（电机与电器专业论文）能量变换器自同步并列和非同期并列的研究.pdf

s t u d yo no p e r a t i o no fs e l f _ s y n c h r o n o u s p a r a l l e l i n ga n da s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n g o 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 p r o f i t i n gf r o mu s i n g x l p ec a b l ea si t ss t a t o rw i n d i n g ，p o w e r f o r m e rc a ng e n e r a t ev e r yh i g hv o l t a g e a n dc a nb ec o n n e c t e dt ot h ep o w e r g r i dd i r e c t l yw i t h o u ts t e p u pt r a n s f o r m e r a tp r e s e n t ，t h e r ei sn op o w e r f o r m e rr u n n i n ge x p e r i e n c ei n c h i n a t h o u g h s e v e r a lp o w e f f o r m e 娼h a v eb e e nr u n n i n ga b r o a da n ds o m er u n n i n ge x p e r i e n c e h a sb e e no b t a i n e d ，t h e r ei sl i t t l e t h e o r ys t u d ya b o u tp o w e f f o r m e rr u n n i n ga n d p a r a l l e l i n gw i t hp o w e rg r i d i no r d e rt om a k es u r ep o w e r f o r m e rc a nb ep a r a l l e l e d w i t hp o w e r g r i ds u c c e s s f u l l ya n dr u n sw e l l ，w en e e dt od oe n o u g hs t u d ya b o u t r u n n i n ga n dp a r a l l e l i n g w h e np o w e r f o r m e ri sa b o u tt ob eg e tr u n n i n gi np o w e r - s y s t e m s ，m a n yp r o b l e m ss h o u l db ec o n s i d e r e d ，i n c l u d i n gt h ew a yo fp a r a l l e l i n g a n dt h ef a u l tw h i l e p a r a l l e l i n g ，e t t h i s p a p e r s t u d i e s p r o b l e m s a b o u t s e l f - s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n go f p o w e r f o r m e r e l e c t r o m a g n e t i cp r o c e s so f s e l f - s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n gi s a n a l y z e d w i t hp r o p e r l ya s s u m p t i o n s ，m a t h e m a t i c a le x p r e s s i o n so fa r m a t u r e c 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 e a r cd e d u c e d a n dt h e e x p r e s s i o n sa r eu s e dt oc a l c u l a t et r a n s i e n tc u r r e n ta n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eo f s e l f - s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n go fp o w e r f o r m e r i nt h ep a p e r , s u p e r p o s i t i o n p r i n c i p l ei s u s e dt o a n a l y z ea s y n c h r o n o u s p a r a l l e l i n go fp o w e f f o r m e r t h ec o m p l e xp r o c e s si ss p l i ti n t ot w os e p a r a t e d e a s i e ro n e s t h e ne x p r e s s i o n so fc u r r e n ta n d e l e c t r o m a g n e tt o r q u ea r cd e d u c e d t h em e t h o di su s et oc a l c u l a t et r a n s i e n tc u r r e n ta n de l e c t r o m a g n e t i ct o r q u eo f a s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n go fp o w e f f o r m e f f i n a l l y , t h ep a p e rp r o v i d e san u m e r i c a lm e t h o df o rt h ec a l c u l a t i o no fs e ：i f - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n ga n da s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n g e q u a t i o no fs t a t ei su s e d a tl a s t ，t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e dc u r r e n ta n dt o r q u eo fa s y n c h r o n o u sa sa f u n c t i o no fp h a s ed i f f e r e n c eb e t w e e np o w e r f o r m e ra n dp o w e r g r i d k e y w o r d sp o w e r f o r m e r , a s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n g ，s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n g 1 1 1 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无刷励磁机旋转整流组件 对强励和短路工况适应能力的研究，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：秀岳悉，；臣、日期：2 删年弓月f r 日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 无刷励磁机旋转整流组件对强励和短路工况适应能力的研究 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 ( 请在以上相应方框内打v ) 作者签名：耘乏椎、日期：2 幻彦年；月f ，日 导师签名：戈噻罕 日期：弼年歹月f 厢 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 1 1 本课题的研究背景 1 1 1 背景 第1 章绪论 众所周知，目前大型发电机的输出电压多在3 0 - 3 5 k v 之间，而输电电网的 电压则多在8 0 0 k v 以上。因此，发电机输出电压必须经过升压变压器升压后才 能使发电机与电网相连。造成这种现象的原因是发电机电压的提高远远跟不上 输电电压的提高。2 0 世纪初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。 就在人们已普遍认可“发电升压输电降压用电”这一过程的时候，1 9 9 1 年，瑞典a b b 公司研究所以莱京( m a t sl e i j o n ) 博士为首的课题组对传统绕组结 构产生了疑问。莱京博士首先提出了采用高压电缆绕制定子绕组的方案，并申 请了专利1 9 9 5 年1 0 月莱京博士带领课题组科技人员论证了能量变换器的理 论可行性，开始设计能直接与电网相连的高压发电机，1 9 9 6 年完成设计。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 h e n f l i 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。该机组的容量为 1 1 m v a ，电压4 5k v ，转速6 0 0r m i n n 喇在1 9 9 9 年国际大电m ( c i g r e s c l l ) 会议上，a b b 公司介绍了p o w e f 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 c r f o r m e r 的p o r j u s 水电站。该水电站建于1 9 1 0 年，其中9 号科研机组为 p o w e f f o r m e r ，实验项目比较齐全，安装了大量p d 测试仪器和振动探测器等。 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，认为p o w e r f o r m e r 是 2 1 世纪最具发展潜力的发电装备。目前，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 睁刀。表1 1 为a b b 公司p o w e r f o r m e r 的制造业 绩。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表1 1a b b 公司p o w e r f o r m e r 的制造业绩 t a b l e1 - 1a b bc o m p a n y sm a n u f a c t u r ea c h i e v e m e n to fp o w e r f o r m e r 地点投运年份类型 电压k v额定容量m v a 波尔尤斯 1 9 9 8 水电 4 51 1 埃斯吉尔斯蒂纳 2 0 0 0 火电 1 3 64 2 波尔西斯 2 0 0 1 水电 1 5 57 5 赫利耶布鲁 2 0 0 l 水电 7 82 5 米勒克里克 2 0 0 2 水电 2 53 2 8 卡茨楚拉察瓦2 0 0 3 水电 6 69 在结构上能量变换器与传统发电机相比有许多不同。在传统发电机中，大 型旋转电机定子线棒由外包介电强度高的环氧为主绝缘的长方形截面导体组 成，并沿线棒和绕组端部进行复杂的形状换位而能量变换器的定子绕组采用 高压交联聚乙烯电缆绕制而成，电缆截面为圆形，由麦克斯韦方程可知，其产 生的电场均匀分布，这是高压旋转电机所必须的条件。为得到高压，能量变换 器的绕组需要更多的串联匝数，所以他的槽很深，齿很长由于靠近转子的电 缆线圈所需的绝缘层较薄，所以向着转子方向槽的横截面较小，远离转子的电 缆所需的绝缘层较厚，所以背着转子方向槽的横截面较大嘲 在运行中能量变换器与传统电机相比有其自身的特点。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 以0 。对于一个 1 2 0m w 的电厂，这个数字是1 5 。这意味着装备能量变换器的电厂将比常规 电厂多产1 8m 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的可靠性提高，这对于 把“安全第一一作为首要准则的电力工业而言，吸引力非常大。从国外的运行 经验来看，它还具有较好的短时过负荷能力、突然断路电流小、能为电站系统 带来更少的无功损耗等一系列的优点睁蜡1 。 由于生产能量变换器的技术和制造工艺目前都是可行的，与传统的发电机 相比具有诸多优点，因此被世界多数国家的专家和学者看好，在老电站、电厂 的机组改造和新建电站、电厂都可以选择能量变换器代替传统的发电机。在国 外，能量变换器的应用领域越来越广 在我国，从电缆技术的发展水平看，目前生产2 2 0k v 的高压电缆比较稳 定，个别企业也能生产5 0 0k v 的高压电缆，这使p o f 在我国的发展成为可 能。我国高度重视能量变换器的发展变化，国家自然科学基金委员会于2 0 0 1 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 年立项进行基础理论研究，试制了1 3 0k w 、5k v 的能量变换器模拟样机，并 进行了相关的实验。2 0 0 4 年国家自然科学基金委员会又分别立项资助了能量变 换器的运行机理的基础理论研究、p o w e r f o r m e r 的保护及系统稳定性等相关研 究工作。图1 1 为我国1 3 0k w 、5k v 的能量变换器模拟样机。 a ) 装配中的样机定予绕组b ) 准备实验中的样机 图1 - 1 我国1 3 0k w 、5k v 的能量变换器模拟样机 f i g 1 - 1p o f m o d e lm a c h i n eo f1 3 0k w 、5k v 1 1 2 本课题的研究意义 目前，国内对于能量变换器的运行经验是空白的。在没有投入系统实际运 行之前，充分做好相关理论的研究工作是十分重要的。能量变换器要投入到系 统中去运行，首先要考虑到并网的问题，包括并网的方式及并网过程中出现的 问题等。自同步并列虽然是一种传统的并列方式，但是对于新生的能量变换器 的基础理论研究工作来说，这也是重要的组成部分。同时在我国南方诸多的小 型水电站中，这种并列方式仍然有着较多的应用。所以对工程实际也具有一定 的意义。 发电机的非同期并列是一种较为严重的并列事故。在现代电力系统中，虽 然大多数发电机组都已经采用了准同步并列装置，但是由于准同步并网装置及 断路器等设备的故障，常常导致非同期并列事故的出现。发电机组非同期并列 时，将产生较大的冲击电流和电磁转矩。冲击电流破坏发电机及系统的电气性 能，严重时会将发电机绕组烧毁；同时冲击电流会对发电机定子端部绕组产生 强大的应力，对定子绕组造成巨大的破坏。电磁转矩则会对轴系统产生强大的 扭应力，轴系扭振形成疲劳损耗，缩短有效使用寿命，甚至造成大轴即时断 裂。按扭振疲劳损耗百分数考虑，严重的非同期并列时，每次疲劳损耗大于 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 0 n 圳，远超过发电机机端三相短路的疲劳损耗值，是最为危险的单一冲 击 发电机非同期并列造成巨大破坏的事故在国内外已多次发生。1 9 9 8 年8 月 1 3 日，薄山电站四台机组受雷击影响同时跳闸。雷击1 0 分钟后，运行人员分 别将1 号刁号并列运行正常。4 号机并列后则发出“吼吼”有节奏抽拉声，并 伴随振动，运行2 分钟后，同一母线上运行的3 号机跳闸第二次将3 号机并 网，一切正常。当将4 号机再次并网后又出现了上述的反复现象，被迫停机检 查。经过工作人员仔细检查后发现，4 号机断路器c 相上的支柱绝缘子被击 穿，该相主触头被烧坏，由此而引发了发电机的非同期并列事故。2 0 0 5 年3 月 1 1 日，紧水滩水电站进行监控系统升级改造的模拟实验机组及公用系统做完 相关实验正常后，切入到运行机( 1 、4 、5 号机) 运行结果1 、4 号机并网正 常。而5 号机较长时间不能并网，后有差动保护动作，5 号机停机。后检查发 现是由于母线压变低压熔丝熔断导致5 号机建压不正差，而同期装置在电压不 正常的情况下没有正确闭锁，导致了这次的非同期并列监视器显示，在合闸 瞬间有巨大冲击电流，但所幸未造成重大事故。1 9 7 7 年我国有一台汽轮发电机 因非同期并列，使发电机遭受严重损坏，绕组绝缘损伤，造成短路。事故后检 查发现：发电机定子绕组端部变形，位移达1 0 3 衄，绕组端部上下层绑线大 部分断开，有的上下绕组在槽处有断股流铜液现象；对绕组进行耐压实验，三 分之二被击穿，损坏很大根据分析，事故的原因主要是自同步装置与调速器 性能配合不协调，产生过调现象，使待并发电机与系统间存在过大的频率差。 而且反向急速变化，可能造成相位差很大的非同期并列，使发电机承受巨大的 电动力而损坏。在国外，也有非同期并列的典型事故。1 9 7 3 年联邦德国一台 6 3 0m w 汽轮发电机发生非同期并列，结果造成了靠背轮局部变形，其螺丝发 生了裂纹，美国也发生过同样的事故，损坏了对轮螺栓，对机组的机械性能造 成了很大的破坏乜1 。 对于非同期并列电流及转矩计算一方面可以为系统的电气设计提供参考， 另一方面可以为发电机轴系扭振的研究奠定基础。非同期并列的后果是严重 的，所以对能量变换器非同期并列的冲击电流及转矩脉动进行研究具有重要的 实际工程意义。 1 2 并网问题的研究现状 在现代，现代发电厂中都是把几台同步发电机并联起来接在共同的汇流排 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 上，一个地区总是有好几个发电厂并联起来组成一个强大的电力系统，由这个 强大的电力系统向用户提供电能。电网供电比单机供电有许多优点，比如提高 了供电质量、经济性和灵活性等等。所以发电机正常运行的前提就是要成功的 投入到电网中去 为了避免电机和电网中产生冲击电流，实现成功并网，投入并联的发电机 需满足下列条件：( 1 ) 发电机的相序与电网一致；( 2 ) 发电机的频率与电网相 同；( 3 ) 发电机的激磁电动势赢应与电网电压矽大小相等、相位相同。上述三 个条件中，第一个是必须满足的。在工程实际中，要实现后两个条件是困难的， 所以工程上一般要求冲击电流小于允许值且合闸后较快实现同步运行即可。 同步发电机投入电力系统并列运行的方式有准同步法、自同步法和因事故 跳闸后的非同期重合闸。 自同步法是比较传统的并列方式。它是将发电机的励磁绕组经自同步( 灭 磁) 电阻闭合，用原动机拖动发电机至接近同步时投入电力系统。并在投入系 统的同时或稍后投入其直流励磁，使其在定子和转子磁场间形成的电磁转矩作 用下进入同步自同步法有着诸多的优点，比如( 1 ) 操作简单，可以很大程度避 免误操作及由此而引起对发电机及系统的破坏；( 2 ) 发电机能够相对较迅速地投 入系统；( 3 ) 当系统电压和频率大大降低时，仍不影响发电机投入电网运行。可 避免故障扩大，有利于处理系统事故。同时自同步法的缺点也是显著的：投入 系统时会对系统产生较大的冲击电流。这使得自同步并网很难在大型发电机组 上应用。随着国家对于电网质量要求的提高与准同步法的发展，这一并网方式 的应用也越来越少。在 中 规定：“在正常运行情况下，同步发电机的并列应采用准同步方式；在故障情 况下，水轮发电机可以采用自同步方式 准同步法并列是指在相序一致的前提下，通过调节器使待并网发电机与系 统的电压和频率相等，相位相同。如果能达到这三个条件，则发电机在并列瞬 间电子电流为零，即无冲击电流和冲击转矩，对发电机和电力系统均无影响。 而在工程实际中，要完全达到上述条件是困难的，因此可放宽为：电动势或 应与电网电压l j r 大小相差不大于5 ；相位差小于1 0 0 ；频率相差不超过 0 1 2 o 1 5 。 最早的准同步法是手动的相序指示灯法，电网电压和发电机电压通过电压 互感器( 啊降压，p t - - 次测接上灯泡装置，通过灯光熄灭或者旋转来判断合闸 的时机。但是由于灯泡一般在约1 6 的额定电压时就不亮了，所以更为准确的 方法是采用示零电压表来指示并网时机。手动操作要求操作人员要比较熟练， 哈尔滨理- t 大学工学硕士学位论文 而且并网准确度不高，风险较大。 随着电子原件的发展，采用分立晶体管元件搭建硬件电路的模拟式自动准 同期装置诞生，这也是第一代自动准同期装置。自动准同期装置的出现，极大 地提高了并网速度和可靠性，但由于模拟式同期装置用模拟电子元件拟合，而 阻容电路作为微分电路又是有条件的，所以导致诸如导前时间不稳定、构成装 置元器件参数漂移等系列不稳定的问题。模拟式的同期装置合闸准确度比较 低，它无法指示装置的运行状态，不能进行故障自检等。第二代自动准同期装 置是微机式自动准同期装置。微处理器的诞生对自动准同期装置技术指标的提 升产生了质的飞跃，我国是世界上微机准同期装置最早研制的国家之一微机 式自动准同期装置以d s p 等高性能硬件为依托，结合较为先进的采样、计算方 法，使发电机的自动准同步并网可靠性、准确性都有了较大的提高。 1 3 课题来源及主要内容 本课题来源是国家自然科学基金资助项目“能量变换器运行机理的基础理 论研究”的一部分，项目编号：5 0 5 7 7 0 1 2 。 本课题的研究内容主要分为两个部分。首先就是针对一种并网方式自 同步并列进行研究。其次是针对并列时常出现的非同期并列事故进行研究。根 据已经发生的非同期并列事故及自同步并列的经验，本文将重点讨论二者的冲 击电流及电磁转矩。 1 能量变换器自同步的物理过程分析； 2 解析法分析能量变换器样机自同步并网过程中( 包括投入励磁前和投入 励磁后) 暂态电流及电磁转矩的变化规律； 3 解析法分析能量变换器非同期并列时暂态电流和电磁转矩的变化规律； 4 能量变换器非同期并列及自同步并列的数值计算方法。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章能量变换器自同步并列解析计算 2 1 引言 自同步并列作为一种传统的并列方式，其最大的缺点就是并列时会对发电 机本身产生的强大的冲击电流，同时还要从电网吸收大量无功。这成为自同步 并列方式不能在较大的机组上应用且面临被淘汰的原因所在但是他以其操作 简单，可靠性高，在电网故障情况下投入迅速等一系列的优点在一些电站中仍 有使用。国家对于自同步法并网的使用也有明确规定，在继电保护和安全自 动装置技术规程g b l 4 2 8 5 1 9 9 3 中提出：“在正常运行情况下，同步发电机的 并列应采用准同步方式；在故障情况下，水轮发电机可以采用自同步方式。” 能量变换器作为新型的发电设备，在我国的运行经验仍然是空白，所以充 分做好其相关理论研究工作是十分重要的自同步并列的研究作为其基础理论 研究工作的重要组成部分，也应得到足够的重视。本章将介绍自同步并列时的 物理过程，利用解析法对自同步并列时电机的各物理量进行数学推导，从而得 到定、转子的电流和转矩随时间变化的规律。 2 2 能量变换器自同步并列的物理过程分析 所谓的自同步并列，是将发电机励磁绕组经自同步( 灭磁) 电阻闭合，用原 动机使发电机转起来，当其转速提高到接近同步转速( 2 ( 2 - 1 2 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 式中： 彰_ t a n 一面1 ，形一q 南 形一q 志 巧i 一研1 酞y ：，7 ：，y q 羽- i ，酞：，p ：，p q 冗 2 3 1 2 能量变换器自同步投入励磁前定子绕组电流的计算在此假设能量变 换器自同步投入系统的条件为：系统电压幅值u - 1 ，投入系统瞬间转子转差 率ji t - 0 0 3 ，合闸角( 即合闸瞬间转子直轴超前系统电压相量的角度) 氐i g 利用上述计算方法，即可求出能量变换器样机自同步投入励磁前定子 绕组中的电流。能量变换器样机的参数如表2 1 所示： 表2 - 1 能量变换器样机的参数 t a b l e2 - 1p a r a m e t e r so fp o w e r f o r m e r 参数名称参数符号标幺值 定子绕组电阻 ，0 0 1 6 3 8 励磁绕组电阻 ， 0 0 0 0 6 6 2 8 9 直轴阻尼绕组电阻 ，d o 0 5 6 交轴阻尼绕组电阻 ，q 0 0 4 9 直轴同步电抗 x d 0 9 0 5 4 6 交轴同步电抗 o 4 5 3 0 6 励磁绕组电抗 x f 1 1 0 2 直轴阻尼绕组电抗 x d 1 2 9 2 9 交轴阻尼绕组电抗 勒 0 7 1 8 5 直轴瞬态电抗 o 1 9 6 一 直轴超瞬态电抗x d 0 0 4 0 3 交轴超瞬态电抗 0 0 5 9 根据上表的能量变换器的参数，可计算得投入励磁前定子各绕组电流。计 算结果如图2 2 所示。 土蟛土 4 4 n n 孤 狙 - i 彤 彤 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 j 厶 j i ) 定子直轴电流 ”定子交轴电流 c ) 定子a 相电流 图2 - 2 自同步投入励磁前定子绕组电流 f i g 2 - 2a r m a t u r ec u r r e n to fs e l f - s y n c h r o n o u sb e f o r ee x c i t i n g 由上图可以看出自同步并列在未投入励磁前，其定子冲击电流倍数已经很 大，考虑到励磁电压要经过一段时间后才加上，所以，此时的电流将成为自同 步并列过程中的冲击电流的主要部分。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 3 2 自同步投入励磁前转子绕组电流的计算 2 3 2 1 自同步投入励磁前转子绕组各电流的计算在由0 坐标系下，能量变换 器的磁链方程可写为： 妒d 妒f 妒。 岭f 妒d 妒口 转子的电压方程可写为： 【。饧】雏】 b | 覃 | o l ， j d l 口 将式( 2 - 1 3 ) 、式( 2 1 4 ) 联立，可得消去转子磁链的转子电压方程： 由式( 2 1 5 ) 0 7 解得转子电流： 。 j ，。i _ 堕立生一u - i i u ，+ o 。页石i 丽百函万磊丽万广 p 2 b 口x 眵一x f d x 口d 、+ p x 够r d p 2 ( 而_ 一矗) + p ( 而o + o ，d ) + 厂d o 一=一一tj墅一u1 ，+d 一页石i 丽巧函万丽万瓦，+ ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) o k o o o 吻 k o o 砀b o o o和o o o 噶o o o o j o o 嘞o o嘞o ，_llii_illlj 叶o 0 、- 、 b 矗勃“ 啪劬硼 ， ， ， 叫“ 一 t k“吖从阢 h 厶易饧 瓦蒜老器 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 l q1 2 p x o 盟+ r 口l _ ( 2 - 1 8 ) 自同步投入励磁前，励磁电压为零，即吁一0 ，同时将式( 2 - 1 0 ) 的定子绕 组电流分量代入式( 2 - 1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) ，可得转子各电流分量： ，p 2 ( x o x 矿一x j d ) + p x 矿r o( 1 一s ) + p 一 p 2 ( m 一疡) + p ( x o r i + x i r d ) + r d r f 【p 2 + o - s ) 2 m p ) ，p 2 ( x ，艺n x , v x 矿) + p x 。o r f0j j-jis 戤- z + p 一页石i 丽巧函万丽再万萨可习面而 lp x 疃1 3 l 一渊d4 - p u q 1 口p 饧+ 饧p 2 + ( 1 一s ) 2 】( p ) ( 2 1 9 ) 将式( 2 5 冰入上式，进行整理，再进行拉氏逆变换可求得自同步投入励磁 前转子绕组电流： 式中： 哆- k + 珏+ 0 ) ( 2 2 0 ) k 鲁 褊【s i n 所s 瓤岛嗍+ s i n 舳m 眦告+ 耥【s i n 跏n ( 小鼢+ s 嘶二s 呱小m ) ( 2 - 2 1 ) t 一 妒鲁【褊c o s 胁( 硼+ 乏若南c o s 群c o s ( 岛一盯一筋) 】 ( 2 乏2 ) i f ( 1 - s ) m 鲁【编删卿。+ ( 1 - 州) + 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 式中： 式中： _ i & 一 鑫州删。+ ( 1 _ 帆形一乏 暴一k + + 如( 1 ，) 鲁 褊【s i n p ：s i n ( 6 0 嘲础恻6 。 螽【sinpdsm(aowlt”t 堋+ s i n 小吁+ 形百t ，t c o s ：c o s ( a o s t p 0 + 编瞄彤c o s ( 硼】 一鲁【熟弧形蚴+ ( 1 - 咖+ 编傩形c o s ( w 珊瑚一 雹- 珏+ b + 岛。一， 。鲁争伽( 岛一肋础巧s i n ( 6 0 + y ；巾专 妨。警刍螂彤s i n ( 6 0 - s t - 助 b 。蔷亏螂“ 以 讪。一鲁。 丢e r c o s 小i n ( 壬 1 7 + ( 2 - 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) c 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) ( 2 - 3 1 ) 上巧 - p、i ，一d y + k 蝴羔啊坠帆 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 3 2 2 能量变换器自同步投入励磁前转子绕组电流根据前文给出的能量变 换器自同步投入系统时的假设条件及能量变换器样机的参数即可求出相应的转 子各电流分量和总量。计算结果如图2 3 、图2 _ 4 及图2 - 5 所示 j 厶 、 言 三 卜 弓 e j 穹 a 、 o a ) 励磁绕组电流分量札b ) 励磁绕组电流分量 t p u c ) 励磁绕组电流分量0 ( 1 一，d ) 励磁绕组电流全量t 图2 - 3 能量变换器自同步投入励磁前转子励磁绕组电流 f i g 2 - 3f i l e dw i n d i n gc u r r e n t o fs e l f - s y n c h r o n o u sb e f o r ee x c i t i n go fp o w e r f o r m e r t p u a ) 直轴阻尼绕组电流分量k 1 8 卑 a 、 j 直轴阻尼绕组电流分量么 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 j 厶 管 二 o t l p u c ) 直轴阻尼绕组电流分量如( 1 一d d ) 直轴阻尼绕组电流全量妨 图2 4 能量变换器自同步投入励磁前直轴阻尼绕组电流 f i g 2 - 4d i r e c ta x i sd a m p i n gw i n d i n g c u r r e n to fs e l f - s y n c h r o n o u sb e f o r ee x c i t i n g a ) 交轴阻尼绕组电流分量k”交轴阻尼绕组电流分量珏 c ) 直轴阻尼绕组电流分量岛( 1 一，d ) 直轴阻尼绕组电流全量岛 图2 - 5 能量变换器自同步投入励磁前交轴阻尼绕组电流 f i g 2 - 5c r o s s a x i sd a m p i n gw i n d i n gc u r r e n to fs e l f - s y n c h r o n o u s b e f o r ee x c i t i n go fp o w e r f o r m e r 1 9 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 4 投入励磁后定、转子绕组电流的计算 2 4 1 自同步投入励磁后定、转子绕组电流的计算 根据叠加原理，投入励磁后电机各绕组的电流，是投入励磁前各绕组电流 与因投入励磁而出现的电流增量的叠加。所以，此处只要分析因投入励磁而出 现的电流增量即可。 在忽略定子绕组电阻的基本前提下分析时，定子绕组可以看作是短路着的 超导绕组从而，由于投入励磁而引起的这组电流分量共同作用形成的等值定 子绕组合成磁链为零。而且，由于这里的分析略去了定子绕组电阻，电枢反应 将只有去磁作用，所以分析可只考虑转子直轴方向即可得到如下的方程式组 作为分析这组电流分量的出发点( 式中上角标c 表示因投入励磁而出现的电流 增量) o 一一x 4 l ：+ x 可i 二+ x 一乞 u fi - p ；+ r f l + x f p i j + x f d p l 乞 o - 一x 由p l ：+ x l d p l j + r d l 名+ x d p l 乞 联立解上列三式，即可得： 弘。x a 劫f 高 巧i 1 瑞 巧一瓦1 ，志。q c 3 2 ) ( 2 3 3 ) 假设电机投入系统的同时就投入励磁，且励磁电压按指数规律上升，则可 将其表示为： 一上 吩一吩。o - e ) ( 2 - 3 4 ) 式中：u 。为励磁电压的稳态值；t 为励磁机时间常数。 对上式进行拉氏变换，得： 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 ( p ) 。而4 砑, , 将其代入式( 2 3 3 ) 可得： ( 2 - 3 5 ) 巧昔而历l 丽+ t a , , 丽p 面 ( 2 - 3 6 ) ，彤( 力。等而历1 丽+ t ：p 丽丽 ( 2 彻 巧- 一薏而面而x l n p ( 2 - 3 8 ) 再进行拉氏逆变换，即可得因投入励磁而引起的电流增量方程： 艺- 昔口一躲p 专一黼p 。专一 哆- 等【1 一犏p 一去一盟( r ；- r , y r ；- r ) ( 2 - 3 9 ) f p 巧一 ： 互 p 寺+ ( 巧- r ；x r ；一z ) 。 ( 2 删 ( 2 - 4 1 ) 上式计算中，已假设投入电机的同时就投入励磁。如经过时间间隔f 后再 投入励磁，可相应的将式( 2 3 9 ) 、( 2 - 4 0 ) 、( 2 - 4 1 ) 中的时间，换为t - l r 即可。 赤警 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 将投入励磁后各电流的增6 ( 2 3 9 ) 、( 2 删、( 2 - 4 1 ) 分别与投入励磁前各电 流的分6 ( 2 1 1 ) 、( 2 - 2 0 ) 、( 2 2 4 ) 对应相叠加，即可得到投入励磁后定、转子各 电流分量。根据假设，投入励磁前后定、转子交轴电流分量无变化。 毛- 嚣+ 西， 弓，哆+ 哆，易一东+ 茜，岛当 2 4 2 能量变换器自同步投入励磁后各绕组电流的计算 根据前文已推导的结果，将能量变换器样机的参数代入，即可求出自同步 投入励磁后各绕组电流分量的增量及自同步并列时的全电流计算结果如图( 2 - 6 ) 、( 2 忉所示 a ) 直轴电流增量b ) 励磁绕组电流增量 c ) 直轴阻尼绕组电流增量 图2 - 6 投入励磁后各绕组的增量电流 f i g 2 - 6c u r r e n ti n c r e m e n t a lo fe a c hw i n d i n ga f t e re x i t i n g 哈尔滨理工大学1 = 学硕士学位论文 a ) 定子直轴电流 c ) 励磁绕组电流 b ) 定子交轴电流 d ) 直轴阻尼绕组电流 t i p ut p u c ) 交轴阻尼绕组电流1 c i 定子绕组相电流 图2 - 7 自同步并列各绕组电流曲线 f i g 2 7c u n e n tc u r v e , so fs e r f - s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n g 根据国家 电力装置的继电保护和自动装置设计规范g b 5 0 0 6 2 9 2 的规 定，水轮发电机( 包括有阻尼回路和无阻尼回路) 自同步合闸时允许的冲击电 流倍数为0 6 髟。根据这一规定，能量变换器进行自同步合闸时允许的冲击 电流倍数为1 4 2 8 。从计算结果的图2 7 可以得到，此能量变换器样机的自同 步并列时，其冲击电流倍数1 0 9 3 ，完全符合国家标准，所以可以考虑采 用此方式进行并网。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 5 自同步时电磁转矩的计算 自同步并列过程复杂，所以对其电磁转矩的分析可仿照电流分析的方法， 先分析其各个分量的形成与衰减的物理过程，再运用叠加原理，结合物理概念 做数学的推导 2 5 1 自同步投入励磁前的电磁转矩 通过前面的计算，已经得到各绕组的电流，通过派克方程下电机的电压方 程及磁链方程就可以求出定子绕组合成磁链钆、和电磁转矩 阶鬻 峄一错 将( 2 - 2 7 ) 式代入的上面的磁链方程中，便可得到磁链运算式如下 州t 警4 -一号静4 - s 口一 s p 。l l l 掣孽卅t 背一半学， 然后进行拉氏逆变换，可以得到 妒d - u c o s ( 6 0 - s t ) 一沈lc o s 6 0 一( 1 一j y 】 三 妒g - - - u s i n ( 6 0 - s t ) + u e7 。s i n 6 0 - o - o t 在由0 坐标系下，同步电机的电磁转矩可以由下式表示 乙。一缈d 一枷g ( 2 4 2 ) ( 2 - 4 3 ) ( 2 删 ( 2 - 4 5 ) ( 2 4 6 ) 所以将定子电流表达式( 2 - 1 1 ) 、( 2 - 1 2 ) 及磁链表达式( 2 3 1 ) 、( 2 - 3 2 ) 代入上 式，整理后便可得到自同步并列投入励磁前电磁转矩的表示式 p - 乙，+ 瓦，+ 互( 1 叫+ z + 气1 ) + 互+ 夏1 甜j ( 2 - 4 7 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 式中： 艺，- u f 2i 虿1 一乏1 ；) c o s 彰s i n 肜+ ( 专一丢) c o s 彤s i n 群+ 唼一 c o s 彤s 缸鲫+ 了u 2i 虿1 一习1 c o s y ：s 血y ：+ 号一，咖形咖订+ 专一l 咖巧s i n 圬p 号 ( 2 4 8 ) x d x | x ， 瓦- 一了u 2i 虿1 一) c o s 硝s 蛾弛一幻一肜) + 哼1 一1 僦彰s i n ( 弛一拟一群) 一唼一 嘲巧血( 碱一细一筋+ x dx d x qx i 。 二一与s i n ( 2 6 0 一2 s o x d x ， ( 2 - 4 9 ) 轧j ) i 一竺2 f 正x d 一毛c o s 小i n 【弛+ 2 ( 1 一s ) r + 形】+ 畴一! ) c m r i s i n 2 6 0 + 2 ( 1 q ) r + 形卜唼一 傩巧如 2 6 0 一2 0 一砂+ 堋+ 。 二一与s i n 【哦一狮一j y 肌一詈 x t x q ( 2 - 5 0 ) z u ： 己一与s i n 肜s i l l ( 磊一彤) + s i n 形s i n ( 6 0 + 形) 】p 可ts i n ( 6 0 一盯) + x dx d 4 一与【s i n 群s i n ( 6 0 一所) + s i n 形s i n ( 6 0 + 形) p 百s i n ( 6 0 s t ) t + x dx d 唼一 【s i n 彤c o s ( 6 。一鼢+ s i n y ；螂( 氐+ 侈】叩了c o s ( 叫) ( 2 - 5 1 ) 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t o - s ) m 彤2 ( 专一旁【s i n 硝s 咄氐一群) + s i l l 形s i n ( 氐+ 疗) 】p 专 s i n 【磊+ ( 1 一j y 】+ ( 专一言) 【s i n 群s i n ( 磊一群) + s i n ，：s i n ( 氐+ 形) 】 e 青s i n 蛾+ ( 1 一s ) f 】+ b 一，【s i n 劈c o s ( 氏一肋+ x ix ， 豳巧c o s ( 6 。+ ，拙p 专螂【屯+ ( 1 一s 卅p 专 瓦娶 己一与彰s i n ( t + 彤) - c o s r ；s i n ( t + 形) 】+ 2 x tx l ( - 导一二b c o s 肜s i n ( t + 群) 一s ，s i n ( t + 形) 】+ x