（电气工程专业论文）桑坝电站异步发电机系统的分析与研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文 中文摘要 摘要 异步发电，作为一种新的发电方式，在国内外，正逐步受到人们的重视，因 为与同步发电方式比较，异步机具有结构简单，造价低廉，易于维护等特点，而 且投入电网使用的异步发电站操作简单，对电站工作人员技术要求低，利于在边 远山区建造无人值班电站，鉴于这些特点，异步发电在小水电建设、工业余热、 沼气、内力等低位能源的回收，利用方面正及到推广和发展，但异步发电机本身 无励磁，所需励磁无功要由电网或机端并联电容器提供，而由于世界各国电网情 况及无功乏源的生产情况各不相同，因此展品步发电的应用也各有差异。目前， 世界上已有2 0 多个国家的5 0 多个厂商同时生产同步和异步发电设备以供用户选 择，法法国、英法、德国、挪威等发达的西方国家以及日本，苏联等工业发达的 国家对异步发电犹为重视，目前已有几百个中、小型的异步发电站投入电网使用。 论文详细分析了异步发电机的运行原理；对地方电网并入了小型异步发电站 后的运行性能进行了理论分析；对含异步发电机的电网在静态、暂态性能等方面 的特点，异步发电机的并网进行了分析；利用异步电动机的电磁设计原理和方法， 研究了异步发电机的设计原理和方法；对异步发电机电站的电气设计等的特点进 行分析和研究；为发展异步发电站的建设具有理论和工程指导价值。 关键词：异步发电机；仿真；模型；电磁设计 重庆大学工程硕士学位论文 英文摘要 a s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra san g wt y p eg e n e r a t o rh a sb e e nc o n c e r n e ds t e pb ys t e p b ye a c hc o u n t r ya l l r o u n dt h ew o r l d c o m p a r i n gw i t h s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , a s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha s ，s i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，e a s y m a i n t a i na sw d la ss i m p l i c i t yo fo p e r a t o rw h e ni tc o n n e c t e dt og r i d a l s oi ti sf a v o r a b l y t oe s t a b l i s hu n a t t e n d e dp o w e rp l a n t si no u t l y i n gd i s t r i c t o w i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c s a b o v e , a s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri sd e v e l o p i n gr a p i d l ya n dg e n e r a l i z e di ns m a l l h y d r o - p l a n t s ，r e c l a m a t i o na n du t i l i z a t i o no fi n d u s t r ye x c e s sh e a t ，m a r s hg a s ，e n d o g e n f o r c ea n ds oo n a s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rh a sn oe x c i t a t i o np e rs e , s og r i do rp a r a l l e l c o n n e c t e dc a p a c i t a n c es h o u l ds u p p l yr e a c t i v ep o w e r t h e r ea r eag r e a td i v e r s i t yo f a p p l i c a t i o no fa s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rb yd i f f e r e n tg r i da n dd i f f e r e n tm a n u f a c t u r eo f d i f f e r e n tc o u n t r y f r a n c e ，b r i t a i n ，g e r m a n y , n o r w a y , g o v e r n m e n ta t t a c hi m p o r t a n c et o a s y n c h r o n o u sg e n e r a t o re x t r a o r d i n a r y n o w , t h e r ea r eh u n d r e d so fm e d i u ma n ds m a l l s i z e dg r i d c o n n e c t e da s y n c h r o n o u sp o w e r p l a n t sb e i n g u s e d i nt h ep a p e r , o p e r a t i o np r i n c i p l e so fa s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ra r ea n a l y z e di nd e t a i l t h eo p e r a t i o np e r f o r m a n c eo fl o c a le l e c t r i cn e t w o r kc o n n e c t e d b ys m a l l s i z e d a s y n c h r o n o u sg e n e r a t o ri sa n a l y z e do nt h e o r y t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t e a d ys t a t ea n d t r a n s i e n ts t a t ea r es t u d i e dw h e na s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rh a sb e e no p e r a t i n gi ng r i d t h e d e s i g np r i n c i p l e sa n dm e t h o d sa r ed i s c u s s e db yu s i n ge l e c t r o m a g n e t i s mt h e o r y f i n a l l y , t h ee l e c t r i c a ld e s i g no fa s y n c h r o n o u sg e n e r a t o rh a sb e e np r e s e n t e d t h i sd i s s e r t a t i o n o f f e r ss o m e t h e o r y r e f e r e n c ea n d p r a c t i c a l m e t h o d sf o rt h e d e v e l o p m e n to f a s y n c h r o n o u sp o w e rp l a n t s k e y w o r d s ：a s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ；s i m u l a l i o n ；m o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：锄签字日期：缸卯哆年，月彩日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重迭盍堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者龆易毒 签字日期：办力移年，月髟日 导师签名： 签字日期：咖g 年，月刁日 重庆大学工程硕士学位论文1 绪言 1 绪言 1 1 应用概况 异步发电，作为一种新的发电方式，在国内外，正逐步受到人们的重视，因 为与同步发电方式比较，异步机具有结构简单，造价低廉，易于维护等特点，而 且投入电网使用的异步发电站操作简单，对电站工作人员技术要求低，利于在边 远山区建造无人值班电站，鉴于这些特点，异步发电在小水电建设、风力发电、 工业余热、沼气、内力等低位能源的回收，利用方面正及到推广和发展，但异步 发电机本身无励磁，所需励磁无功要由电网或机端并联电容器提供，而由于世界 各国电网情况及无功乏源的生产情况各不相同，因此发展异步发电的应用也各有 差异。目前，世界上已有2 0 多个国家的5 0 多个厂商同时生产同步和异步发电设 备以供用户选择，法法国、英法、德国、挪威等发达的西方国家以及日本、苏联 等工业发达的国家对异步发电犹为重视，目前已有几百个中、小型的异步发电站、 和异步风力发电电站投入电网使用。 利用煤炭、石油等常规资源发电的大电厂中，同步电机无疑优于异步电机。然 而，近几年来，在许多国家，异步发电机的发电量却迅猛增长。因为在利用分散的变化 无常的各种风力、水力发电时，异步电机在很多方面超过同步电机。例如，美国在西 部地区中小型风力、水力电站星罗棋布，其中大部分都是用异步发电机。俄罗斯在 1 9 9 4 年建成的6 3 k v ，1 m w 的风力电站中也是采用的异步发电机。它允许风速变 化范围为5 2 6 m s ，最高效率达9 0 5 。我国风力、水力资源丰富，在大电网难以 覆盖到的偏远地区和广大农村，利用风力、水力为能源，首选异步电机发电的理由是： ( 1 ) 异步电机比同步电机构造简单、价格便宜、经久耐用、维修方便。 ( 2 ) 异步发电机对原动机的要求低，既可恒速，也可变速运行，根本没有同步要 求。因此，它适应于风力、水力作动力。 ( 3 ) 异步发电机不需要同步发电机那样的复杂的励磁系统，连自动调速系统有 时也可以省去。 ( 4 ) 异步发电机在起动、运行、保护、并网等诸方面都比同步发电机简单、方 便，而且便于遥控。这在技术人员缺乏的边远地区和广大农村尤显重要。 ( 5 ) 近年来，发电专用的各种风车、水车及变速涡轮机不断推陈出新，效率不断提 高，而价格却在下落。与此同时，新型电力电容器也不断推向市场。这些都 为发展异步电机发电创造了有利条件，异步机发电有两种运行方式，一是并 网运行，二是独立运行，各有其特点。 重庆大学工程硕士学位论文 i 绪言 1 2 异步发电方式与同步发电方式的比较 异步发电与同步发电在技术经济方面具有下述显著的差别 i 、异步发电机使用鼠笼转子、无刷、无滑环，结构简单可靠，它依靠接在定 子回路中的并联电容器励磁及提供负荷无功上率，无功充足的电网可省去并联电 器。如按满足本身励磁及与同步机相同的功率因数向负荷提供无功的要求，在电 站集中装设电容器计算异步发电机组的投资及运行费用也显著低于同步发电机。 同步发电同转子需要独立的激磁电源，因此要配备一套励磁设节系统，转子 上的励磁绕组，由电刷接入励磁电源或采用旋转半导体励磁，使其结构复杂，易 出现励磁系统故障。 2 、异步发电机并入电网不存在同步，总是无需同期装置及同期系统，并入时 仅考虑对电网的冲击，在原动机拖动下，使发电机接近同步转速即可合闸并入， 转速要求很低( 小电机可作电动机启动接入电网) ，因此，对运行人员技术要求较 低，并入时间也很短，易于实现自动化及无人操作。 3 、异步发电机可在相当大的滑差范围下运行，对应于一个系统频率，异步发 电机有一个可稳定运行的速度区间而不是一点，稳定不易破坏，具有较强的抗干 扰能力，不会产生同步功率振荡的危害，扰动发生时，异步发电机可产生较高的 异步力矩增量，促使系统迅速回复到稳定运行状态。 4 、异步发电机转子无励磁，机端短路时电流迅速衰减至零，站内配电设备勿 需加大容量。为保证同步发电机组的暂态稳定性，同步发电机在机端短路时需强 行励磁，因此有很高的稳态短路电流有效值( 可超过初始电流) 为了满足热稳定 条件，往往使接在机端边线上的一些工作电流很小的支路的电气设备( 例如站用 变压器电缆) 加大容量选择，造成投资增加。 5 、并网异步发电机采用适当的电容补偿方式后，可降低输电设备投资，减少 电网有功损耗，提高供电电压质量等效益。 同步发电机是一个集中于电站内的无功电源，向负荷提供无功功率时需要加 大传输设各的输出容量，从而造成电网有功损耗及电压损失。 1 3 异步发电机运行方式 异步发电可分为孤立运行和并网运行两种方式，孤立运行的异步发电站，主 要应用于独立的，非常规的风力、工业余热、沼气等作为驱动能源的地方以及电 力发展特别落后，不足以形成电网的偏僻地区的小水电等，对孤立运行的异步发 电机，其端电压及频率都受到负荷的影响，因此端电压和频率的不稳定是孤立运 行异步发电机应用上的两大问题。目前， 调静止无功补偿器，电子负荷调节器等， 2 国外多采用带有调节器方式，如采用可 俄罗斯还采用了非线性电容器提供无功 重庆大学工程硕士学位论文1 绪言 补偿，对孤立运行的异步发电机进行控制，以改善电压和频率的稳定性。 目前，应用较多的还是并网运行的异步发电方式，对并网运行亦可分为两大 类型。 一是通过静止频率转换器( 即：交直交变叔器) 后再进行并网，一 是直接并网，对于前者，主要应用于原动机速度不稳定的情况如大型风力发电等， 或者是异步发电机的功率对电网频度影响较大的机组，但是采用变频器后，增加 了系统的投资，并没有显示出采用异步发电在经济上的优越性。 采用及较普遍的是直接并网方式，国外对这方面研究的及也较多，从并网的 方式，电机性能，以及和电网间的相互联系，相互影响等都有一定的研究，但是 到目前为止，还没有一篇文章系统地、全面地分析过含异步发电机的电网的稳态 性能和暂态性能。 1 4 论文的主要工作 由于我国电力工业比较落后，因此，异步发电技术的应用还刚刚起步，虽然 五、六十年代，在一些边远山区曾有过用异步电动机作为发电机发电的事例，但 是由于使用人员技术低，所用的无功补偿电容型号和电压等级不匹配，因此在较 短的时间内受到损坏而不能再使用，直到1 9 8 6 年才在浙江金华地区建成了第一个 功率为1 2 5 千瓦的小型异步发电站，投入电网使用。但是，对于异步发电机与同 步发电机比较，在性能和运行操作方面有什么异同，含异步发电机电网其运行性 能与纯同步发电机组成的电网的区别等等，在我国还没有人仔细进行过研究。 桑坝水电站位于甘肃省甘南藏族自治州迭部县桑坝乡桑坝河干流，设计水头 h = 6 3 m ，水轮机型号h l l 6 0 - w j 5 0 ，单机流量q = i 3 3m 3 s ，转速l o o o r p m ，装机 容量2 3 2 0 k w 。桑坝河属白龙江的二级支流，在腊子口附近汇入腊子河后流入白 龙江上游河段，属长江水系嘉陵江流域。白龙江中上游河段在甘肃南部的陇南市 和甘南州境内，流域内植被较好，河流支流众多，落差集中，水电资源丰富，适 合开发中小型水电站，在白龙江甘南迭部、舟曲境内可开发7 5 0 m w 的水电资源， 己开发的水电资源约1 2 0 m w 。目前大电网以延伸到该区域，为进一步开发当地水 电资源创造了条件。由于当地用电负荷有限，目前水电汇集到1 1 0 k v 迭部变 1 1 0 k v 岷县变1 1 0 k v 漳县变3 3 0 k v 陇西变，通过2 1 0 k m 的1 1 0 k v 线路到 主网。线路长，充电无功功率较多，同时水电机组本身为了稳定运行也发出的无 功功率造成当地电网无功严重过剩，对电网安全稳定运行带来问题。而异步发电 机可以从电网上吸收无功功率解决电机励磁问题，可以消耗网上多余无功，对电 网和电站两方面都有利。随着当地电网的进一步发展和水电资源的进一步开发， 在该地区安装异步发电机的条件更加成熟，可以提高资源利用率，节约电网和电 3 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪言 站本身的投资。 本文针对桑坝水电站的异步发电机，以及相连接的电力系统进行分析研究， 其主要研究工作如下： 1 对对桑坝水电站及其地方电网并入了小型异步发电站后的运行性能进行理 论分析和研究； 2 对含异步发电机电站的电网静态、暂态性能进行分析研究，探讨异步发电 机静态、暂态稳定性判据； 3 研究异步发电机并网冲击，探讨异步发电机的并网方法； 4 对异步发电机电站的电气设计的特点进行分析和研究，探讨异步发电机的 电磁设计原理和电磁设计程序： 5 通过分析研究，为今后对异步发电技术的广泛应用、电站工作人员的操作， 异步发电站的建设等提出建议。 4 重庆大学工程硕士学位论文2 异步发电机的运行原理 2 异步发电机的运行原理 2 1 工作原理 我们知道，当异步机定子三相绕组有三相交流电通过时，就会产生转速为n 1 的 旋转磁场丸，这一磁场同时切割定予绕组和转绕组，如果用一原动机拖动转子， 使其转速为n ：，并有n ：，n 。，则磁场在定子和转子绕组中分别感应出的电势为岛 和e ：，如图所示，由感应电势转子中产生的电流i ：如图，根据左手定则，我们知 道，电流j ，产生的电磁力矩方向与旋转磁场的方向相反，是一制动力矩，为了维 持转子的运动状态，原动机就必须向转子上输入机械功率，为了维持磁通丸不变， 在定子绕组中，也必须增加一定子电流i 。来抵消转子电流产生的磁通九对丸的影 响，这一电流与i ：的方向相反，与e ，的方向相同，即i ，。q 为正，即是异步机向电 网输送有功功率，此时异步机作为发电机运行。 m m 百川 川乡 图2 1 异步发电机工作原理 f i g u r e 2 1p r i n c i p l eo fi n d u c t i o ng e n e r a t o r 基本方程式和等效电路与异步电动机运行相似，异步发电机在运行时，必须 满足磁势平衡方程式： 后+ 最- 瓦 ( 2 1 ) 异步发电机定予绕组接三相电网上，不管转子的反应如何，按照发电机惯例， 都必须满足下面的电势平衡关系式： 5 重庆大学工程硕士学位论文2 异步发电机的运行原理 盯1 = 蠢1 一，1 2 1 - e l 一，l ( 1 + j x - ) 反是磁通九在定子绕组中产生的电势： 毫一4 4 4 a w ，k 。丸) 因为转子绕组短接，则转子必须满足下列电势平衡方程式： e 2 ，一j 2 ( r 2 + 豇2 口) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 应。是磁通丸在转子绕组中产生的电势 e h - 4 4 4 ，2 w 丸 ，：是转子绕组切割主磁通丸的频率 凡。堂k 盟生生堕叽 。 6 0n 6 0 。1 s 鱼二生为转差率 一l 石2 。- 2 矾l 2 ，- s 2 吲j 工2 ，一最r 2 ， e 2 i s e 2 - 1 2 ( ，j + j 践 ) ( 2 - 4 ) 式中，e ：为折换成定子频率后的转子电势 定子电流，可以分解成两个分量，即产生磁势万。的激磁电流，。和产生f n 的 抵清转子势f ：的负荷分量，。，所以 由式( 2 1 ) 可知： u p l u w l k ，l - l 2 k 。2 其中： 7 式( 2 5 ) 可改写成： 1 1 - ，1 l + j m e + 岛一 f f l l + f 2 1 f e 1 - j z 。- ，。( + 豇。) 综上可知，异步发电机的基本方程式为： 6 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) 重庆大学工程硕士学位论文 2 异步发电机的运行原理 u 1 一e 1 一i ：z lt e l 1 1 “+ 豇l 。) e 2 i - s e 2 1 2 ( r 2 + 皿 ) e t - 一i 。q 。+ j x ，。1 i i 、一i m + i ut i 。+ 卜之令 j j 臣- 4 4 4 f l w l k 九 e h 一4 4 4 ，2 w 2 k 。2 九 一4 4 4 s f l w 2 k 。2 丸 将基本方程式中，转子各量转换成定子各量后，及基本方程式如下： 黟- i - i “盼劫 k 譬“粤+ 豇加讹；+ 孚哪l ，1 。+ ( o ；) i 旧一矗；l l 岛- 。z 。i r ； j 如 孚 图2 2 异步发电机t 形等效电路 f i g u r e 2 2t - e q u i v a l e n tc i r c u i to fi n d u c t i o ng e n e r a t o r 仿照异步电动机，将t 形等效电路化成r 形等效电路如图2 3 所示。 d - r lj 古，x ， 6 导n 图2 3 异步发电机r 形等效电路 f i g u r e 2 2r e q u i v a l e n tc i r c u i to fi n d u c t i o ng e n e r a t o r 7 ( 2 8 ) 重庆大学工程硕士学位论文2 异步发电机的运行原理 其中：扣+ 乞 2 2 异步发电机的功率和电磁转矩 2 2 1 异步发电机的功率 异步发电机运行时，转子转速为一：，对应的转差率为$ - - 生导至，因为n ：，一。， 所以，异步发电机的转差率是一负值，因而，在等效电路中，模拟机械功率的电 阻! 二曼吃是一个负阻，与之相应的机械输出e 2 生! 吃也是负数，即为机械输入， 这个输入的机械功率分配如下： 一j f 宰巧，：父+ h ；2 蔓) ( 2 9 ) 即转子输入的机械功率= 转子铜耗+ 传给定子的功率，由此，我们可以及出异 步发电机的有功功率流图： 珞- j ! 生p 2j ! 山卫皿刿2 山只 其中p 蜃 原动的机械损耗 机组的转子中的机械功率 只输入转予中的机械功率 气： 转子铜耗 ， 转子通过气隙传给定子的电磁功率 发电机中的铁耗 气。 定子中的铜耗 只发电机输出的电功率 从异步发电机的t 形等效电路中，我们可得 0 _ 旦一 ( d j ，l + d 子：三) + ，( 丸_ ，+ 钟算拓) 输入转子的机械功率p 2 为 p 2 一，；( 三二三) 砰呓 。# e ? 4 + ( - ，；2 彳鸟t j 2+ h 2 砰2 ) 一巳2 + ( 2 1 0 ) r 形等效电路中，激磁支路电流c 为 。再币最i 雨( 2 - 1 1 ) 8 重庆大学工程硕士学位论文2 异步发电机的运行原理 设发电机铁耗为： p & 一1 2 k 定子铜耗为： 匕，：麓，1 + e ：，l 所以，异步发电机输出的电功率为： 由( 2 9 ) 式可得： 最匕一一气， 。( 一，：立) 一( k 一口d ”j l s 。1 2 ”2 ( 彦，1 + d ；垒) 一，。t 2 ( _ + ) s ，：_ ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 由( 2 - 1 1 ) 式司得。 一。j ：i i ：一 (216)lm 。丽i 旷雨i 孑 u 将( 2 1 5 ) 、( 2 - 1 6 ) 两2 - 1 4 式，并化简可得： 只 ：兰丝主：! ! 一 坚；虹! 垒2 ； ( 2 1 7 ) 尸ti j 二一一兰牮量_ = 土上叶 ( - 1 “+ d lr - - z ) z + o 。+ 如0 ) ： “+ ，肿) 2 + 0 n + 。m ) 2 由式( 2 1 7 ) 可作出异步发电机的有功功率特性曲线，如图2 4 所示 h 。 o s n s m a x c ( 图2 4 异步发电机的p 1 s 特性曲线 h g u r e 2 4p 1 - sc u r v eo ft h ei n d u c t i o ng e n e r a t o r 9 重庆大学工程硕士学位论文 2 异步发电机的运行原理 由r 形等效电路还可得，异步发电机运行时，所吸收的无功功率为： q 1 ，f ( d f l a + 斑五) + ，：o i o + x m ) 望i ! 生垡坦! 童墨釜2 一 旦i 垡坦! 兰。2 p l + d ；孚) 2 + ( 6 一。+ 6 k 玉) 2 “+ k ) 2 + o - 。+ z m ) 2 。毕业亟l 一旦箪吐吐 ( 2 1 8 ) “+ o , - 9 - ) 2 + 仁。+ 却o ) 2 0 1 + ) 2 + o ”+ x m ) 2 2 2 2 异步发电机的电磁转矩： 由式( 2 - 1 0 ) 已经知道，异步发电机的电磁功率只。为， - i ：o ；生 因为电磁转矩等于电磁功率除以同步机械角速度砬，所以： m 一。昔 “乞芋吾 ( 2 舶) 盖竖一等am。(2-20)p d td t q o最 即：一t j _ d s - a m ( 2 2 1 ) 式( 2 - 2 0 ) 即为用转差率表示的异步发电机组的转运动方程，式中( 2 2 8 ) r ，。组盟 l p np n - 譬譬。筹母6 0 ， 4 p n4 p w 、 ；2 7 石4 g d2 n ；o ) ( 2 2 2 ) 。面“i p ) 【2 。 式中，g d2 为发电机组的飞轮力矩r ”2 应用异步发电机t 形等效电路分析突出三相短路时异步机的定子电流，当异 步发电机正常运行时，定予绕组中存在着一定的磁链，如取磁势的轴线作为相应 电流的轴线，则可以认为线圈中的电流为一空间相量【蚓，因为它们在同一平面内 符合向量代数的原则，所以可以将电路计算中的时间相量与向量图中的空间相量 统一起来，因此，定子磁链向量方程可表示为： 话；，】l s * i 2 l 。 。f ，盥+ r 2 x ( 2 2 3 ) 式中：一碱 是子电流频率 1 0 重庆大学工程硕士学位论文2 异步发电机的运行原理 厶是子绕组的自感 工。是转子绕组的互热 是子电流向量 转子电流向量 从异步发电机基本方程式及t 形等效电路可得： ；一e 。+ ，：净+ 豇0 ) 孟：- 0 1 + z 1 - 0 1 + ，1 ( + j x l 。) 7 ，：。坚l 些鱼! 塞l 卫! 垒+ 豇0 s 将上式代入式( 2 2 4 ) 可得： 钆。i x i oa c x m + 坠4 1 必量 埘 i 2 + j x 乙 m 定子突然三相短路时，转子电流分别为矗，e 则：应i 一，：z 。- ，：“+ 豇。) e i - 0 l + ，1 z l ；驴1 + ，1 ( _ + 豇k ) ，：坠! 生鱼! 童2 z ! 孚+ 豇。 此时，定子中磁链向量方程为： 吼一札s + f 一。 j i 筮丝+ ，i 华童 等+ 豇o j j 。丝二。一 位 等+ i x o m ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 如+ 譬一。( 2 - 2 7 ) 喾立生一两+ 等。 0 。+ z 。) ( 蔓+ 豇乞) + “+ y x k 弦。 ” 重庆大学工程硕士学位论文2 异步发电机的运行原理 解上述方程得： d - 9 一( 妒 ( f - 0 * ) ( 2 2 8 ) 口 叫可r 2o ，。+ ) 一等+ z 。1 2 】 a 。一 o 。了r 2 + 争+ ) 2 + g 。工，+ 工。j ：，+ 石乞靠) 2 v 2 ，1 “z ：口工卅一。r i 2 丁石。工埘) 卢。一 争+ 4 - x m ) 2 + ( h z ，+ 工。，x 二+ 工乞) 2 将式( 2 3 7 ) 代回( 2 3 5 ) 中，即得定子边突然三相短路时定子的电流为： j 7 ) 盥一e 唯+ 垆弦 ( 2 2 9 ) 兰堑! 苎! 三l 兰 w ：2 w 其中：z 1 一，l + 豇1 。 z ：- 一rv 十肛 i 因为突然短路前后定子中的磁链不能跃变，所以短路在时刻r 0 发生时， 吐+ - 无一 即 瓦+ 。妒，。缉生+ ，1 0 芦芷立+ 丑马 ( 2 3 0 ) z 2 珊 z 2 注： 1 ；f ，。从式( 2 - 3 3 ) 中令f o 所得，并设： 驴1 i ，- o - u ，i l l r - o - i l o 将( 2 3 9 ) 式代回( 2 3 8 ) 式得： 矗一(：i：j：x旃m u 1 0 + ，l 。) e - ( a + 垆) f 一( ! ! - ! 卫一+ ，l o k - ( 。+ 垆) f ( 2 3 1 ) 在式( 2 - 4 0 ) 中，因为x 。，x ，。，所以作了近似解： 重庆大学工程硕士学位论文 3 对不同无功补偿条件下的潮流计算 3 对不同无功补偿条件下的潮流计算 由于异步发电机本身没有独立的励磁系统，因此，在运行过程中，所需的励 磁靠电网提供或者通过机端联接的补偿电器提供。电力系统在运行中存在功率和 电压的损耗，而不同的无功补偿方式，电网力系统运行中的功率和电压的损耗是 各不相同的，因此，从系统的功率与电压损耗观点出发，提出针对异步电机的无 功补偿形式的选择问题，本章的目的就是通过对一个实际系统的潮流计算，而求 出一种较佳的电容器补偿方案。 电力系统中的潮流计算，是指对系统运行过程中的功率分布及电压的计算， 其中包括组成系统的各元件在运行中的损耗计算等，因此，先介绍一下电力线路 和变压器的电压降落和功率损耗的计算方法： 3 1 电力线路的电压降落和功率的损耗 首先，对复数功率及符号作一说明，根据国际电工委员会推荐的约定，取： ，。d ，。p + j q 即取 s - 珥 。珥五l 九一办一醵耳二妒- s , ( c o s + 皿) 一p + j q ( 3 1 ) 式中：瓦每相复功率 以一以九 相电压相量 矗一l 一妒j相电流相量的共轭值 p 一九一蛾 功率因数角 s ，弓，q 分别为相现在功率，有功率、无功功率 因此，负荷以滞后功率因数运行时其所吸取的无功功率为正，以超前功率因 数运行时所吸取的无功功率为负；发电机以滞后功率因数运行时所发出无功功率 为正，以超前的功率因数运行时所发出的无功功率为负。 电力线路的等效电路如图3 1 所示【6 l ，图中，设首端电压口及首端功率 墨- 弓+ y q 。为已知，则酋端导纳支路功率西。为： a 哆，- 七d ，) 玩 z 。d 。盯， 2 1 一言( g 一卢渺? 里墨奎兰三堡堡主兰垡笙奎 ! 塑至垦垂塾茎丝墨竺三塑塑鎏生簦 t k 2 i 一u ； - 毋1 一弘勿1 盖虱 - s js 2 图3 1 电力线路的等效电路 f i g u r e 3 1e q u i v a l e n tc i r c u i to fat r a n s m i s s i o n l i n e 阻抗支路中损耗的功率曩为： s l - s 1 一a s y l = ( p l + j q l ) 一( p y l - j a q y l ) - 0 + a 毋1 ) + j i a q y l ) 一( a p z + 旭：) 阻抗支路中损耗的功率a t 为： 暖。印2 z 。寺僻4 + q ，) ( r + 乒) 2t 22： 一半州簪z u j u j - 卸z + ，q z 阻抗支路末端的功率为： 司一最一畦一倒+ ，q j ) 一( 屹+ ，a q ：) - ( b + a 匕) + ， i a q z ) 一砭+ i q i 末端导纳支路的功率西：为： 西：一争：) d ：- 萝： ： - 去姆一j b w i 一扣；一巾u ； - 柳2 一，a 勿2 1 4 ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 。4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 重庆大学工程硕士学位论文3 对不同无功补偿条件下的潮流计算 末端功率最为 s 2 - s 2 一a s y2 - ( 尸j + ，q ：) 一( a p y 2 一j a q y2 ) - + a 毋2 ) 一，q ：一a q y2 ) - t 2 + 加2 u 1 7 o2 图3 2 始末端电压向量图 f i g u r e 3 2v o l t a g ep h a s ed i a g r a mo f s t a r ta n de n d ( 3 7 ) 但是，在( 3 - 6 ) 式中，末端电压d ：为末知量，因此，必须在求得末端电压口： 后，式( 3 6 ) 和式( 3 - 7 ) 才有实际意义，为此，如图3 2 所示，设始端电压舀。与 实轴重合，则： f i r , , u i - d o 也一白z 也华( r + y x ) 吼一丐譬一，毪等 一( u a 【，1 ) 一j 6 【， ( 3 8 ) 其中： a u p i r - q ：x 一 “1 鲋。丝：；垒! 窒 ( 3 8 ，) u 。 所以： u ：。届j 丽 ( 3 9 ) 一般地，u ，一a u ，田，可用二项式定理将( 3 9 ) 式展开。 重庆大学工程硕士学位论文3 对不同无功补偿条件下的潮流计算 u 2 u 1 一a u + ( a j ) z ( 3 1 0 ) 驯1 略去上式若三项后还可进一步简化为 u 2 - u t a u 。u 。一p ? r - e ；x( 3 1 1 ) u l 式( 3 1 1 ) 为电力系统中常用的简化计算公式： 以上各式，既可用于标么值计算，也可用于有名制计算，在用有名制计算时， 每相阻抗、导纳的单位为欧、西。三相或单相功率和线电压或相电压的单位可用 兆伏安、兆瓦、兆乏和千伏表示。 求得线路的电压、功率后，就可以计算一些标志电压质量和经济性能的指标， 如电压主降落，电压损耗、输电效率等等。 电压降落或线路阻抗中的电压降是指线路始末两端电压的相量差d 。一d ：或 d 盯，电压主降落也是相量，它有两个分量，a d 和耐、分别称电压降落的纵分量 和横分量。 电压主损耗是指线路始末两端电压的数值差，一u ：) ，电压损耗仅有数值， 由式( 3 1 1 ) 可见，电压损耗近似于电压降落的纵分量，电压损耗常以百分值表示。 电压损耗叠罂x 1 0 0 ( 3 1 2 ) u 输电效率指线路末端出有功功率p 2 与线路始端输入有功功率p 1 的比值，常以 百分数表示。 输电效率e 。l 。1 0 0 ( 3 1 3 ) 3 2 变压器中的电压降落和功率损耗 。孰 - - t p - z t墨! 三墨! 图3 3 变压器t 形等效电路 f i g u r e 3 3f e q u i v a l e n tc i r c u i to fat r a n s f o r m e r 1 6 重庆大学工程硕士学位论文 3 对不同无功补偿条件下的潮流计算 变压器中的电压降落和功率损耗的计算与电力线路相似，其r 形等效电路如 3 3 所示，设变压器电源端电压西。的功率式一只+ 尬。为已知，则变压器盛磁支路中 损耗的功率西，为： 蚺，r - o ，r u ) ，l - l ，r u i u l - g r u ? + j b r 【，f -址)玎+jaq(3-14) 变压器阻抗支路首端功率i 为 s 1m s l 一a sv r 一0 + j q l ) 一( a b t + ，a q 玎) - r + a p r r ) + ，( q 1 一锄) - f ；+ 坦： ( 3 - 1 5 ) 变压器阻抗支路中损耗的功率勤为 峨r - ( 渺r - 簪+ j x r ) - 譬即，簪x ， - 易+ 必鳓 ( 3 1 6 ) 变压器副边功率豆为 s 1 - s 1 一丛，7 - p l + j q l ) 一( a p r r + q ) - ( 己一a b 7 ) + j l + q r r ) - p , + 坦l ( 3 1 7 ) 变压器阻抗支路中损耗的功率a 更，为 s z ri s 一丛，r - p 1 + j q l ) 一( 弓t + ，a q 打) 一弓一a 弓t ) 一j q 1 + 翰) 一只+ 尬： ( 3 1 8 ) 变压器副边功率最为 元= 爿一如- ( 只+ 旭：) 一( 埸+ j a q 。) 一c p , 。+ ( f f z r ) 一， j + q z r ) = p 2 + 旭2 ( 3 1 9 ) 相似于( 2 8 ) 式，可知变压器阻扰中电压降落的纵、横分量为： 1 7 重庆大学工程硕士学位论文3 对不同无功补偿条件下的潮流计算 a u ，。墨墨! 垒墨 。 u r 6 u r 。e ；x ，- q ：r ( 3 2 0 ) v r 相似于( 2 9 ) 、( 2 1 1 ) 式，可知变压器副边电压矿，为： u 2 - 4 v l a v ) 2 + 6 0 - 2 - u 1 一a u u 1 一e j n 。+ q ；x ( 3 2 1 ) u 1 有了以上对电力系统中线路和变压器的计算公式，就可以对系统进行潮流计 算，由于计算机技术的应用，电力系统中对潮流计算的方法越来越多，越来越先 进，如常用的方法就有：高斯一塞德尔法，牛顿拉夫逊法，p _ _ q 分解法等等， 但是，对于简单的计算。 前面已经述及，异步发电机本身没有独立的励磁系统，因此，在运行过程中 所需的励磁无功功率需要系统中其它设备提供，经分析有三种主要的无功补偿形 式。 ( 一) 异步机所需无功全由系统提供。 ( - - ) 在异步发电机端点并联电，提供异步发电机本占所需的无功功率，而 对负荷所需的无功，补偿电可联接于负荷处。 ( 三) 在异步发电机端点并联电，不仅对异步机提供无功功率，而且还以一 定的功率因数对系统提供无功。 下面就这三种无功补偿的形式对一实际例子桑坝电站地方电网进行计 算，比较三种补偿方式的优、劣，从而提出一种较优的无功补偿方式。 s 1 异步发电 s2 同步电站 图3 4 桑坝电网的简化图 f i g u r e 3 4s k e t c ho fs a n gb ae l e c t r i cp o w e rn e t w o r k 1 8 重庆大学工程硕士学位论文 3 对不同无功补偿条件下的潮流计算 桑坝电网的简化图如上，这是一个典型的网络，采用手算方法能达到所需的 计算要求，由于异步发电站和同步发电站均不带机端负荷，所以，在简化图中， 仅将系统作为唯一的负荷端受端来处理，而不同的补偿方式，则表现为异步 发电机对网络注入功率的不同 设备型号及参数 n ：妣1 8 额定容量8 0 0 k v a 额定电压高压1 0 5 k v 空载损耗p o 一1 _ 7 k w ；短路损耗最- 1 1 5 d v 阻抗压降 u i - 4 5 ；空载电流i o - 1 9 参数计算【冽 r ，业蕈。里生：! ! 1 1 8 q 1 0 u 叫； l u o o 0 8 z ，墨丝主! ：! ! ! 生。5 6 2 q 1 0 0 t k 1 0 0 x 0 - 8 岛妥黑：1 7 1 0 5 西 1 0 0 0 ； 1 0 0 0 x 1 0 辟l o 一x 要。旦罢。1 3 6 x 1 0 4 西 。 1 0 0u ：1 0 01 0 2 t 2 ：s l i - - 1 6 额定电压高压1 0 5 0 - 低压0 4 a , 额定容量 1 6 0 0 k v a 空载损耗p o - 1 7 k w ；短路损耗最- 1 1 5 k w 阻抗压降 u t - 4 5 ；空载电流 i o - 1 5 参数计算： 矗r 。堡，2 0 ：0 7 8 欧 1 u u ux 1 6 。 z ，。! ：! ! 堡。2 8 1 欧 1 1 0 0 0 x 1 6 劬- 而2 8 5 = 2 8 5 x l o - 5 西 b r ；磐。2 4 1 0 - 4 西 1 u u x l u 。 传输线l g j ( 铝钢绞合) 最大允许电流1 2 1 0 安 截面积8 0 0 r a m 2 跨距9 0 0 m m 1 9 重庆大学工程硕士学位论文3 对不同无功补偿条件下的潮流计算 相间距4 6 0 m m 参数计算： r t 2 _ 3 r f “一- s pc 一蒜x 6 - 0 2 4 q x f 2 - x f 3 _ 4 = 1 , 1 x 6 t 6 6 t 2 因为两段线路均为低电压级线路，故略去线路上导纳、电导等对运行的影响。 三种补偿形式下的等效电路图如下： ：。s甲。08，x彳。，。exzj中1000肼。；：壶 孰 斌刚；卜簪 矾 斌嘲；卜嘶簪 i i s l sl 图3 5 三种无功补偿方式 f i g u r e 3 5t h r e et y p e so fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n 对这三种无功补偿形式下的潮流计算结果