（电力系统及其自动化专业论文）能量变换器运行特性与系统故障的研究.pdf

r e s e a r c ho nt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n d s y s t e mf a u l tf o rp o w e r f o r m e r a b s t r a c t p o w e r f o r m e r ，an e wc o n c e p to fh i g h v o l t a g es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，h a s a r o u s e de x t e n s i v ea t t e n t i o nb o t ha th o m ea n da b r o a d i t si n n o v a t i o n sa r es t a t o r w i n d i n g su s i n gx l p e ( c r o s s l i n k e dp o l y e t h y l e n e ) ，t h i si n n o v a t i o n a ls t r u c t u r e e n a b l ei tt og e n e r a t eh i g hv o l t a g ea n dc o n n e c tt ot h ep o w e rg r i dd i r e c t l y , a n d o m i t st h ei m p a c tv o l t a g ep r o t e c t o r s ，t h eg e n e r a t o rb r e a k e r s ，b u sb a r s ，a n dt h e s t e p 。u pt r a n s f o r m e r s t h ep o w e rp l a n t se q u i p p e dw i t hp o w e r f o r m e r sh a v e a d v a n t a g e so fl o wc o s t ，h i g he f f i c i e n c ya n dl o wm a i n t e n a n c ee t ca saw h o l e f i r s t l y , t h ed e v e l o p i n gb a c k g r o u n da n ds t u d ys t a t ea th o m ea n da b r o a da r e i n t r o d u c e di nt h i s p a p e r , a n d t h e s i g n i f i c a n c e o fr e s e a r c ho n o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n ds y s t e mf a u l tf o rp o w e r f o r m e ri sa n a l y z e di nd e t a i l t h e n ，am a t h e m a t i c a lm o d e lo fo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sf o rg e n e r a t o ri s b u i l tt h r o u g he l e c t r i cm a c h i n e sa n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dt h e o r yi nt h i sp a p e r ， a n dt h em e t h o do fs o l v i n gt h et w o d i m e n s i o ne l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw i t hf e mi s g i v e n t os a t i s f yt h ed e m a n do fc a l c u l a t i o no fo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n de x t e m a lc i r c u i to fg e n e r a t o r a r ec o u p l e dt oc a l c u l a t et h e o p e r a t i o nc u r v e sf o rp o w e r f o r m e ru n d e rd i f f e r e n t c o n d i t i o n s ， i n c l u d i n g n o l o a d c h a r a c t e r i s t i c ， s h o r t c i r c u i t c h a r a c t e r i s t i c ， r e g u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n de x t e r n a lc h a r a c t e r i s t i c a n dd i r e c t a x i ss y n c h r o n o u s r e a c t a n c e x da n ds h o r t - c i r c u i t r a t i os c ra r ec a l c u l a t e d t h r o u g hn o 1 0 a d c h a r a c t e r i s t i ca n ds h o r t c i r c u i t c h a r a c t e r i s t i c c o m p a r i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t s ，i ti sp r o v e dt h a tt h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r er i g h t ，w h i c hp r o v i d e ss o m e r e f e r e n c e sf o rt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fp o w e r f 0 1 t n e r a tt h es a m et i m e ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e sf o rp o w e r f o r m e ra r ea n a l y z e d ，t h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo fd y n a m i cp e r f o r m a n c ef o rp o w e r f o i t n e ri sb u i l t a n d s i m u l a t i o nm o d e lb a s e do ns i m u l n ki sb u i l t t w o p h a s es h o r tc i r c u i ta n dt h r e e p h a s es h o r tc i r c u i to n n ol o a dc o n d i t i o n so fp o w e r f o r m e ra r es i m u l a t e d ，a n da f t e r h 一 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 t h a tt h ev a r i a b l ec u r v e so fs t a t o rc u r r e n t ，r o t o rc u r r e n ta n de l e c t r o m a g n e t i c t o r q u ea r ed e r i v e d f i n a l l y , t h ep h y s i c a lp r o c e s s e s f o rp o w e r f o r m e rs y s t e mi s a n a l y z e d r e s p e c t i v e l yw h e nt h el i n eb r e a k sd o w nb e c a u s eo fo n ep h a s et og r o u n df a u l t ， p h a s et op h a s ef a u l t ，t w op h a s e st og r o u n df a u l ta n dt h r e ep h a s et og r o u n df a u l t t h ee l e c t r i cd r a w i n g sa n de q u i v a l e n tc i r c u i t sa r ep l o t t e dw h e np o w e r f o r m e rr u n s i nn o r m a ls t a t ea n df a u l ts t a t e ，a f t e rt h a t ，t h ee x p r e s s i o n so fp o w e ra r ed e d u c e d b a s e do nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i t sw h e np o w e r f o r m e rs y s t e mr u n si nf a u l ts t a t e ，a n d i m p a c to fe x c i t a t i o nr e g u l a t o ri st a k e ni n t oa c c o u n tw h e np o w e r f o r m e rr u n si n t h ef o r e g o i n gf a u l ts t a t e s a n dt h ec i r c u i tf a u l tl i m i tr e m o v a lt i m e so fg e n e r a t o r f a u l t sf o rp o w e r f o r m e rs y s t e ma r ep r e s e n t e dw i t hs i m u l a t i o na n a l y s i sa n d c o m p a r a t i v es t u d y k e y w o r d sp o w e r f o r m e r , o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，s y s t e m f a u l t i i i 哈尔滨理t 大学t 学硕l j 学位论文 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文能量变换器运行特性与系 统故障的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包 含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 浓姨 同期：岁年髟月，日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 能量变换器运行特性与系统故障的研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理 工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部 或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密白。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： 始过 、 肯龟孬 j 慨少w 月佣 隅少年妙知日 哈尔演理t 大学工学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 能量变换器背景、特点及研究意义 1 1 1 能量变换器的背景 随着电网的发展，大功率远距离传送的载体都是高压、超高压、甚至特高 压电网。现在，投入商业运行的特高压电网的电压等级已经达到了2 2 0 、5 0 0 乃至1 0 0 0k v 。同时，由于绝缘问题的制约，发电侧的输出电压一般都维持在 3 0k v 以下。为了实现发电侧与输电网的顺利对接，需要借助升压变压器。发 电机一升压变压器一输电网一降压变压器一负荷，这一经典发送配电模式存在 的合理性和必然性也似乎是不可置疑的。造成这种现象的原因在于发电机电压 的提高远远跟不上输电电压的提高，为解决这一瓶颈，许多学者试图提高发电 机输出电压，使之仍能与电网直接相连，但效果欠佳。 2 0 世纪9 0 年代末，瑞典a b b 公司历经8 年的研发，发明了一种利用高 压电缆绕制定子绕组的高压发电机，从而实现了发电机单元与高压输电网的直 联，这种新颖的发电机就是能量变换器。这项技术是莱京( m a t sl e i j o n ) 博士 于1 9 9 6 年提出的，方案一经提出，莱京博士便于1 9 9 6 年1 0 月带领课题组科 技人员论证了能量变换器的理论可行性。同年，a b b 公司研究所与a b b 公司 发电部、a b b 公司高压电缆部和瑞典v a t t e n f a l l 电力公司合作，为p o r j u s 水电 厂设计制造第一台能量变换器。1 9 9 8 年2 月2 5 日，a b b 公司宣布，世界上第 一台直连电网发电机研制成功，安装在瑞典p o r j u s 水电厂，并于同年5 月3 1 日首次并网运行n 3 。机组容量为1 1m v a ，电压4 5k v ，转速6 0 0r m i n 滢+ 4 3 。在 1 9 9 9 年国际大电网( c i g r e s c l l ) 会议上，a b b 公司介绍了p o w e r f o r m e r 的 基本原理、技术关键和运行结果，引起了与会专家、学者的极大兴趣。在2 0 0 1 年，国际大电网会议的专家、学者参观了位于瑞典v a s t e r a s 的a b b 电气研究 中心，并考察了装有世界上第1 台p o w e r f o r m e r 的p o r j u s 水电站。与会专家就 p o w e r f o r m e r 的技术问题进行了提问与探讨，会后p o w e r f o r m e r 被发电领域的 多位专家誉为新世纪最具发展潜力的发电设备哺。7 。 2 1 世纪初，阿尔斯通( a l s t o m ) 合并a b b 公司后，继续支持p o w e r f o r m e r 的 开发与研究，使其应用领域越来越广。在短短几年时间里，a b b 公司瑞典分部 已经相继为水、火电厂制成多台p o w e r f o r m e r 。表1 1 为) d 3 b 公司p o w e r f o r m e r 的 制造业绩。 表1 la b b 公司p o w e 怕r i i l e r 的制造业绩 ! ! ! ! ! ：! ：! 竺星! ! 竺! 型! 竺! ! ! ! ! ! 竺竺! ! ! 兰竺! 坐! ! 型型竺! ! ! 蝴称 ( m 糙v a )慧( r 转速m i n mr m i n ) 投运时间电站类型 () ( k v )() p o r j u s ( 瑞典) 1 l4 56 0 0 1 9 9 85水电 e s k i l s t u n a ( 瑞典) 4 2 1 3 63 0 0 02 0 0 01 2 火电 p o r s i ( 瑞典) 7 51 5 51 2 52 0 0 15 水电 h 5 1 j e b r o ( 瑞典) 2 57 8l1 542 0 0 16 水电 m i l l e r c r e e k ( , 址l 拿犬) 3 2 8 2 57 2 02 0 0 2 水电 胜浦，尺( 日本) 9 6 64 2 862 0 0 3 水电 1 1 2 能量变换器的特点 能量变换器与传统发电机的不同在于定子部分。绕组由固体绝缘的电缆所 组成并且具有内外两个半导体层，每匝绕组越靠近转子所需的电缆绝缘层越 薄，所以向着转子方向，槽的横截面减小”1 。能量变换器的定予绕组和铁心如 图1 - 1 和图1 - 2 所示，定子部分与传统发电机的对比见表1 - 2 所示。 图卜l 电缆结构 】- 能量变换器定子绕组导体：2 - 内部半导体层；3 - l 司体绝缘( 交联聚乙烯l ：4 - 外部半导体层 f i g1 - ls t r u c t u r eo f c a b l e l c o m d u c t o ru s e df o rs t a rw i n d i n go fp o w e r f o r m e r , 2 - i n n e rs e m i c o n d u c t i n gl a y e r ；3 - s o l i d i n s u l a t i o n ( x l p e ) ；4 - o u t e rs e m i - c o n d u c t i n gl a y e r 一 图1 - 2 能量变换器定子铁心 f i g 1 - 2s t a t o r c o r eo f p o w e r f o r m e r 在运行中能量变换器与传统电机相比还有其自身的特点。能量变换器采用 了特殊的冷却系统，因此，普通自来水可以用来冷却能量变换器定子铁心。塑 料管的运用可以消除管子和铁心间短路的危险，也可以消除在接头和管子中产 生涡流的问题。从效率上看，一个具有能量变换器的电厂的效率比一个常规电 厂的效率高o 5 - - 2o 。对于一个1 2 0m w 的电厂，这个数字是15 ，这意味 着装备能量变换器的电厂将比常规电厂多产18m w 的电。很明显，这部分多 产的电将提高电厂的经济效益。从维护成本上看，由于这种发电机省去变压 器、系统的结构大大简化了，相应的维护工作也比以前简单、同时结构的简化 也意味着系统可靠性的提高”3 。 表1 2 能量变换器与传统发电机定子绕组区别 t a b l e 1 - 2 t h ed i f f e r e n c eo fs t a t o r w i n d i n g so f c o n v e n t i o n a lg e n e r a t o r m a dh i g hv o l t a g e g e n e r a t o r 名称传统发电机能量变换器 哈尔滨理工人学t 学硕i 二学位论文 1 1 3 研究能量变换器运行特性的意义 同步发电机的运行特性大体可以分成三类。第一类特性主要用以确定发电 机的稳态参数和表征磁路的饱和情况，包括空载特性、短路特性和零功率因数 负载特性；第二类是稳态运行特性，从运行特性中可以确定发电机的电压变化 率、额定励磁电流和效率，这些都是表征发电机运行性能的基本数据，包括外 特性、调整特性和效率特性；第三类是稳态功角特性，这条特性主要是研究发 电机和电网连接时功率的传递情况，以及发电机的稳态功率极限。 同步发电机的运行特性曲线可以通过试验和计算方法得到，在电力系统稳 定分析中，需要分析一些临界状态和极限状态的运行特性以及暂态过程中某些 瞬时的运行特性，试验往往无法达到这种要求。现在对发电机运行特性的研 究，大多是通过有限元法计算同步发电机的磁场和饱和参数，从而计算出同步 发电机的运行特性。 文献【1 6 】中，d c m a c d o n a l d 用有限元法计算1 5 0m w 汽轮发电机，得到 了电抗x 由、x 叫及x 矿随发电机功角万变化的曲线，并将x 由、x 卵及x 拟合成 s i n 2 6 形式的函数，然后根据这些电抗采用经典电机理论计算了汽轮发电机的 稳定运行极限，得到了如下结论：在进相区汽轮发电机能够吸收的无功功率比 不考虑饱和时进行计算得到的结果要多。 文献 1 7 对q f s n 2 0 0 2 型汽轮发电机的饱和功角特性进行计算，得出了 如下结论：汽轮发电机饱和功角特性时是非正弦的，与不饱和正弦功角特性相 比，具有更大的功率极限以及大于9 0 的静态失稳角。 文献【1 8 】以q f s 3 0 0 2 型汽轮发电机为算例。讨论了有限元法计算汽轮发 电机短路特性、负载特性以及调节特性的迭代调节，并计算了电枢电流从o 变 化至额定电流范围内的几种特性曲线。该文的计算过程中，对短路特性没有考 虑到漏磁场饱和的影响，假设定转子铁心磁导率无穷大；对负载特性的计算 中，计算范围在额定条件以内，范围较小。 文献 1 9 1 以q f s 3 0 0 2 型汽轮发电机为算例，讨论了用有限元方法计算汽 轮发电机特性曲线时的端部条件、各个参数之间的向量关系以及端部条件的收 敛精度和熟练标准，并讨论了零功率负载特性曲线的计算方法。在该文的计算 中考虑铁磁材料的饱和以及汽轮发电机结构和定转子槽型对磁场分布的影响， 端部条件精度达到1 。 4 n a 尔滨理工人学工学硕士学位论文 1 1 4 研究能量变换器系统故障下稳定性的意义 同步发电机在系统故障下的运行状态是电机运行中常见的运行状态，其动 态分析包括运行状态的变化和故障情况，前者如同步电机的负载突然变动和励 磁调节，发电机的整步和电动机的异步起动等；后者如同步发电机的突然短 路、断线和失磁等。其中以短路故障最为常见也最为严重，发生短路时，同步 电机的短路电流并不很大，但在突然短路时，短路电流的峰值却可达到额定电 流的1 0 倍以上。这样大的电流将在电机内产生极大的电磁力，使定子端部受到 损伤。由此可见，突然短路的暂态过程虽短，但对同步发电机来说却是危害相 当严重的过程。但在实际工作中，总会出现不对称运行状态，有的是由于负载 不对称，例如电气火车等引起的，有的是由于事故，例如两相短路，一相接地 和一线断开等所引起；也有的是由于一些临时措施，例如利用两线及地线送 电，五线送电等所引起。这种运行状态产生的电流在电机内部产生很大的电磁 力及电磁转矩( 制动转矩和交变转矩) ，对电机的机械结构造成破坏，如其支固 不良，可使线圈产生变形，乃至绝缘受损。同步电机的这一过程是由其本身的 参数决定的，因此，对于能量变换器而言，由于它无须升压变压器便可直接与 电网连接，其故障特点与传统发电机有所差别。因此，通过对能量变换器动态 运行的研究，不但深入了解了能量变换器的性能，对其优化设计也具有很重要 的意义陋舡2 副。 当同步电机与电网相联运行时，必须严格按照电网的频率( 同步转速) 运 转。由于某些不利因素也可能引起振荡，其中以系统线路故障最为常见。发生 故障时，电机的转速、电流、功率角、功率以及转矩等，均将不是恒值，并且 可能达到危险的数值。因此，电机的振荡对电机本身及与其相联的电力系统、 电机及电器等是不利的。严重时，可能造成用户不能正常进行工作的恶果，例 如电灯闪动、电动机转速变动不稳定；还可能使电机与电力系统失去同步，从 而使供电暂时中断，甚至使电机及与其相联的电机及电器受到损伤1 2 6 一 。当庞 大的电力系统中的主要电机一旦脱落同步时，就可能引起广大供电地区的混乱 现象，有时甚至引起极为严重的停电事故，造成巨大的经济损失【2 8 1 。例如， 2 0 0 3 年世界上发生的多起大停电事故，其中“8 1 4 美国东部及加拿大安大 略省( o n t a r i o ) 发生的大停电，此次停电涉及的地区是整个美国东部联合电力 系统的一部分，它包括了美国俄亥俄州( o h i o ) 、密歇根州( m i c h i g a n ) 、纽约州 ( n e wy o r k ) 、马萨诸塞州( m a s s a c h u s e t t s ) 、康涅狄克州( c o n n e c t i c u t ) 、新泽西 州( n e wj e r s e y ) 、沃蒙特塞州( v e r m o n t ) 、宾夕法尼亚州( p e n n s y l v a n i a ) 等8 哈尔滨理工人学工学颂i ：学位论文 个州和加拿大的安大略省( o n t a r i o ) 。此次大停电共计损失6 1 8 0 万千瓦负荷， 占整个东部联合电力系统的1 0 ，合4 0 亿1 0 0 亿美元，5 0 0 0 万人受影响，停 电面积2 4 0 8 7k m 2 ，大部分地区2 9 个小时内恢复供电，美国部分地区4 天后才 恢复供电，加拿大有的地区事后轮流停电超过一个星期，是世界上有史以来最 大的一次大停电控吼驯。因此，要预防这些问题，就必须对能量变换器及其系统 的动态稳定性进行深入的研究。 1 2 能量变换器的研究现状 1 2 1 国外研究现状 第一台能量变换器问世至今，各国的业内学者与专家对其进行了全面的研 究。1 9 9 9 年s t e l l a nt h o r 6 n 等对世界上第一台商用装配于火电厂的能量变换器 进行了详细的介绍；m a t sl e i j o n 也对这种新型能量变换器的基本原理、电磁设 计和机械设计进行了说明暗1 一引；2 0 0 0 年m a t sl e i j o n ，f r e d r i ko w m a n ，s t e f a n g j o h a n s s o n 等对p o w e r f o r m e r 原型和一些超越传统电机的地方进行了研究b3 。； 2 0 0 1 年s t u r el i n d a h l 对能量变换器设计中通过提高对励磁电流生热的控制来提 高能量变换器的电压稳定性进行了研究分析旧4 ；md a r v e n i z a ，tks a h a ，b b e r g g r e n 等从电力系统要求方面对能量变换器的设计和优化应用的影响进行调 查研究n 引；2 0 0 2 年rh o l m b e r g ，m l e m o n 建立了一个同轴绝缘线圈的端部和内 部电磁场效应的宽频集总电路模型m ；2 0 0 3 年p 打h o l m g e r g ，m a t sl e i j o n ， t o 州6 mw a s s 对同轴绝缘线圈和绞线导体的涡流损耗的宽频集总电路模型进行 了研究，c r a i ga n t h o n ya u m u l l e r , t a p a nk u m a rs a h a 通过动态仿真的方法对能 量变换器的电压稳定性进行了研究；2 0 0 4 年m a r g u e r i t et o u m a - h o l m b e r g ， k a i l a s hs r i v a s t a v a 对一双绕组高压电缆绕组发电的稳态和故障状态进行了研究 分析阳引。 1 2 2 国内研究现状 能量变换器的成功运行，引起了我国科技部门的高度重视，并于2 0 0 1 年 开始对能量变换器立项研究。本课题组在戈宝军教授的带领下，已于 2 0 0 1 2 0 0 3 年完成了国家自然基金资助课题“凸极能量变换器定转子结构、电 磁理论与计算研究”( 编号5 0 0 7 7 0 0 4 ) 。2 0 0 2 年刘军对基于同轴绝缘电缆线圈 啃尔滨理工大学i 学硕十学位论文 的样型电磁装置进行了说明“；西安交通大学的邱毓昌教授对电缆绕组在发电 机和变压器中的应用进行阐述“；2 0 0 3 年周垂有和王志敏分别对能量变换器的 定予槽漏抗和空载电势波形进行了分析研究”“；2 0 0 4 年戈宝军、梁艳萍、周垂 有等对能量变换器这种新型发电装黄进行了详细的介绍；刘裕娟、梁艳萍对阻 尼绕组分布对能量变换器气隙磁场和参数的影响进行了分析”；张大魁、戈宝 军、关星等对电力发生器定子端部磁场与漏抗进行了计算”“；宋福川借助有限 元分析软件a n s y s 建立了能量变换器定子端部模型“；2 0 0 5 年戈宝军、张大 魁、梁艳萍等对能量变换器定子漏抗进行了分析计算并对能量变换器最新发展 进行了介绍“6 ”：华中科技大学的林湘宁、田庆对能量变换器一次系统设计及 运行实例进行了简单介绍，并对能量变换器继电保护系统的研究动态进行了分 析”8o 。：2 0 0 6 年【= f 1 庆、林湘宁对能量变换器内部故障进行了仿真研究，而且给 出了能量变换器定子电容电流自适应补偿差动保护方案“；2 0 0 6 年本课题组 再次获得国家自然科学基金资助，立项对能量变换器的运行机理进行基础研究 ( 编号5 0 5 7 7 0 1 2 ) ；2 0 0 7 年苏国霞、戈宝军、陶大军等对能量变换器内部单相接 地故障进行了建模分析”“；高艳、林湘宁、刘沛对能量变换器非全相运行保护 进行了研究m ；2 0 0 8 年戈宝军、赵金石、林鹏对能量变换器的并网问题进行了 深入的研究；张健、戈宝军、林鹏对能量变换器运行特性进行了仿真分析。图 1 2 为我国13 0k w 、5k v 的能量变换器样机。 a 1 装配中的样机定子绕组b 1 准备实验中的样机 图】一2 能量变换器模拟样机 f i gi 2p o w e f f o r m e rp r o t o 啦p e 哈尔滨理工人学_ t 学硕i ：q - 位论文 1 3 本文研究的主要内容 本课题是国家自然科学基金项目“能量变换器运行机理的基础研究的一 部分，项目编号为：5 0 5 7 7 0 1 2 。以研究能量变换器的小值振荡和静、动态稳定 性为主要内容。 本文将以一台能量变换器样机为研究对象，主要完成了以下几个方面的工 作： 1 对能量变换器的发展背景、课题的研究意义和国内外的研究现状进行 总结； 2 运用电机和电磁场理论建立发电机运行特性的数学模型，并利用场路 耦合法计算不同工况下能量变换器的特性曲线，包括空载特性、短路特性、调 整特性和外特性，同时计算直轴同步电抗x d 和短路比s c r ，并将计算结果与 实验结果进行对比； 3 对能量变换器在空载工况下发生突然两相间短路和三相接地短路时的 动态运行特性进行分析，并建立相关的数学模型与仿真模型。对仿真结果进行 分析，判定其动态运行特性； 4 给出能量变换器系统故障下简化数学模型的同时，对故障过程中的功 率变化进行分析，分别对能量变换器在不考虑励磁调节和考虑励磁调节时系统 线路发生单相短路、相间短路、两相接地短路和三相接地短路进行仿真分析， 并与传统发电机系统进行对比研究，得到能量变换器系统各种故障下的极限切 除时间。 哈尔滨理工人学t 学硕十学位论文 2 1引言 第2 章能量变换器运行特性的研究 同步发电机的运行特性是用其端电压、励磁电流、电枢电流、功率因数以 及频率之间的关系描述的，包括：空载特性、短路特性、调整特性和外特性 等。本章采用场路耦合法把电机与外部链接的部分根据基尔霍夫定律建立电压 平衡方程，电机内部则根据麦克斯韦方程组建立电磁场方程，为了考虑电机转 子运动的动态过程，采用运动边界法解决动态模型中转子运动的问题。这些方 程耦合在一起，组成了系统的基本方程组，并运用数值方法对空间和时间离散 后联立求解方程组。 2 2 仿真模型的建立 2 2 1 计算方法及假设条件 利用场路耦合法，把电机的直线部分与端部分开考虑，如图2 1 所示。直 线部分用二维电磁场的有限元计算方法，以分布的电流和矢量磁位作为变量， 剩下的端部漏感以常量计入方程中。 端 部 + i 直 t e f 豢 分 iu 一端 部 t 王 a ) 电机的线圈结构示意图b ) 电机绕组的简化等效电路 图2 1 场路耦合法的电机绕组模型 f i g 2 1w i n d i n gm o d e lo ff e mc o u p l e dw i t he l e c t r i cc i r c u i t s 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 在电磁场求解过程中，需做如下假设： 1 忽略位移电流，即电磁场是似稳场； 2 定子槽e l 、扇形片的圆角、倒角设为光滑，不计曲率影响； 3 材料为各向同性，忽略铁磁材料的磁滞效应： 4 由于定子铁心由硅钢片叠装而成，在有限元模型中不考虑铁心中的涡流 影响； 5 电枢部分磁场作二维场，端部效应由绕组电路方程中的常值端部漏感计 入，取一个磁极作为求解域，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 能量变换器的求解域 f i g 2 - 2 t h es o l v i n gr e g i o no f a m a g n e t i cp o l e f o r p o w e r f o r m c r 222 运行分析的数学模型 由于电机内的电磁场是似稳场，并且忽略了位移电流，有麦克斯韦方程可 得 v x h = ( 2 - 1 ) 式中：日为磁场强度；，。为存在于定子线圈、励磁线圈和阻尼条中的有源电 流密度。 忽略铁磁材料的，则有 日= v b = v ( v x a )( 2 - 2 ) 式中：v 为材料磁阻率。 若电机直线部分的电磁场当做二维分布场，并设电机横截面为x o y 平面， 侈j一寸 哈尔演理工人学工学硕士学位论文 则矢量磁位和电流密度都只有轴向分量，将( 2 2 ) 代入( 2 - 1 ) 可得电磁场方程 为 v 笃+ y 罢 ：一以一i v l + l y i = 一， 反。叙。却。却。 5 用矢量磁位4 表述的二维电磁场边值问题为 ia i 仙= 0 la 月o = 一彳i 阳 式中：a b 、c d 分别为定子铁心背部和转子轭部内圆的边界线， 边界条件；对于边界a c 和b d 满足半周期边界条件。 单元e 的磁密计算式为 曰一4 = 拳一罢p y 定子绕组磁链为 ( 2 - 3 ) 满足一类齐次 ( 2 - 4 ) t = 俨d s ( 2 5 ) 荔 = p 三三 一r 口 差 c 2 6 ， 式中：p 为微分算子兰，见为定予绕组相电阻，既、p b 、p c 为定子各相的 e 。2 u i ? a j i 。d xa a 叠。七j i a t x 鹎+ xo 2 o _ i 、 式中：x 掰为直轴电枢反应电抗；x 。为交轴电枢反应电抗：x 。为定子漏抗； x d 为直轴同步电抗；x 。为交轴同步电抗。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 曰。( x ) ：一掣：盟( 2 - 8 ) ( z j + i 一工f 式中：江1 , 2 ，3 ，胛一1 。 于是每极磁通氟为 一 办= 二曰，r o ( 2 - 9 ) 式中；f 为极距，z 。为气隙轴向计算长度。 因此，一相绕组的基波感应电势为 e o = 4 4 4 f n k 矽( 2 一lo ) 式中：厂为频率，k 州为基波绕组因数。 对发电机的运行特性进行计算时，设定励磁电流值，通过有限元对矢量磁 位彳进行求解，求出相应的磁链妙和励磁电动势或，便可求解出其运行特性。 需要特殊指明的是，计算外特性时，在给定励磁电流确定出e 条件下，需要确 定内功率因数角。，如图2 3 所示为c o s r p = 0 8 时确定或的相量图。 面 图2 - 3 相量图 f i g 2 3p h a s o rd i a g r a mf o r o 由相量图可知：或= e l 5 ，d o = u z 0 。，= i z 一缈，l = i s i n q o ， t = i c o s 哦，其中万为e o 与d 之间的夹角，称为功角；或为或与，之间的夹 角，称为内功率因数角，表达式为 吼= a r c 伽篆籍( 2 - 1 1 ，吼2 撒伽瓦蔬 艿= 西。一f o ( 2 1 2 ) 因此，或与d 的相量关系表达式变为 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 e o = u + i ( r 。+ j x q ) + ，l ( x d x 。) ( 2 - 1 3 ) 转子运动方程为 ，搴+ 五矽：l 一五( 2 - 1 4 ) 式中：，为转动惯量；矽：搴为转子角速度；乙为电机电磁转矩；瓦为负载 转矩。 采用二阶元迦辽金有限元技术对电磁场和电路方程进行有限元离散，采用 时步法对时间进行离散，采用牛顿拉斐森迭代法求解非线性方程。可得联立形 式的线性对称方程组，矩阵型式为 阻】 赵) = y ( 2 1 5 ) 矩阵m 由有限元矩阵、机械矩阵和耦合项的矩阵组成。矢量赵是第行+ 1 时间步和第k + 1 次迭代的未知量；节点的磁位变化为鲋；绕组电流变化为 ；绕组电压变化为u ；a 0 为转子位置变化。矢量l ，是第刀+ 1 步的电源项 和第，? + 1 步第k 次迭代以及第，z 步的未知量确定的项。 2 3 能量变换器运行特性的研究 同步发电机的运行特性曲线可以通过试验和计算方法得到，在电力系统稳 定分析中，需要分析一些临界状态和极限状态的运行特性试验往往无法达到这 种要求，现在对发电机运行特性的研究大多是通过有限元法计算同步发电机的 磁场，从而计算出同步发电机的运行特性。能量变换器的样机参数见表2 1 所 示。 表2 1 能量变换器样机的参数 参数名称参数符号参数值 231 空载特性的计算 同步发电机空载运行时，原动机拖动转子以同步转速旋转，励磁绕组中 加直流励磁电流，三相定子绕组开路，即可表示为 n = h ；，= 0 ，e o = ，( ，) 此时，电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场随转子一起以同步速转动，主 磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，切割对称的三相定子绕组后，就会在定子 绕组内感应出一组频率为厂的对称三相电动势，图2 - 4 为能量变换器空载时的 磁场分布图。 图2 4 空载磁场分布图 f i g 2 4 n o - l o a da i r f l u x d i s t r i b u t i o n 考虑有无阻尼绕组情况下的气隙磁密与感应电势分布图，见图2 5 、2 - 6 所 | ；趾i 1 曲无阻尼气隙磁密波形图b ) 有阻尼气隙磁密波形图 图2 - 5 空载气隙磁密图 f i g2 - 5 n o - l o a da i r g a p f l u x d e n s i v o s c i l l o g r m n - 1 4 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 a ) 无阻尼感应电势波形图b ) 有阻尼感应电势波形图 图2 - 6 空载感应电势波形图 f i g 2 - 6n o - l o a da i rw a v e f o r mf o ri n d u c t i v ek i c k 由图2 5 可以清晰看到能量变换器在空载运行时，考虑阻尼绕组和不考虑 阻尼对气隙磁密有较大影响。这是由于定子槽开口引起气隙磁导周期性变化， 使转子上各阻尼回路磁通产生脉动。、转子每转过一个定子齿距，阻尼回路磁通 变化一个周期，因而在阻尼绕组中感应频率为2 所西的齿频电流。而从图2 6 可 以看到这些齿频电流对感应电势影响并不大。 调节励磁电流，主极磁通哦跟着改变，空载电势邑便会随之改变。经 数值计算得到的能量变换器空载特性曲线图如图2 7 所示。 i j | k 图2 7 能量变换器空载特性曲线图 f i g 2 7n o - l o a dc h a r a c t e r i s t i cc u r v ef o rp o w e r f o r m e r 从图2 7 可以看出阻尼绕组对能量变换器空载特性曲线影响并不大，通过 与试验结果相对比，证明了数值计算结果的正确性，从而为能量变换器的实际 哈尔滨理工大学丁学硕j ：学位论文 应用提供了参考依据。 2 3 2 短路特性的计算 发电机的短路特性是在同步转速下，电枢端点三相短路时，电枢电流( 短路 电流) 与励磁电流的关系。即 1 1 = 聆，u = 0 时，= f ( i ，) 发电机短路时，限制短路电流的仅是发电机的内部阻抗。由于电机的电枢 电阻远小于同步电抗，所以短路电流可认为是纯感性的，即瓯9 0 。，于是电 枢电流全部为直轴电流，电枢磁势为一纯去磁的直轴磁势，见图2 - 8 所示。励 磁磁势b 减去电枢的去磁磁势后。d 巳，即得合成磁势f 。合成磁势户产生气隙 磁通痧，从而感生气隙电势e 。如不计定子电阻，则短路时气隙电势将等于定 子内部的漏抗压降，即 e u + f i x ，= f i x ， ( 2 - 1 6 ) 由此可见，短路电流，将随气隙电势e ( 即励磁电流，) 正比地变化。 晟j l x d 贮j i 垒 图2 - 8 短路相量图 f i g 2 - 8p h a s o rd i a g r a m f o rs h o r t - c i r c u i t 图2 - 9 为数值计算得到的短路特性曲线和试验得到的短路特性曲线。 毽l k a ) 数值计算结果b ) 试验结果 图2 - 9 能量变换器短路特性曲线 f i g 2 - 9s h o r t - c i r c u i tc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fp o w e r f o r m e r 哈尔滨理工人学t 学硕 ：学位论义 从图2 - 9 可以看出计算结果与试验结果较为吻合，证明了数值仿真的正确 性，从而为大型同步电机的仿真与能量变换器的实际应用提供了参考依据。 2 3 3 利用空载和短路特性确定虬和短路比s c r 电机短路时，电枢电流为纯直轴电流，即j 。= 0 ，j = j d ，因此短路时电 枢的电势方程式可写成如下形式 e q = i r o + j id x d + j iq x q j l x d e ( 2 1 7 ) 卜2 亍 从式( 2 1 7 ) 可以看出，直轴同步电抗就等于某一励磁下的激磁电势e 除 以对应的短路电流。考虑到短路时整个电机的磁路处于不饱和状态，所以鼠应 该从气隙线上查出( 为