（电工理论与新技术专业论文）能量变换器进相运行极限的分析与计算.pdf

a n a l y s i sa n dc o m p u t a t i o n o nl i m i to fl e a d i n g p h a s eo p e r a t i o no fp 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 ri san e wt y p eo fh i g h v o l t a g eg e n e r a t o r t h es t a t o rw i n d i n go fi t i s x l p e ( c r o s s 1 i n k e dp o l y e t h y l e n e ) w i t hh i g hv o l t a g e t h i s i n n o v a t i o n a l s t r u c t u r em a k e si tb ea b l et og e n e r a t eh i g hv o l t a g eo ft h eg r i da n dc o n n e c t 。t ot h e p o w e rl i n ed i r e c t l y , i to f f e r st h ep o w e rp l a n ts e v e r a la d v a n t a g e ss u c ha se n h a n c e d r e l i a b i l i t y , h i g h e re f f i c i e n c ye t c s o ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yt h eo p e r a t i o no f p o w e r f o r m e rs y s t e m a t i c a l l y t h es t a b i l i t ya n dd e p t ho ft h el e a d i n gp h a s e o p e r m i o no fp o w e r f o r m e ri ss t u d i e dt h o r o u g h l yi nt h i sp a p e r 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 db r o a da r ei n t r o d u c e d i nt h i sp a p e rf i r s t l y , a n dt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo fs t a b i l i t ya n dd e p t ho ft h e l e a d i n gp h a s eo p e r a t i o no fp o w e r f o r m e ri sa n a l y z e d t h e n ，t h es t a b i l i t ya n dd e p t ho ft h el e a d i n gp h a s eo p e r a t i o no fp o w e r f o r m e r i sa n a l y z e d ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t a t i ca n dd y n a m i co p e r a t i o ns t a t ef o r p o w e r f o r m e ri sp r o p o s e d ，t h ee x p r e s s i o n so fs t a t i cs t a b l ep o w e rc h a r a c t e r i s t i c a n ds t a t i cs t a b l e1 i m i tf o rp o w e r f o r m e ra r ed e d u c e d t h ei n f l u e n c eo fe x t e r n a l r e a c t a n c ea n df i e l dr e g u l a t i o no nt h es t a t i cp o w e rc h a r a c t e r i s t i co fp o w e r f o r m e r i sa n a l y z e d ，i ti sp r o v e dt h a tt h ed e c r e a s e dt h es t a t i cs t a b i l i t yo fl e a d i n gp h a s e o p e r a t i o no fp o w e r f o r m e rw i t ht h e c o n t r a s tr e s e a r c hm e t h o d t h ed y n a m i c s t a b i l i t yo fl e a d i n gp h a s eo p e r a t i o no fp o w e r f o r m e ri sa l s oa n a l y z e di nt h i sp a p e r , t h ep h y s i c a lp r o c e s s e so fp o w e r f o r m e rs y s t e ma r ea n a l y z e dr e s p e c t i v e l yw h e n t h el i n eh a sb r e a k d o w n t h ec i r c u i td i a g r a mi sp l o t t e dw h e np o w e r f o r m e rr u n si n n o r m a ls t a t ea n df a u l t s t a t e t h ee x p r e s s i o no fp o w e ri sd e d u c e db a s i n go nt h e e q u i v a l e n tc i r c u i tw h e np o w e r f o r m e rr u n si nf a u l t ，t h e e f f e c to ff a u l ts t a t eo n l e a d i n gp h a s eo p e r a t i o no fp o w e r f o r m e ri sa n a l y z e d t h et r a n s i e n ts t a b i l i t yl i m i t i so b t a i n e d a tt h es a m et i m e ，t h ep h y s i c a lp r o c e s so fr e a c t i v ep o w e rr e g u l a t i o ni s a n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l yb a s i n go nt h ep a r a m e t e r so ft h ep o w e r f o r n l e rm o d e l ，t h e e x p r e s s i o no fv c u r v e si sd e d u c e d ，vc u r v e si sg i v e nb ys i m u l a t i o n ，t h ec h a n g e c u r v e so fp a r a m e t e ra l o n gw i t hr e a c t i v ep o w e ro fl e a d i n gp h a s eo p e r a t i o no f p o w e r f o r m e ra r eg i v e n f i n a l l y , as i m u l a t i o nm o d e lo fp o w e r f o r m e ri sp r o p o s e di ns i m u l i n k s p s t h e o p e r a t i o n o fp o w e r f o r m e rf r o ms t e a d y s t a t et o1 e a d i n g p h a s es t a t e i s s i m u l a t e di nas i n g l e m a c h i n ei n f i n i t e b u ss y s t e m t h es i m u l a t i o n so fs t a t o r v o l t a g ea n dc u r r e n t ，p o w e r - a n g l ea n dp o w e rf a c t o ru n d e rl e a d i n gp h a s eo p e r a t i o n o fp o w e r f o r m e ra r eo b t a i n e d ，t h ei n f l u e n c eo ff i e l dr e g u l a t i o no nt h el e a d i n g p h a s eo p e r a t i o no fp o w e r f o r m e ri sa l s oa n a l y z e d ，t h ee f f e c to nl e a d i n gp h a s e o p e r a t i o no fp o w e r f o r m e r i sa n a l y z e d t h ec o n c l u s i o no ft h i sp a p e rp r o v i d e ss o m eb a s i sf o rt h er e l i a b l ed e s i g na n d o p e r a t i o no fp o w e r f o r m e r , h a v i n gc e r t a i nt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a l v a l u e k e y w o r d sp o w e r f o r m e r ，l e a d i n gp h a s e p h a s eo p e r a t i o n ，s i m u l a t i o n i i i - o p e r a t i o n ，s t a b i l i t y , d e p t h o fl e a d i n g 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 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进相运行极限 的分析与计算，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。 广、 作者签名淞 嗍7 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 能量变换器进相运行极限的分析与计算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。 不保密囟。 ( 请 日期： 日期： 审。) 9 哆。? 口 荪彳 及够一办溺 啦 轹。 轹 嘲 签 签 剐 艏 新 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 能量变换器的发展背景 第1 章绪论 1 9 9 8 年2 月，a b b 公司发布一则消息称一种新型高压发电机p o w e r f o r m e r 已被研制开发成功，并将在瑞典p o r j u s 水电站并网运行【1 1 。p o w e r f o r m e r 是一 种集传统同步发电机与升压变压器于一身的高压发电机，可以直接与高压输电 电网相连接。2 0 0 0 年阿尔斯通公司能源部的s t e f a na l f r e d s o n ，b oh e m n a s ， h a n sb e r g s t r o m 撰文对一额定电压高于1 0 0 k v 的高压发电机的安装进行了详细 的阐述 2 1 。这也引起了国内专家的关注，在2 0 0 0 年前后国内开始对 p o w e r f o r m e r 有消息报道，称为能量变换器、电力发生器或超高压发电机。 能量变换器无需升压变压器就可以直接连接电网，常规电厂中的发电 机、冲击电压保护器、发电机侧开关、母线和升压变压器，可全部由一台能量 变换器来替代。1 9 9 9 年国际大电网会议( c i g r e s c l l ) 上a b b 公司的代表介绍 了他们研制开发能量变换器的背景、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。2 0 0 1 年c i g r e s c l l 会议的与会专家学者参观了位 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一台 p o w e r f o r m e r 的p o r j u s 水电站。该水电站的9 号科研机组为p o w e r f o r m e r ，实验 项目比较安全，安装了大量测试仪器和振动探测器等。该机组容量为 1 1 m v a 、电压4 5 k v 、转速6 0 0 r p m ，是世界上第一台采用高压交联聚乙烯电缆 绕制定子绕组的高压发电机。c i g r e 专家就p o w e r f o r m e r 的技术问题进行了 提问，与会专家认为p o w e r f o r m e r 在二十一世纪很有前途，具有发展潜力p 7 1 。 2 0 0 0 年初，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。在接下来的时间里，又有三台商业用的p o w e r f o r m e r 投产运行。 分别为e s k i l s t u n a 电厂的4 2 m v a 1 3 6 k v 、3 0 0 0 r p m 的火力p o f ，p o r s i 电站的 7 5 m v a 、1 5 5 k v 、1 2 5 r p m 的水利p o f 和h o l j e b r o 电站的2 5 m v a 、7 8 k v 、 11 5 4 r p m 的水利能量变换器。我国的科技管理部门对p o w e r f o r m e r 的研究与开 发十分重视，并于2 0 0 1 年开始对能量变换器立项研究。本课题就是该项目的 部分研究内容。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 2 研究能量变换器的目的和意义 能量变换器作为一种新型的高压发电机，采用高压交联聚乙烯( x l p e ) 电缆 作为定子绕组，这种革新结构使其能够输出与电网相连的高压，从而可以直接 并网【8 。0 1 。因此，对能量变换器的运行进行系统的研究是极为必要的。本文只 对能量变换器进相运行深度和稳定性进行了深入的研究。 自从十九世纪发明旋转电机以来，电机的主体结构和使用的材料一直没有 本质的改变。在传统发电机的设计中，采用矩形电枢槽及矩形定子绕组，而矩 形导体产生不均匀的电场分布，在导体拐角处，电场集中比较严重。这限制了 传统发电机输出电压不能高于3 6 k v 。传统发电机额定容量的提高要通过电流 的提高来获得，而电压等级却是固定不变的，这使得装备有传统发电机机组的 发电厂需要安装升压变压器。同时，电流的提高会增加电机的损耗和发热，所 以，传统的发电机容量的提升还受到通风冷却技术的约束1 1 1 - 1 4 】。 能量变换器使用带有固态模压介电质的圆形高压电缆导体代替传统电机定 子绕组中的矩形导体。圆形导体能产生一个均匀分布的电场。使用圆形高压电 缆作为定子绕组，提高了发电机输出电压等级，使其可以达到与传输电网相同 的电压等级，且发电机输出电压等级仅受到高压电缆技术的限制。这样，电厂 中的发电机、冲击电压保护器、发电机侧开关、母线和升压变压器可全部由一 台能量变换器来代替。由此看出研究这种新型发电机对于电力系统向超高压、 大容量发展有着极大的意义。能量变换器相对于传统发电机有以下优势 1 s - 2 1 】： 1 能量变换器无需升压变压器，可以直接与传输电网连接。与传统发电机 对比，对于任何给定的输出功率，能量变换器可以在相对高的电压和相对低的 电流下运行。 2 由于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之间短路的危险， 也可以消除在接头和管子中产生的涡流。 3 一个以能量变换器为发电设备的发电厂的效率比普通发电厂提高 0 5 2 0 。 4 能量变换器的惯性常数通常比传统发电机的要大，有利于电力系统的安 全稳定运行。 5 能量变换器的效率高，生产同样的电能所用燃料少，废气排放量降低， 对环境影响小。 由上述可知，随着电力系统向超高压、大容量发展，以及从节省能源，提 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 高效率，维护绿色环境角度出发，能量变换器的研究与开发具有极大的现实意 义和发展前景。 1 1 3 研究进相运行的意义 随着我国电力系统的建设和发展，已基本形成高电压、大容量、远距离输 送的现代化电网规模。但由于高压输电线路和电缆数量及长度的增加，线间和 线对地的电容也相应增大，从而引起了系统电容电流以及容性无功功率的增 长；此外，为弥补高峰负荷时的无功不足，在电网中装设了较多分散的静电电 容器，因而在电力系统低负荷运行时，系统或其某一部分的容性无功，可能超 过用户的感性无功和网络的无功损耗之和，在电网的某些枢纽点上，会出现电 压超过规定上限的情况，严重地影响着送变电设备和用户设备的安全运行。这 就需要采取措施，以吸引多余的无功和调节电压。通常，可考虑采用并联无功 补偿设备( 如：并联电抗器、同步调相机、静止补偿器等) 来吸收剩余的无功功 率，但增加了设备投资，且在运行使用上有一定的局限性。从经济运行的角度 考虑，利用发电机( 特别是大容量汽轮发电机) 在系统负荷处于低谷期间进相运 行是一项切实可行的方法，不需要额外增加设备投资，只要改变发电机励磁运 行工况，使发电机在发出有功功率的同时，吸收系统的无功功率，即可达到平 衡系统无功功率和调整系统电压的目的，社会效益和经济效益十分显著。发电 机的进相运行便是在这种情况下提出的【2 2 1 。 1 2 发电机进相运行的必要性 随着大机组、大容量的电厂并网运行和电力远送，输电线路绵延伸长，电 网的电压等级相应提高。1 9 7 0 年以来，国内各电网普遍由1 1 0 k v 级的小电网 发展成为全省或跨省的大电网，5 0 0 k v 的变电站也相继投入运行。在一些电网 中，当电力负荷处于低谷( 例如节、假日，午夜后) 或枯水期水电厂机组停运 时，在轻负荷的高压长线路和部分网络中，可能会出现由充电电流引起的运行 电压升高甚至电压超过上限的情况，并且有日趋严重之势，这不但破坏了电能 质量、影响电网的经济运行，也威胁电气设备特别是磁通密度较高的大型变压 器的运行以及用电安全。因此，急需寻求有效的降压措施。适时将发电机进相 运行，即能降低电压，抑制和改善网络运行电压过高的状况。该技术措施易于 实现，。运行操作方便、灵活，可获得显著的经济效益【2 3 j 。 下面从大电网运行特点和电网调压方式，说明发电机进相运行的必要性。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 1 当前大电网的运行特点 迅速发展的电力工业和不断提高的电机制造技术，促进了陆续投产的发电 机日趋大型化；区域电力联网使电网不断扩大；为了满足远距离输送电能的需 求，输电线路的电压等级不断提高；现代化的城市建设要求高电压供电网络电 缆化等等，形成了现代电力系统具有大机组、高电压、大电网的特点，相应 地，电网充电功率增多【2 4 1 。单就输电线路而言，充电电容电流和无功功率与线 路参数的关系如式( 1 1 ) 所示 j i c = u c o c o ( 1 - 1 ) 【s c = 3 u i c 式中：0 为输电线路每相充电电容电流；为三相充电无功功率；u 为线路 额定相电压；c 。线路单位长度的等效电容；三线路长度。 式( 1 1 ) 表明，输电线路的充电无功功率与其运行电压和线路长度成正比。 其每公里的充电无功功率值，对于电压为1 1 0 k v 级的线路约为3 4 k v a r ；2 2 0 k v 级的约为1 3 0 k v a r ；3 3 0 k v 级的约为4 0 0 k v a r ；5 0 0 k v 级的线路充电无功功 率则高达1 0 0 0 k v a r 。而电缆线路的充电电流和充电无功功率比同电压等级的架 空输电线路大得多。 为了弥补高峰负载时无功的不足，电网中装设了大量分散的静电电容器。 这些电容器接入电网后，通常既不能调节也不能断开，使得电力系统中的充电 无功功率增加。在电网高峰负载时，这些充电无功功率可以改善电网的功率因 数，提高发电机的出力。但在电网低谷运行时，充电无功功率可能会超过感性 无功功率，造成充电无功功率的大量过剩。当电力负荷处于低谷时，轻载长线 路或部分网络的容性无功功率可能超过用户的感性无功负荷和网络无功损耗之 和，以至会因电容效应引起运行电压升高，甚至造成某些枢纽变电站的母线电 压超过规定的上限值，给用户和电网运行都会造成严重的危害。 1 2 2 系统电压的调节 在电能质量指标中，电网的频率受有功功率平衡的影响，而电压主要受无 功功率平衡的影响。随着电力负荷的波动及电网接线和运行方式的改变，电网 的频率和各点的电压也是经常变化的。因此，调整网络有功功率和无功功率的 平衡，以保证电网频率和各点电压值合格，是电力系统运行的重要任务【2 5 1 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 系统电压的调节与控制，是通过对中枢点电压的调节与控制来实现的。根 据电网结构和负荷性质的不同，在不同的电压中枢点采用不同的调压方式。目 前电网采用的调压措施有： 1 增减无功功率调压。例如调整发电机、调相机和静止补偿器的无功功 率，投、切并联电容器或电抗器进行调压。 2 改变有功和无功功率的分布调节电压。例如停电调节或带负荷自动调节 变压器分接头，以改变电网功率分布调整电压。 3 改变网络参数调压。例如串联( 电容器) 补偿，投、切并联运行的线路或 变压器等实现调压。 4 发电机进相运行改善电压质量。调节发电机的励磁，使发电机在发出有 功的同时，吸收系统过剩的无功，以降低电网电压。 与其它方法相比，发电机进相运行安全、简便、灵活，且经济性较高，具 有如下优点： 1 手段简洁有效，降低系统电压的效果较为明显。山西电网对潭泽电厂 2 1 0 m w 汽轮发电机组、神头电厂2 0 0 m w 汽轮发电机组、太原第一热电厂 3 0 0 m w 汽轮发电机组进行的进相运行试验研究表明：每调整10 0 m v a r 的无功可 使电网附近地区变电站母线电压变化2 k v 左右，进相运行机组所在电网母线电 压变化3 k v 左右。山西电网如有5 台2 0 0 m w 汽轮发电机由迟相0 9 7 功率因数运 行变为进相0 9 7 功率因数运行，即可平衡掉系统5 0 0 m v a r 的无功 2 6 - 2 8 】。 2 响应准确灵活。在发电机自动励磁调节器投入的情况下，当电网潮流变 化时，根据系统电压的变化趋势，发电机的励磁系统将会自动调节励磁电流， 从而增加或者减少发电机的无功输出，甚至进入进相运行状态，使电网电压基 本保持不变。由于利用发电机调压方便灵活，无级调压的效果优于普通电抗、 电容调压，因此特别适用于系统潮流方式变化频繁的情况。 3 节约设备投资。发电机进相运行不仅可以节省电抗器及其附属设备的一 次性投资，还可节省电抗器的运行及维护费用。以湖南省网5 0 0 k v 系统为例， 如果五强溪电厂不进相，要解决电压长期过高的问题，则必须在岗市或五强溪 加装1 组1 5 0 m v a r 高压电抗器，需投资约3 0 0 0 万元。而利用五强溪机组进相在 满负荷下也只需开2 台机就可达到同样的补偿效果，并且对系统潮流更为有 利。另外，由于发电机是双向可调的，不但进相可以调压，而且反过来还可升 压，因此电容器也可不装或少装。两项合计可节省5 0 0 0 万元以上的投资【2 羽。 4 减少有功损耗，降低厂用电。一台6 0 0 m w 机组在负荷低谷时进相运 行，每年可以减少的电抗器有功损耗高达8 0 0 0 m w h 左右。一台6 0 0 m w 机组进 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 相运行年可节约厂用电3 0 0 0 m w h 左右【2 9 l 。 发电机进相运行是满足电力生产需要而采用的切实可行的运行技术，是扩 大发电机运行范围、增加电网调压能力、改善电网电压现状的有效措施。该方 法操作简便，在发电机进相功率限额范围内运行可靠，其平滑无级调节电压的 特点，更显示了它调节电压的灵活性。能源部1 9 8 9 年1 2 月在北戴河召开的第 五次全国电机专业会议上，对此评价为：在当前作件下，发电机进相运行改善 电网电压质量是有效而又经济的必要措施之一。 1 3 国内外发电机进相运行概况及相应规定 1 3 1 国内外发电机进相运行概况 上世纪5 0 年代初期，国外即开始研究并实施发电机进相运行，较好地解 决了电网电压的质量问题。例如，1 9 5 4 年美国对一台1 2 9 3 7 5 m v a 的发电机做 了进相运行试验。上世纪6 0 年代末和7 0 年代初期，随着大机组的投入和电网 发展与运行需要，许多国家对发电机进相运行做了大量有成效的试验研究工 作。例如，日本首次进相试验是1 9 6 1 年在一台容量为2 2 4 m v a 的发电机上完 成。继后，一又对五井l 号机( 1 6 9 6 m v a ) 、新江别2 号机( 1 6 0 m v a ) 、新名古屋 4 号机( 2 8 1 6 m v a ) 等完成进相运行试验并发表了研究结果。国外一些电机制 造厂的产品技术条件中，对发电机进相运行的范围作出了明确的规定，一些国 家还依据有关的运行经验，作出了一些具体规定，其内容归纳如下【3 0 1 ： 1 原苏联、美国、意大利规定：发电机应能在额定有功功率时，具有在 c o s t p = 0 9 5 ( 超前) 进相运行的能力。 2 日本规定：所有汽轮发电机必须具有在额定容量时，能够在 c o s q = o 9 5 ( 滞后) 长期运行的能力；在c o s t p = 0 时所吸收的无功功率能达到 o 5 倍额定容量的能力。 3 法国规定：汽轮发电机必须具有在额定有功功率时，吸收的无功功率能 达到0 3 5 倍额定容量的能力。 1 3 2 国内外有关进相运行的规定 我国于1 9 8 9 年颁布的电力系统电压和无功电力技术导则中明确规定“新装 机组应具备在有功功率为额定值时，功率因数进相0 9 5 运行的能力”和“对已 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 投入运行的发电机，应有计划地按系列进行典型的吸收无功电力能力试验，根 据试验结果予以应用。根据1 9 8 0 年国际大电网会议的资料显示：美国、日 本、前苏联、英国、意大利等国早已规定发电机在额定有功功率下，功率因数 为0 9 5 ( 进相运行) 时，应具有吸收无功功率的能力。 发电机进相运行是一个综合性问题，进相运行能力受到几方面因素的限 制。由于发电机进相运行问题的复杂性，从理论角度来看，对于进相运行问题 的研究，涉及到电机学、电磁学、传热学、流体力学和空气动力学等多个学科 的知识、是一个理论性强、涉及面广、具有重大应用价值的跨学科的研究领 域。因而对于发电机进相运行进相深度和稳定性的研究仍在进一步发展中。 1 4 本文的主要研究内容 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”( 编 号：5 0 5 7 7 0 1 2 ) 的一部分，主要对能量变换器的进相运行极限做基础性的分析 研究。 1 进相运行时的限制因素以及相应的技术措施。 2 分析确定能量变换器的静稳定边界及进相运行时的静、动态稳定性。 3 分析能量变换器的无功调节对其运行状态的影响。 4 利用m m l a b s p s 建立了能量变换器的仿真模型，对能量变换器由迟相 转为迸相运行时进行仿真，得出定子电压，定子电流，功角等主要物理 量的变化规律和影响能量变换器进相深度的因素。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章能量变换器进相运行时的静稳定性分析 2 1 引言 静态稳定问题是研究在某一稳态运行方式时，电机是否能够保持同步运行 的问题。假如电机在此稳定运行方式时，经受极其微小的干扰后，不能恢复到 原来的稳态运行状态，则认为是不是稳定的。反之，当此极其微小的干扰去掉 后，电机仍能恢复到原来的稳态运行情况时，即认为电机在此稳态运行方式时 是稳定的。能量变换器是一种可直接并网的新型高压发电机，为了分析进相运 行对电机静态稳定性的影响，本章将对能换变换器样机静态稳定性进行分析研 究。 2 2 进相运行的限制因素和相应措施 发电机进相运行是目前解决电力系统电网运行电压过高的主要措施，但由 于它是在欠励状态下运行，可能带来稳定裕度低、定子端部结构件温度高、机 端电压低( 并导致厂用电电压低) 等一系列的问题，因此发电机在进相运行时， 要受到某些条件的限制，应根据限制条件确定其进相运行能力。 2 2 1 发电机进相运行的限制因素 2 2 1 1 发电机机端电压下降对进相范围的限制发电机进相运行时，发电机机 端电压下降，导致厂用电电压相应下降，从而影响厂用电系统的正常运行，所 以必须限制厂用电电压下降的幅度。因此，在迸相运行时，发电机的厂用电电 压应保持在额定值的9 0 以上，相应的发电机机端电压也应保持在额定值的 9 0 以上。 2 2 1 2 发电机定子电流对进相范围的限制由于进相运行时，发电机定子电压 下降，导致发电机定子电流升高，所以在同样功率因数下，迸相运行时定子电 流要比迟相运行时大。因此，进相运行时必须注意发电机定子电流越限问题。 2 2 1 3 静态稳定性对进相范围的限制当发电机在某恒定的有功功率进相运行 时，由于励磁电流降低，因而其静态稳定的功率极限值减小，降低了静稳定储 备系数，即该机静稳定能力降低，所以需要注意静态稳定极限对进相范围的限 哈尔滨理_ t 大学工学硕_ i ：学位论文 制 3 1 3 8 。 2 2 1 4 定子端部铁心温升的限制因为进相运行时定子和转子绕组端部的漏磁 场加强，造成电机端部的合成磁感应强度增高，并相对定子以同步速度旋转， 在定子端部铁心齿部、压指、压板等部件中要感应出涡流和磁滞损耗使之发 热，引起温度升高。特别是发电机的单机容量提高后，线负荷提高，定子端部 的发热更为严重。若发电机定子端部温升过高，将导致端部结构部件变形或损 坏，绕组和铁心松动，端部绝缘磨损加快，绝缘老化速度加快，并可能导致定 子绕组绝缘击穿，引起绕组接地或相间短路等故障，所以需要监测定予端部铁 心温升对进相范围的限制。只有满足这些限制因素才有条件进行进相运行，才 可以保证发电机组和系统的安全稳定运行，达到既不影响机组正常运行，又能 有效调节系统电压的目的。 2 2 2 采取的技术措施 在实际的发电机进相运行中，为提高发电机进相运行的深度可采取下列措 施。 2 2 2 1 调整变压器分接头可增大机组的进相容量根据调压计算结果表明，只 要调整电源主变压器分接头，就可能增大相应机组的进相容量，且满足机端电 压要求。如：长兴二厂、长兴电厂、钱清电厂和台州电厂的主变分接头向下调 整一档( 调低高压侧电压) ，在满足机端电压要求的同时，不同程度加大了机组 进相深度。 2 2 2 2 采用自动励磁调节器可使进相稳定运t p 3 酏h 匕力增加手动励磁方式下发电 机可进相的深度是非常有限的，这种运行方式严重制约了发电机的进相能力。 采用自动励磁调节器后，不但可使功角特性的电磁功率幅值显著地增大，使稳 定极限扩大到“人工稳定区”的区域，从稳定的角度来说大大地提高了进相能 力。另外，它设有按发电机p - q 曲线考虑的低励限制模块，低励限制就是为了 发电机进相运行而设置的一种静态稳定性保护措施，低励限制值考虑了发电机 的静稳定极限，也保留了相当大的余量。总之，自动励磁方式下发电机的静态 稳定边界大大扩展，且机组的安全性也得到增加，使静态稳定性不再成为进相 运行的主要限制条件b 刚。 2 2 2 3 减少端部损耗和温升的措施电机制造时对定子端部温升的改善措施： 1 电屏蔽在端部设置一个屏蔽，以阻止磁通进入端部金属构件和铁心， 特别是垂直于磁钢片表面的磁通，这就是电屏蔽。电屏蔽环是用铜和铝制成， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 一是借助铜和铝的低电阻率降低损耗；二是利用电屏蔽上的涡流形成反磁场以 抵消或削弱端部构件上的漏磁场，使金属构件上的温度降低。 2 磁屏蔽磁屏蔽就是在定子铁心( 铁心设计有效长度) 的外面，仍用导磁 较好的硅钢片做成椎形磁屏蔽层，即用定子铁心同样的冲片，分组地把内圆齿 部剪去一部分，使从端部来的大部分漏磁通变成为与定子轴线垂直方向的径向 漏磁通，从而降低端部损耗，同时也可以降低温度。 3 分割涡流回路降低损耗在铁心端部的齿上开槽，可以减少涡流的流通 面积，从而减少损耗，起到硅钢片变薄时的同样效果。 4 增加端部漏磁通的磁阻转子两端护环采用非磁性材料，据文献记载， 采用非磁性护环的温升可较磁性护环的温升减少到5 0 ，同时可使定子端部齿 和压指温升降到7 0 以下。定子铁心边端采用阶梯形，相当于增大了定、转子 间隙，从而达到增加磁阻、减少齿顶部磁通、降低齿顶温度的目的。 5 端部构件采用非磁性材料定子铁心的指压板、压圈和绕组支撑环及附 件采用非磁性材料，既可避免漏磁集中而产生的局部温升，又增加了磁阻、减 少了损耗、降低了端部温升。 6 加强冷却为了加强端部磁屏蔽和主铁心的边段铁心冷却，发电机铁心 可设有轴向通风道，在磁屏蔽处可设有数道径向通风沟，在边段铁心还可设有 径向通风沟，与轴向通风道相隔离。 2 2 2 4 运行时定子端部温升的限制措施 1 进相运行发电机的负荷规定目前，对发电机进相运行能力还没有统一 标准，国际大电网会议旋转电机工作组建议“对所有短路比不低于0 4 的发电 机，在功率因数为o 9 5 、吸收无功功率的情况下，应能在额定有功功率下运 行”。对每一台发电机，电机制造厂也会提供其安全运行曲线，即p q 图。发 电机进相运行时，有功功率p 和无功功率q 一定要在发电机的p q 图范围内，并 密切注意监视发电机的端部温度。 2 对定子端部温度的监测运行中为保证发电机内部各点温度不超过对应 的允许温度，可在发电机上安装一套连续监视的测温系统。温度传感器埋设在 定子铁心、定子线棒、定子引出线、冷却器外，用于监视端部结构件的温度， 可将这些温度传感器引至机座腹部的测温接线板上。测出的温度均送到计算机 中通过屏幕显示或由打印机打印，对超限温度还可以通过计算机进行报警1 3 1 1 。 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 2 3 能量变换器样机静态稳定性研究 研究能量变换器迟相运行时的静稳定问题，是按功角特性确定的。发电机 进相运行是处于同步低励磁状态，其与电网同步稳定运行的充分必要条件( 即 p 静稳定判据) 同样是按功角特性确定的，即要求整步功率等 0 。当能量变换 d 6 器在某恒定的有功功率进相运行时，由于励磁电流较低，因而其静稳定的功率 极限值减小，降低了静稳定储备系数，即该机静稳定能力降低。 2 3 1 能量变换器稳态运行时的电磁功率 当能量变换器处于稳态运行状态时，电势、电压、电流派克分量全属定值 直流分量，而且其中的零轴分量全为零。 在这种运行方式下，励磁绕组电流只取决于励磁电压，而励磁电压又为定 值，因此励磁绕组电流也为定值直流，即 u r z ，2 二 j r f ( 2 1 ) 励磁绕组和正、交轴等值定子绕组电流都为定值直流，它们所产生的磁场 也都属于恒定磁场，与这些绕组相对不动的正、交轴阻尼绕组中也就不会感生 电流，也即在此种情况下有 i o = 0 f q = 0 考虑到以上的情况，可列出稳态运行时的磁链方程如下 l f ，d l f ，g f 哔d l f ，q x d 0 一x x a d 0 0 一x q 0 0 一x d q x a d 0 i d ，q o x a q 忙 。场 。忙 勃勃 o ll o oo 托j 【- o ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 由于屯、f 。、f ，为定值直流，= i q = 0 ，电压方程中的脉变电势都为 零，再考虑到同步电机运行时= 1 ，可以得到稳态运行时的电压方程如下 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 x g r o 可以得到用派克分量表示的三相输出有功功率和无功功率的表达式为 p = u d i d + u q i q q = u q i d u d i g 由于稳态运行时易= 吻f ，因此由式( 2 - 5 ) 可以得到 ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ：竺牟删( 2 - 8 ) d 一1 一 ，4 - x d x 口 ；一x d u d + r ( e q 一甜q ) _ 2 7 蒂 式中的电压用a b e 坐标系统中的电压量表示可得到 ( 2 9 ) = 竺专掣 p 乞：x d u s i n 8 + 了r ( e q - u c o s s ) ( 2 - 11)1 = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 g r 2 x d x q 式中：6 为功角。 将式( 2 - 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 代入式( 2 6 ) 和式( 2 - 7 ) 可以得到稳态运行时输出有功功率 和无功功率的表达式如下 ：乞砜。s i n 6 + 了u 2 ( 勤一x q ) s i n 2 6 肚_ 专i 一 ( 2 1 2 ) 1j 白0 l1j o 知0 r 勤) 吖 吖o 。l = 1_1 蚴吁 等 堡， 乞一 哈尔滨理工火学工学硕士学位论文 乞c 。s 6 + 譬( 勤一) c 。s 2 6 一譬( 勤+ x q ) 一毛狮s i i l 6 q = l 下一( 2 - 1 3 ) r 七x d x 口 略去定子绕组电阻时，上式功率表达式可简化为 尸：型s i n 6 + 挚二业i n 2 6 ( 2 - 1 4 ) x d 2 x a x q q ：型c 。s 6 + - u 2 ( x d - x q ) c 。s 2 6 一_ u 2 ( x d4 x q ) ( 2 - 1 5 ) x d 2 x a x q2 x a x q 2 3 2 能量变换器直接与无穷大电网相连时的稳态运行功率特性 在式( 2 - 1 2 ) 、( 2 1 3 ) q j 代入表2 1 能量变换器样机的相关参数数据即可以得 到能量变换器样机的静态功角特性曲线，如图2 1 所示。 o 鼍 g 得 探 挥 限 ， 姗 盘 怒 如 图2 1 能量变换器样机直接与无穷大电网相连时的功角特性 f i g 2 1t h ep o w e ra n g l ec h a r a c t e r i s t i cc h i v e so f t h em o d e lo f p o w e r f o r m e r w h i c hd i r e c t l yc o n n e c tw i t hi n f i n i t e b u ss y s t e m 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表2 1 能量变换器样机的参数 t l b l e2 - lp a r a m e t e r so f t h em o d e lo f p o w e r f o r m e r 参数标幺值 ，0 0 1 6 3 8 0 0 0 0 6 6 2 8 9 0 0 0 5 6 0 0 4 9 龟 0 9 0 5 4 6 x d 0 4 5 3 0 6 x g 1 1 0 2 x f 1 2 9 2 9 x d 0 3 5 9 2 6 x ： 0 1 9 6 0 0 4 0 3 0 0 5 9 2 3 3 考虑能量变换器与无穷大电网实际相连时的稳态运行功率特性 实际电网中发电机是经过变压器和高压输电线并入电网的。如图2 2 所 示，发电机是经外部阻抗五后并入无穷大电网的，为变压器与线路的阻抗之 和。 g u = c o n s t 无穷大电网 x d ) ( q 图2 - 2 发电机与系统的接线图 f i g 2 2d i a g r a mb e t w e e ng e n e r a t o ra n ds y s t e m 这时，发电机的端电压不再是常数，而是随负荷变化的。图2 3 是能 量变换器经过系统外部电抗z 与电网并联运行的电压相量图。图中占角是发 电机电势忘与端电压玩的夹角，