（电力系统及其自动化专业论文）电能质量扰动对大型汽轮发电机的影响及分析.pdf

兰至鎏垩三銮兰三兰堡圭兰竺鎏奎 e l e c t r i c a l e n e r g yq u a l i t y p e r t u r b a t i o nt o l a r g e s c a l et u r b o g e n e r a t o ri n f l u e n c ea n da n a l y s i s a b s t r a c t t h el a r g e - s c a l eg e n e r a t o ri st h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mc o r e ，i se x t r e m e l y i m p o r t a n ta n dt h ee x p e n s i v ee q u i p m e n t ，i t sm o v e m e n tr e l i a b i l i t yt ot h es y s t e m n o r m a lo p e r a t i o na n dt h eg u a r a n t e ee l e c t r i c a le n e r g yq n a l i t yd o w nt ot h ee n t i r e s o c i e t y ss a f eh a n d l i n ga l li sp l a y i n gt h ee x t r e m e l yv i t a lr o l e l a r g eg e n e r a t i n g u n i t sw i l lb es u b j e c tt ot h ei m p a c to fv a r i o u ss p e c i a lo p e r a t i o na n df a u l t s i th a s v e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a lv a l u ea n dp r a c t i c a lm e a n i n gi ne n g i n e e r i n gt om a k e d e e pc a l c u l a t i o na n da n a l y s i so nt h et r a n s i e n tb e h a v i o u ro fp o w e rs y s t e mu n d e r d i s t u r b a n c e s s y s t e m a t i ca n a l y s i sf o rt r a n s i e n tp r o c e s s e so fm a c h i n e sa n dt h e p o w e rs y s t e mt o u c hu p o nm e s he q u a t i o n ，e l e c t r i cm a c h i n ee q u a t i o n s ， m e c h a n i c a le q u a t i o n so fs h a f t s y s t e m ，w h i c hi sc o m p l i c a t e d t a k i n gt w o t y p i c a l d i s t u r b a n c e sa st h r e e p h a s es u d d e ns h o r tc i r c u i ta n dh a r m o n i c sa s e x a m p l e s ，t h ed i s s e r t a t i o nh a sas t u d yo nt r a n s i e n tb e h a v i o u ro fm a c h i n e sa n d t h ep o w e rs y s t e mu n d e rd i s t u r b a n c e s i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ei n f l u e n c e s eo nt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h et y p i c a l e l e c t r i cp o w e r t u r b og e n e r a t o ru n d e rn o ni d e a lc o n d i t i o n ss u c ha st h r e ep h a s e s u n b a l a n c ea n dh a r m o n i c s t h r o u g ht h et u r b o g e n e r a t o rc o n c r e t es t r u c t u r ea n dt h e m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s ，s y n t h e s i z e st h ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h r e s u l t sa sw e l la sc o r r e l a t i o nr e s e a r c hf o u n d a t i o ni nm a n yy e a r s ，f r o mt h e m a g n e t i cf i e l dt h e o r y ，t oa n a l y s i sa n dc a l c u l a t em a g n e t i cf i e l ds i t u a t i o ni nt h e d i f f e r e n te l e c t r i c a le n e r g yq u a l i t ys i t u a t i o n t h et r a n s i e n te l e c t r o m a g n e t i cf i e l do f t u r b o g e n e r t o ra r ec a l c u l a t e db yt i m e s t e p p i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o du n d e rt h r e e p h a s es u d d e ns h o r tc i r c u i t t h eh a r m o n i cc o m p o n e n t so fs h o r tc i r c u i tc u r r e n t a r ea n a l y s e d ，t h e 仃a n s i e n ts t a t o rc u r r e n ta n dt r a n s i e n tp a r a m e t e r sa r ed e r i v e d w i t ht h er o t o rd a m p i n gs y s t e m ss i m u l a t e db yo n et w oc i r c u i t s f i n a l l y ，t a k i n ga 6 0 0 m w t u r b o g e n e r a t o ra sa ne x a m p l e ，t h em e t h o do fd e t e r m i n i n gt h et r a n s i e n t r e a c t a n c e sa n dt i m ec o n s t a n ti s p r e s e n t e d i na d d i t i o n 。a c c o r d i n g t ot h e i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 e l e c t r i c a ln e t w o r kh a r m o n i c sc h a r a c t e r i s t i c , c h a n g e su s i n gf o u r i e rt oi tc a r r i e s o nt h es e p a r a t ea n a l y s i st oi t ，h a sc a l c u l a t e dt h eh a r m o n i c st ot h em o t o r f i e l d i n f l u e n c e k e y w o r d su r b o g e n e r a t o r ：p o w e rq u a l i t y ：h a r m o n i c s ：t r a n s i e n tb e h a v i o r ： t i m e - s t e p p i n gf e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) i i i 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电能质量扰动对大型汽轮 发电机的影响及分析，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：王晓之 日期：2 0 0 7 年3 月9 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 电能质量扰动对大型汽轮发电机的影响及分析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。 不保密一。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：王或吏 日期：2 0 0 73 月9 臼 导师签名： l 霸硼 q 日期：2 0 0 7 年3 月9 日 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着时代的进步与科技的飞速发展，现代电网与负荷构成出现新的变化趋 势，由此带来的电能质量问题越来越引起电力部门和电力用户的高度重视。一 方面，冲击性负荷、非线性负荷使电网出现诸如波形畸变、电压闪变、电压暂 降等较为严重的电能质量问题；另一方面，人们所使用的精密和复杂电子设备 也要求高质量和高可靠性的电能供应。电能质量定义为导致用户设备失效或不 能正常工作的电压、电流或频率偏移。电能质量是众多单一类型的电力系统干 扰问题的总称。深入理解现代电能质量问题，从技术、经济和运行管理等方面 加大力度，保证优质供电，以最小程度减少对现代工业企业和重要电力用户的 影响，既是电力用户对电网运行提出的必然要求，也是信息时代提出的新挑 战。 电能质量问题的重要性日益突出，引起了广大电力工作者的重视。国际供 电会议组织( c i r e d ) 第1 6 届轮值主席c o n n e r o t t e 先生在c i r e dk l 2 0 0 2 大会 的专题发言中，把电能质量问题列为当前国际供电界关注的首要技术问题。近 年来，电能质量问题已提到了一些经济发达国家( 或地区) 电力公司的议事日 程。巴西、澳大利亚、马来西亚、新加坡及香港等电力公司与欧美发达国家一 样十分重视电能质量，成立专门机构负责电能质量管理，做了大量工作，解决 用户电能质量问题。 目前，世界各国对电能质量的定义都不完全相同。从不同的角度来看，对 电能质量会有不同的理解。从供电角度看，电能质量是指供电的参数符合标准 及供电的可靠性；从用电设备生产商的角度看，电能质量是指提供设备所要求 的电能特性；从用户角度看，电能质量问题是指一切会引起用电设备运行故障 的供电电压、电流及频率的异常扰动。i e e e 给出电能质量问题的一般解释为 在供电过程中导致电气设备出现误动作或故障损坏的任何异常现象，如电压凹 陷、过电压、暂态、谐波畸变和电气噪声等。事实上，电能质量问题终究是由 电力用户的生产需求驱动的，因此，电能质量的优劣，电力用户的衡量标准将 占主导地位【2 j 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的及意义 1 2 1 电能质量的重要性 随着用电负荷日趋复杂化和多样化，大量具有非线性、冲击性和不平衡特 征的负荷造成供电网电能质量的恶化；同时，现代工商业大量使用计算机系 统、机器人和快速发展的高新技术产业对电能质量和供电可靠性要求却越来越 高，据美国电力科学院粗略估计，当今和电能质量相关的问题在美国每年造成 的损失就达2 6 0 亿美元p 】。为了保护供电和用电双方的利益，必须将电能质量 指标限制在一定的范围之内。为此，国家技术监督局从1 9 9 0 年至2 0 0 0 年制定 并颁布了六个电能质量标准，由此可以看出电能质量的重要性，其主要表现在 以下几个方面： 1 现代用电设备对电能质量的要求比传统设备更高。许多新的电器和装 置都带有基于微处理机的控制器和功率电子器件，它们对各种电磁干扰都极为 敏感f 4 l 。 2 电力用户已提高了对电能质量的认识，正在了解如供电间断、电压凹 陷、电路通断引起的暂态现象等实际问题p i 。为满足高效率生产流程的需要， 维护用电设备的正常运行，越来越多的用户向电力部门提出了高质量供电的要 求，甚至通过签订供电合同和质量协议的方式以获得保证。 3 电力网的各部分都是相互联系的，因此综合协调处理至关重要。任何 一个局部的故障或事件都有可能造成大面积的影响，甚至是重大损失，这迫使 供电部门在保证向用户提供优质电力的同时，还需要极力避免因用户设备产生 的电力干扰，维护电网安全运行，因此电能质量已经成为一项系统工程问题。 4 电网电能质量的恶化造成严重的经济损失。例如，半导体制造业对于 当今经济社会是十分重要的，一个芯片的生产过程需要较长的时间，但是一个 持续8 0 毫秒的电压暂降就会造成上百万美元的损失，对于与我们日常生活息 息相关的塑料、化工业来说，他们使用大容量的电机及驱动装置，而且生产工 艺过程需要连续不断的运行，这时，一旦电能质量不能达到要求而使生产中 断，就需要花费很长的时间来重新启动，在这个过程中，数十万美元的损失就 不知不觉的造成了。而电能质量对于商业及数据处理中心的正常运行是至关重 要的，一个短暂的电压暂降或电压中断就会使他们丢失很多重要的数据，给国 民经济带来无法估量的损失。所以，从根本上看，由于电能质量对于经济的发 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 展有着重要的作用，电能质量对于每行每业乃至每个国家都是至关重要的1 6 1 1 7 1 。 1 2 2 电能质量的相关标准 电能质量标准是用来衡量电能质量各个指标优劣程度的尺子，是用来判别 电能产品质量的依据。随着电网情况、用户情况与供电时间的不同，电能质量 的标准在不断变化。同样，由于地域不同，电网的情况以及用户情况也存在着 差异，因而电能质量的标准也就不同，各国的电能质量标准就存在着各种差 异。 1 2 2 1 中国电能质量标准 中国国家技术监督局相继颁布了涉及电能质量六个方面的国家标准，即： 供电电压允许偏差，供电电压允许波动和闪变，供电三相电压允许不平衡度， 公用电网谐波，供电频率允许偏差以及暂时过电压和瞬时过电压等的指标限 制。虽然这些标准还不够完善，但是这些标准的制定与实施对我们国家的电能 质量监管、治理起到了积极作用1 8 1 1 9 1 1 m 1 1 “i 。 1 供电电压允许偏差标准( g b t 1 2 3 2 5 2 0 0 3 ) 该标准是g b l 2 3 2 5 9 0 的修订版，它分别就3 5k v 及以上，l ok v 及以下 三相供电，2 2 0 v 单相供电电压允许偏差作了如下规定： ( 1 ) 3 5k v 及以上为正负偏差绝对值和不超过1 0 ； ( 2 ) 1 0 k v 及以下三相供电为7 ； ( 3 ) 2 2 0v 单相供电为+ 7 1 0 。 标准还规定了供电点( 衡量点、监测点) 为供电部门与用户的产权分界处 或由供用电协议所规定的电能计量点。 2 电压波动和闪变标准( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 该标准是在原来标准g b l 2 3 2 6 9 0 的基础上，参考了国际电工委员会( i e c ) 电磁兼容( e m c ) 的标准i e c 6 1 0 0 3 7 等修订而成的，适用于电力系统正常运 行方式下，由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能引起人 对灯闪明显感觉的场合；标准规定了电压波动和闪变的限制值及测试、计算 和评估方法。 3 公用电网谐波标准( 6 b t 1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) 该标准规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次奇次电压含有率和各单 次偶次电压含有率的限制值( 详见表1 1 ) 。还规定了电网公共连接点的谐波电 流( 2 2 5 次、注入的允许值；而且同一公共连接点的每个用户向电网注入的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之 比进行分配，以体现供配电的公正性。 表l - l 电网公共连接点的谐波电流( 2 - 2 5 次) 注入允许值 t a b l ei - 1e l e c t r i c a ln e t w o r kp u b l i c j u n c t i o nh a r m o n i cc u r r e n t ( 2 - 2 5 ) 电网标称电压电压总谐波畸变率奇次谐波含有率偶次谐波含有率 ( k v )( )( )( ) o 3 85 o4 02 o 6 1 04 o 3 2 1 6 3 5 6 63 02 4 1 2 1 1 02 o1 6o 8 4 三相电压不平衡度标准( g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 该标准适用于交流额定频率为5 0h z 电力系统正常运行方式下，由于负序 分量而引起的p c c 点连接点的电压不平衡。针对电力系统正常运行工况下， 由于负序分量而引起的三相电压不平衡，主要规定如下( 不分电压等级) ： ( 1 ) 正常电压不平衡度允许值为2 ，短时不得超过4 。 ( 2 ) 每个用户在p c c 引起的电压不平衡度允许值一般为1 3 ，根据电网 具体情况，可以适当变动此限值，但必须满足( 1 ) 的规定。 5 电力系统频率偏差标准( g b t 1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 该标准规定了正常运行情况下电力系统频率的允许偏差值及其测量仪表的 基本要求，同时对冲击负荷引起的系统频率变动作了规定，主要内容如下： ( 1 ) 电力系统正常频率偏差允许值为士0 2h z 。当系统容量较大时，偏差值 可以放宽到0 5h z 。 ( 2 ) 用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过0 2h z ，根据冲击负 荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值，但应保证近区电力网、发电 机组和用户的安全、稳定运行以及正常供电。 6 暂时过电压和瞬态过电压标准( g b t 1 8 4 8 1 2 0 0 1 ) 电力系统中因误操作、雷击和故障等原因，过电压是经常发生的，这是供 电特性之一。 当峰值电压超过系统正常运行的最高峰值电压时的工况叫过电压。在本标 准中按过电压的波形特点分为两大类。因为是过电压波形、幅值和持续时间决 哈尔演理工大学工学硕士学位论文 定了对设备绝缘和保护装置的影响。暂时过电压是指其频率为工频或某谐波频 率，且在其持续时间范围内无衰减或衰减慢的过电压。瞬态过电压为振荡的或 非振荡的，通常衰减很快，持续时间只有几毫秒且为缓波前的( 例如一些操作 过电压) 或几十微秒且为快波前的( 例如一些雷电过电压) 电压。 1 2 2 2 国外电能质量标准 国外电能质量标准的制定是从电磁兼容( e m c ) 的角度出发的。各种电气 设备之间以电磁传导、感应和辐射这3 种方式彼此关联，相互影响，在一定条 件下会对设备的正常工作和人类造成干扰和危害。 1 9 9 5 年，欧洲共同体在英国标准的基础上，颁布了一个电能质量标准 ( e n 5 0 1 6 0 ) ，称为公用配电系统供电电压特性，作为欧洲共同市场对 中、低压电能质量的统一标准。标准共分5 大类、1 3 项指标( 下列指标已在 i e c 6 1 0 0 0 系列标准中被确认) ： 1 频率偏差 ( 1 ) 在互联电网中： 合格率。 ( 2 ) 在孤立电网中： 合格率。 5 0 + 0 5h z ，一周9 5 合格率；4 7 5 2h z ，一周1 0 0 5 0 + 1h z ，一周9 5 合格率；5 0 + 7 5h z ，一周1 0 0 2 电压幅值 ( 1 ) 慢速电压变化( 即电压偏差) ：运行1 0m i n 平均值在一周内9 5 概率 大值。u n 3 5 k v ，u n l o u n 。 ( 2 ) 快速电压变化( 电压波动和闪变) ：l v 、5 u n ；m v 4 u n ，电压 变动一周内9 5 概率大值。 ( 3 ) 电压暂降：持续时间 o 5s ，跌落幅度 6 0 ，1 0 - - 1 0 0 次年。 ( 4 ) 短时断电：持续时间 3m i n ，7 0 的次数 3m i n ，1 0 - - 5 0 次年。 ( 6 ) 暂时工频过电压：低压：相电压 1 5 倍额定电压；中压：相电压电倍 额定线电压。 ( 7 ) 瞬态过电压( 持续时间 1 20 2 2 51 5 2 50 2 + 1 2 5 m 5 信号电压 事实上各国在制定电能质量标准时，均会权衡电力部门和用户两方的投入 比重，并受制于电力供求关系和技术经济发展水平。然而，对标准某一规定值 做出确切的技术经济估算几乎是不可能的，而且标准只可能具有统计意义上的 合理性。因此尽管电能质量标准至今尚未统一，但随着国际贸易的发展和各国 间技术交流的需要，标准的国际化趋势是不可避免的。 1 2 3 大型发电机在电力系统中重要作用 近年来我国电力系统已发展到以“大机组、超电压和大电网”为特点的阶 段，机组和电网的安全运行及稳定性问题变得越加重要。并且随着电力系统的 规模不断扩大，出现了大型电力系统的互连，整个电力系统也变得越来越复 杂，系统联络线较薄弱的环节则容易出现各种扰动。大型发电机组在电网中势 必要经受各种特殊运行方式和事故的冲击，一旦由某种原因造成电机在非正常 工况下运行，有可能造成电机轴系的损坏【1 2 1 1 ”】【1 4 1 。更严重的将危及电网的稳定 运行，甚至使系统瓦解，造成大面积停电，给国民经济带来很大的损失。 到目前为止，世界各国发电设备和发电量主要还是由火力发电( 包括燃 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 煤、燃油、天然气) 、核电和水电组成。中国和全世界的发电量约8 0 是由汽 轮发电机( 火电或核电) 提供的。预计到2 0 5 0 年，我国电力的6 5 ( 9 0 ) 仍是由 汽轮发电机发出f l ”。在不断发展的大机组、高参数、高度自动化的大电网中， 大型汽轮发电机的正常运行显得尤为重要。在发电机运行时如果能判断出发电 机的运行状态，进而进行及时的干预，可以避免更大的损失。因而，对发电机 的故障诊断与脏测就显得十分必要，尤其是现代化生产中使用的大型发电机， 如果出现故障不及时排除，将会造成难以挽回的损失。 随着汽轮发电机单机容量的不断增加，汽轮发电机热负荷也相应提高，从 而引起发电机各个部分温度升高，直接影响电机的使用寿命和运行的可靠性， 因此对于汽轮发电机的发热和冷却问题的研究显得日益重要，已经成为当前汽 轮发电机设计过程中最重要的问题之一。 电机的发热与冷却的研究始终是电机学科永恒的话题，对于大型发电机更 是显得尤为重要。电机的发热与冷却属于流体力学、传热学、电磁学和电机工 程等学科的综合研究，也是边缘学科，迄今为止，国内外在这方面所做的工作 还不多。随着计算机技术的飞速发展，使得大型汽轮发电机流体场、温度场、 电磁场、机械应力、各种电磁机械参数分析计算得以更加详细深入。例如可以 根据理论计算，进一步降低发电机内部杂散损耗的设计结构，降低发电机的事 故率、提高可靠性等。 1 3 国内外研究现状 大型电机在国民生产中起着至关重要的作用，国内外很多学者对其通风冷 却以及温度场、磁场的计算进行了大量卓有成效的研究工作。但是大型电机的 冷却的研究涉及到电磁学、流体力学、传热学和数值计算方法等多学科的理 论，因此对于大型电机的冷却研究的进步必定建立在这些学科理论的进步基础 之上。 其中，关于电磁场方面的研究现状：电磁学主要研究源( 电荷、电流) 与 场( 电场、磁场) 之间的相互关系和相互作用【1 6 l 。从1 8 7 3 年麦克斯韦总结了前 人的研究成果，建立了电磁场理论一直到今天，电磁场方面已经取得的很大的 成就。电磁场的研究主要采用有限元法，有限元法( f e m ) 的二维、三维解方 面已经有了很大发展，包括对稳态、时变场问题和非线性问题、运动媒质问题 等的处理【”1 s l ! ”】【2 “，对规范问题的正确理解等1 2 ”。用有限元法解决工程问题的 论文所占的比例最大。在电机的损耗的计算方面，e n i s a a c 等学者考虑在各相 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 异性情况下计算了铁芯损耗1 2 ”，还有一些学者计算了i u 机内的涡流【1 6 】【2 1 1 2 3 1 1 2 4 i 。 j u n gh ol e e 存考虑铁芯损耗以及饱和的情况下分析了电机的动念参数o i 。大 型发电机端部场的计算方面m l 【2 7 l 也取得了很大的进展。三维电磁场的数学模 型、周期性边界条件以及在电机中的计算方面也完成了很多的工作阱1 1 2 9 1 0 0 l 。在 电机的参数计算、优化设计的方面也有很多的研究性的工作1 1 3 2 1 1 3 3 l p 4 j 。 针对电能质量扰动对大型发电机磁场影响的研究问题，国内外也进行了研 究，但从h 前检索剑的文献，以及在幽际会议和以其它方式同国内外学者相互 交流的情况上看，相关的研究成果甚少。 在电机的损耗计算方而，f n i s a a c 等学者考虑在各相异性情况下计算了铁 芯损耗1 2 “，还有一些学者计算了电机内的涡流彤i 。j u n gh ol e e 在考虑铁芯损 耗以及饱和的情况下分析了电机的动态参数嗍。m a n x op d e t oa l o n s o 等学者 分析了谐波对电机的温升的影响m 咿“。r k r o k 对发电机在负载不对称情况下的 转子温度场都进行了计算【3 9 i 。国内学者汤蕴璎、张大为等对发电机定予温度场 进行了计算【4 0 1 1 4 i l i ”i i ”i i “。杜炎森、胡敏强等学者在求解温度场的理论方法和汽 轮发r u 机端部电磁场及温度场等方而作了大量的研究工作1 1 4 6 i 。汽轮发电机与 供电电源的相互作用引起电能质量扰动，有时会波及其他用户 4 7 1 1 4 ”。当发电机 运行在供电电压偏差情况下时，电压偏筹对电机定、转予温度场的影响也有相 关的研究m l 【”i 。由于电网谐波的存在，使电机铜耗和铁耗增加导致发热，同时 谐波磁场产生的磁场与基波磁场相互作用而产生脉动转矩川l ，这些脉动转矩造 成了更大的可闻噪声。对于三相不平衡情况对发电机的运行影响，早在三、p q 十年代，人们已丌始注意高压长线中加入串联补偿r 乜容所带来的影响 5 2 i 。 m o h a v e 电站事故之后，机网暂念过程的研究进入了一个蓬勃展j r 的阶段。为 了全而地分析事故，美幽成立了有政府参加的联合工作组，对次同步谐振进j j ： 了系统的理论分析、测试，并研制了监测装置。继美国之后，两德、英国、加 拿大、同本等幽家也丌始对机组扭振的研究。进一步的研究表明”3 】唧l ，不仪次 i 司步谐振会给发电机组轴系带来疲劳寿命损失，机网其它非正常运行情况， 如：输l u 线的丌关投切操作、负载不对称、各种突然短路、故障排除等都有可 能引起机组轴系扭振并带来疲劳寿命损失。西德发电设备联合公司( k w u ) 的 研究发现：电力系统重合闸过程力矩的迭加可能会产生比发电机机端两相短路 更大的轴系扭力矩，而后者足轴系设计时强度校核的准则。于是国内外围绕管 非正常运 r 情况下的机网暂态过程开展了广泛的研究工作阅嗣。 凶此，f ：展电能质量对电机扰动及电机内多物理场、耦合的研究具有重要 意义，这些场的研究是大型也机通风冷却设计的理论基础。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 4 本文主要研究内容 近年来随着科学技术的不断创新和国民经济的蓬勃发展，以及未来电力市 场的形成与推进，电力用户对电能质量的要求越来越高。由于各种原因，电能 质量并不是总能得到保障。中国和全世界的发电量约8 0 是由汽轮发电机( 火 电或核电) 提供的。预计到2 0 5 0 年，我国电力的6 5 ( 大约) 仍是由汽轮发电 机发出i is 】。因而，大型汽轮发电机的正常运行显得尤为重要。在发电机运行时 如果能判断出发电机的运行状态，进而进行及时的干预，可以避免更大的损 失。本文主要完成以下内容： 本文第一章对课题研究意义和电能质量相关内容进行了综述，并阐述了大 型发电机尤其是汽轮发电机的重要作用。讨论了该课题目前国内外研究的进展 和方向。 第二章首先对汽轮发电机磁场计算的各种有限元方法进行了介绍，并作了 分析、总结和比较。然后介绍了电力系统谐波的基本理论和谐波分析的基本方 法，根据谐波对电机的磁场的影响，进一步给出了谐波环境中几种热损耗的计 算。 在第三章中，根据电网电压不平衡时，同步发电机所处的非正常运行状 态，确定了不同状态的计算分析方法。本章讨论的非正常运行状态，即指比较 严重的不对称情况和暂态运行，前者采用对称分量法，后者本章采用时步有限 元法。并以一台6 0 0m w 汽轮发电机为例，计算了汽轮发电机定子在空载情况 下，三相突然短路时的瞬态电磁场，得到了定子电流随时间的变化曲线。另外 根据计算结果分析了其对发电机磁场的影响。 第四章中结合谐波理论，以及电力系统中谐波的特性和不同谐波存在概 率，描绘出几种典型谐波的存在图形。同时应用傅立叶变换进行离散，从而对 电网谐波时汽轮发电机的磁场进行分析，并得到了相应的磁场变化图形，这对 于汽轮发电机的设计有着很好的指导作用。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章汽轮发电机磁场计算和谐波理论 众所周知，大型同步发电机的结构非常复杂，再加上转子旋转的作用，使 得气体在定转子之间、或在定子和转子内的流动形态变得更加复杂。因此，电 机的发热与冷却问题的研究涉及到流体力学、传热学、电磁场理论和计算方法 等多种学科及领域。解决电机发热与冷却问题，需要进行大量的工作和深入的 研究。其中磁场的计算是基础。 为了使汽轮发电机内各部件上的温度保持在绝缘材料和金属材料所允许的 限度之内，必须将运行时汽轮发电机内部各部件上由于能量转换、电磁作用和 机械转动所产生的损耗，以热的形式传递到周围运动的冷却介质( 如空气、氢 气、油、水或其他介质等) 。可见损耗是磁场计算的一个方面，汽轮发电机磁 场计算主要是以磁路( 场) 设计为基础，通过多方案的磁路( 场) 计算、损耗 和效率计算、温升计算、电抗、时间常数及短路电流计算等，在满足用户对发 电机性能要求和最经济情况下，选定发电机的定子和转予铁心有效部份的尺寸 以及定子、转子线圈和绝缘铜线尺寸。 本章主要介绍磁场计算的有限元方法，同时也阐述了电网谐波分析的基本 理论问题，谐波是电网的公害，已经存在多年，它对电机的影响越来越不容忽 视。 2 1 汽轮发电机磁场计算的有限元方法 在电机电磁场的计算中有限元法己得到广泛的应用，并日益成为电机研究 者一种非常有用的工具。这种数值计算技术使得计算者能够研究那些由解析法 难以解决的问题。 一 在传统的汽轮发电机中，磁场计算主要采用磁路法，计算公式中的一些修 正系数不可避免地依赖于计算者的个人经验。有些局部效应例如磁路的饱和效 应，转子起动时的集肤效应，很难准确考虑，一直是电机设计者感到困难的问 题。 随着计算机计算能力的迅速提高和数值计算方法的不断成熟，用有限元法 计算电机内部的电磁场得到了越来越多的运用。有限元法能够解决解析法无法 解决的问题，也无须引入许多经验系数。根据给定的输入电流或输入电压，就 可以计算电机内部的实际电磁场分布。从而电机内部各部分的实际饱和情况、 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 转轴上的负载变化、采用各种槽楔时的影响等都可以被直接考虑进去。 有限元在电磁场计算中的应用已逐步从线性场发展到非线性场，从静态场 发展到稳态交变场及瞬变场，从二维场发展到三维场。在电磁场有限元法的应 用中，汽轮发电机属于计算复杂的研究对象之一。正确合理地建立数学模型， 取决于对电机内部电磁现象的深刻理解，取决于对近似程度的适当选择。本节 的目的是希望对各种有限元模型在汽轮发电机研究中的应用做出一个总结。 2 1 1 二维静态场模型和复数涡流场模型 1 二维静态场模型 在二维场分析中，矢量磁位近似认为只有轴向分量，只研究与电机轴垂直 的横截面磁场。一般电流被认为是已知的并恒定不变，无感应的涡流，电磁场 方程为： 去 去罢j - i - 导( 去雾) 一j ( 2 - 1 ， 一i 一l l 一i = 一， l 缸l 苏钞l 钞j 7 式中4 矢量磁位的轴向分量： 口材料的磁导率； j 电流密度。 有限元法中与式( 2 1 ) 相应的泛函为： w ( a ) = 口lr d 占一删fd q + f 岛以尉s ( 2 2 ) 式中曰磁通密度； 凹磁场强度。 根据这个模型，g u a n 和b l a s i 计算了定子气隙系数，研究了槽漏电感与采 用非磁性槽楔、磁性槽楔和各向异性磁性槽楔时的关系。z a g r a d i s n i k 和f u c h s 用这个模型计算了气隙中的磁场，并用傅利叶级数对空间的高次谐波作了分 解，从而分析了磁性材料各向异性的影响，饱和对于高次谐波的影响等。 o a n c v a 采用一系列线性磁场的计算，借助定转子电感矩阵的方法，分析了电 机中的齿谐波的影响。这个模型还可以用来模拟电机的空载运行。 二维静态场模型由于不能考虑涡流、转子转动和电磁量的非正弦性，不能 用来描述电机的实际运行情况。它仅用来计算等效电路中的参数以及用来研究 一些用解析法难以处理的局部现象。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 二维复数涡流场 考虑求解区域中的涡流，把麦克斯韦方程组应用到二维求解区域后，可 昙( 去筹) 4 - 刍【去筹) = + 盯詈 c ：。， 缸l 缸j钞l 砂j 西 。7 式中盯材料的电导率。 假设铁磁材料为线性，只考虑稳态情况，磁场源和磁场皆随时间按正弦规 律变化。从而电流密度，和矢量磁位彳为正弦函数，a a a t 可用彳来代替。 泛函为： 形( 爿) = 。if ；用占一月+ 五1 ，国盯月2i d 臼+ f q 蒯s ( 2 - 4 ) 对于铁磁材料的非线性，引入有效磁阻率的方法来处理。 标准的求解区域可以是一个极距或一对极距，要求求解区域中定转子的齿 槽数为整数。这样的处理考虑了几何结构的对称性和场分布的周期性。假如定 转子场分别求解，也可用一个相带宽的定子模型和一个齿槽的转子模型。选用 这种小规模的求解区域的特点是可大大减小计算时间。缺点是导出的方程组的 系数矩阵是非对称的，且限于各相电流分布平衡时。 2 1 2 考虑转子旋转的二维场模型 1 假静止法 考虑转子转动最简单的方法是把转子看作是静止的，即处于假静止状态， 从定子坐标系中观察的转子方程为： 去( 去罢) 4 - 4 - 刍( 去嚣) = - 4 - s 盯詈( 2 - 5 )瓦咕瓦j 面临万j 2 盯西 式中r 转差率。 在假静止方法中转子固定不动，转子的转动用在转子导体的电导率上乘以 j 表示，这种模型可以认为是复数模型的扩展。 采用这种方法，y a h i a o u i 研究了饱和效应对电机性能的影响。由于采用复 数变量，所有物理量都假定随时问作正弦变化，所以对时间的高次谐波不能考 虑进去。另外，不能反映转子旋转时的齿槽效应。y a h i a o u i 研究了这种方法和 时步法的误差。并指出，对这两种模型的选择取决于对计算精度和计算时间的 折中考虑。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 定子坐标系法 假定系统的坐标系固定在定子上，转子中的涡流为： j = o ( e + v 占)( 2 6 ) 式中卜由于涡流引起的电场强度； y 速度。 电磁场方程为： 丢b 罢 + 昙b 嚣 一，o + 盯 詈+ s r a a y 。m ( y 罢一考) q 忉 式中矗外施的电流密度； v 电位差； j 转差率。 在这种方法中，有限元方程的系数矩阵是不对称的。对变压器电势和旋转 电势进行分别考虑，这种方法特别适合用于固定网格模型。e n o k i z o n o 用这种 方法分析了一台电容电机，计算了转速特性、电容特性和铁耗等。这种方法也 不能考虑转子旋转时齿槽效应的影响。 3 时步法 在时步法中，定转予方程分别按自己的坐标系列出。定转子两部分的解通 过气隙联系在一起。转子的旋转以转动转子的有限元网格实现。因为转子中的 a 4 a t 包括了对运动引起a 对时间的变化率，场方程仍与( 2 3 ) 相同泛函为： 呻) = n j b 脚一刀+ 互i 盯( 剀+ j 岛一a d s ( 2 - s ) 当转子处于不同位置时，有限元网格必须重新生成。不同的时步法已有 t s i l l ( e 啪a i l 作了描述，其中以隐式欧拉法和梯形法最为常用。v a s s c n t 指出隐式 法的优点是其具有很好的收敛性，为了足够精度的解，步长需要取得很小。为 了克服这个缺点，可采用变步长的方法。 采用时步法模型时，在系统方程中直接考虑涡流、饱和、转子旋转和物理 量的非正弦等。其缺点是时步法解的取得需要大量的计算时间，特别是在求稳 态解时。s a l o n 用复数模型的解作为时步法的初值，缩短了达到稳态解的时 间。 4 气隙单元法 为了处理转子的转动，a b d c l r a z c k 对气隙部分提出了一种专门的单元。 气隙部分可根据拉普拉斯方程求出解析解。把气隙模型和定转子部分的有限元 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 解耦合在一起，可得出整个电机的场分布。这种方法的缺点是对专门的交界面 需要设计专门的算法与之配合。 2 1 3 定子电流作为未知量时的方法 因为电机端部输入的常可认为是恒定电压源，定子电流一般是未知的。所 以必须在给定端电压的条件下定出电机电磁场的分布。处理这种逆问题的方法 有两类。 1 电流迭代法 在有限元计算中首先把定子电流作为已知值，从解得的矢量磁位可得到定 子绕组中的反电势，最后根据电路方程求得端电压。为了使求得的端电压与给 定的端电压一致，需不断修改定子电流进行迭代。 。 这种方法的一个完整的应用是由d e m e r d a s h 和b a l d a s s a r i 提出的。在这种 方法中，需要对假定电流进行迭代修改，达到收敛解时需要较长的计算时间。 为了克服这一缺点，可采用下面的场路耦合法。 2 场路耦合法 场路耦合法中把电磁场方程和电路方程耦合在一起联立求解。通过对转子 电流的一个特殊变换，系数矩阵可保持是对称的。s h e n 用这种方法分析了一台 隐极电机，s a d o w s k i 用这种模型模拟了一台单相异步电机的动态运行。a r k k i o 和s a l o n 对这种耦合方法作了进一步发展，以致把电磁场、电路和转矩方程都 耦合在一起。 2 1 4 三维模型 三维模型可给出电机内部电磁场的完整分布。然后，在求解三维电磁场方 程时仍存在不少困难。一是由于复杂的几何结构和电流分布，另是由于变化的 磁场将在各导电部分引起涡流。这将导致很大的计算内存和计算时间。 在三维场问题中位函数的选择是十分重要的。矢量磁位a 和标量电位矿法 已获得了满意的效果。为了减少未知数，在无涡流区，可以被标量磁位妒代 替。但是由于a 和p 在交界面上的交界面条件会引起方程系数矩阵的不对称。 另一种方法是，可用矢量电位r 和标量磁位p ，因为在非涡流区，只存在妒，t 为零。因为妒在交界面上的连续性，不会遇到系数矩阵不对称的问题。但是当 存在多电流区域时，对妒必须作特殊处理。c a r p e n t e r 报告了用t - 矿法计算绕组 端部的电流分布的方法。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 对于端部问题，准三维场方法可简化问题的复杂性。端部场可以认为是沿 圆周方向的行波场。所以只需考虑处于y - z 面上的场的变化( z 为轴向) 。因为 这种方法不能考虑实际电磁场与行波场的差异，因此影响了计算精度。 2 2 电力系统谐波的基本理论 谐波是一个周期电气量中频率为大于l 整数倍基波频率的正弦波分量p ”。 谐波问题存在电力系统已经多年了，但是，近年来随着电力公司为改善功率因 素而大量增加使用电容器组和工业界为提高系统的可靠性而广泛使用电力电子 装置，使电网中的谐波污染变得更加严重了。 谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、 传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化， 使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串 联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和 自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备 和电子设备会产生严重干扰。谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污 染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无