分量独立；dq轴之间无互感，Ld为直轴同步电感；矩阵不对称。,8.1同步发电机的基本方程与参数,通过过选取合适定子侧与转子侧各电磁量的基准值，并将各量改为标幺值，即可实现标幺值表示的互感系数对称。即所有d轴互感系数的标幺值与d轴电枢反应电抗标幺值相等，q轴亦然。（p39-40）,8.1同步发电机的基本方程与参数,速度电势为新增项，且中为，中为,5、电压方程,8.2同步发电机的稳态参数与方程,稳态运行条件,稳态运行方程,隐极机与凸极机相量图,本节主要内容,8.2同步发电机的稳态参数与方程,一、同步发电机正常运行时定子回路的电压方程,正常运行时，同步发电机定子三相电流对称，则,为常数,为常数,8.2同步发电机的稳态参数与方程,二、稳态条件,转速恒定,设励磁,恒定,三相对称,dq分量均为常数，且,，,同理,，,8.2同步发电机的稳态参数与方程,空载电势,8.2同步发电机的稳态参数与方程,发电机电动势,变压器电动势,磁链方程代入电压方程,忽略电阻,同步电机稳态运行方程,8.2同步发电机的稳态参数与方程,令(相量)(d分量）j(q分量),三、同步电机稳态运行方程,正常运行时同步发电机的等效电路a)直轴电路b)交轴电路,8.2同步发电机的稳态参数与方程,8.2同步发电机的稳态参数与方程,虚构电动势,8.2同步发电机的稳态参数与方程,四、向量图,1、隐极机,8.2同步发电机的稳态参数与方程,2、凸极机,8.2同步发电机的稳态参数与方程,(1)对于凸极机，先求,试求稳态时各电势，忽略电阻。,例题：已知发电机有如下参数：,稳态运行条件为：,由,解：,得,8.2同步发电机的稳态参数与方程,(2)计算电压，电流分量：,(3)计算,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,关根泰次：影响电力系统动态特性的最主要元件是同步发电机，不充分了解同步发电机的特性，谈论电力系统的特性是完全无意义的。,本节在实测的短路电流波形基础上，应用同步发电机的双反应原理和超导回路的磁链守恒原理，对短路后的物理过程和短路电流的表达式作近似分析。,试验,理论分析,试验,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,超导体闭合回路磁链守恒原则,楞次定则：任何闭合线圈在发生突然变化的瞬间，都能维持磁链不变.,移近一个磁铁,回路将感应产生电流,R=0,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,短路,定子电流,转子磁通,电枢磁通,转子感应电流,定子电流,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,短路条件：1、同步发电机转子有励磁电流2、定子回路开路即空载3、定子三相绕组端部突然三相短路4、不考虑阻尼绕组,假设：发电机转子保持同步转速，即频率保持恒定,一、空载时突然三相短路的电流波形,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,定子电流的波形分析,直流分量：大小不等，衰减时间常数相同,交流分量：包含两个衰减时间常数,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,二、空载短路电流分析,思路：,回路对应电流,六个回路：定子(a、b、c3个)励磁回路阻尼绕组（D、Q2个）,分析磁链,1、定子短路电流分量,且随时间的变化而变化,若t=0s发生短路，则定子三相绕组的磁链路为,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,t=0s发生短路，短路瞬间,若在t=0s发生短路，则短路后主磁通交链的表达式为,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,短路后定子产生短路电流，短路电流产生相应磁链,励磁磁链（周期变化）,短路前总磁链（不变）,直流电流+2倍频,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,恒定磁通,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,磁链分析结论：短路后定子绕组含有两个磁链：交流磁链、直流磁链,交流磁链,基频交流电流,直流磁链,直流电流+2倍频交流电流,定子回路：基频交流电流直流电流2倍频交流电流,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,定子基频交流电流,与转子同步旋转的电枢反应磁动势,励磁回路感生附加直流电流分量,磁链守恒,2、励磁回路电流分量,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,定子直流电流,空间静止磁场(与转子相对转速为同步速),励磁回路感生基频交流电流分量,磁链守恒,定子2倍频交流电流,2倍同步转速旋转磁场(与转子相对转速为同步速),磁链守恒,励磁回路：励磁电流附加直流电流基频交流电流,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,3、阻尼回路电流分量,等效阻尼绕组D：与励磁绕组同轴向,等效阻尼绕组Q：与励磁绕组轴向垂直,D绕组：附加直流电流、基频交流电流,Q绕组：基频交流电流,4、定子、转子回路电流分量对应关系,定子：基频交流电流直流电流2倍频交流电流,励磁：励磁电流附加直流电流基频交流电流,D绕组：附加直流电流基频交流电流,Q绕组：基频交流电流,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,8.3同步发电机突然三相短路的物理分析,5、定转子绕组各种电流分量及其相互关系,定子绕组稳态短路电流基频自由电流非周期电流倍频电流,强制分量自由分量,转子绕组稳态励磁电流自由直流基频电流,8.4同步发电机的暂态参数和等效电路,暂态过程中Eq、Ud、Uq随if、i的变化而变化，此公式不能用来计算暂态过程中的id、iq,稳态方程只适用于稳态，暂态时不连续找一组变量能连续、不突变稳态时算出暂态时采用,8.4同步发电机的暂态参数和等效电路,三、次暂态方程与参数,二、暂态方程与参数,四、几种电抗和电势之间的关系,一、稳态方程与参数,本节主要内容,8.4同步发电机的暂态参数和等效电路,一、稳态方程与参数,8.4同步发电机的暂态参数和等效电路,凸极机,8.4同步发电机的暂态参数和等效电路,二、暂态方程与参数（不计阻尼回路）,暂态电抗后电势,电压方程,6,不计阻尼回路,令,8.4同步发电机的暂态参数和等效参数,(一)稳态值,4.3.1稳态方程与参数,8.4同步发电机的暂态参数和等效电路,8.4同步发电机的暂态参数和等效电路,消去if,8.4同步发电机的暂态参数和等效电路,令,R=0,由于,短路瞬间不突变，可由正常运行状态,求出,8.4同步发电机的暂态参数和等效电路,暂态过程中,无q轴暂态电势和电抗,短路,二、暂态方程与参数（不计阻尼回路）,次暂态电流,8.4同步发电机的暂态参数和等效参数,方法1,类似于稳态时，先求,方法2,8.4同步发电机的暂态参数和等效电路,一般在工程中采用暂态电抗后电势近似代替,即通过稳态时的电压与电流计算暂态电势,由于,与在其交轴上的分量,差别不大,8.4同步发