發電電動機瞬態參數計算方法研究

李金香，胡 剛，王立芳，李桂芬，孫玉田

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發電電動機瞬態參數計算方法研究

李金香，胡 剛，王立芳，李桂芬，孫玉田

（水力發電設備國家重點實驗室，哈爾濱 150040）

文中闡述了場路耦合時域有限元法及其仿真發電電動機參數測量的電壓恢復法試驗過程，并計算了大型發電電動機的瞬態參數。計算結果與試驗結果對比表明：所闡述的方法正確可行。該方法使電機瞬態參數的計算方法與試驗方法及試驗過程相同，計算結果與測量結果可以在同一基準上進行對比分析，可對設計公式進行修正，具有工程應用價值。

抽水蓄能發電電動機；瞬態參數；電壓恢復法；有限元法；場路耦合

0 前言

抽水蓄能電站通常在電力系統中起調峰填谷、調相調頻、緊急事故備用等作用。發電電動機作為抽水蓄能電站的主要設備，受到發電設備行業和電力行業的廣泛關注。發電電動機與常規水輪發電機差別很大，其特點是雙向旋轉、起停頻繁、運行工況多且轉換頻繁、工況轉換時間要求嚴格以及過渡過程復雜等[1]。為了適應這些特點，發電電動機需采用特殊結構，因此其設計技術獨特，并隨著容量的逐漸增加，設計難度越來越大，很多參數不能采用常規的方法而需要采用有限元數值方法進行計算研究。

本文對抽水蓄能發電電動機的瞬態參數計算方法進行研究，提出一種新的時域有限元方法，仿真電壓恢復法測量參數的試驗過程。以某抽水蓄能電站發電電動機為例計算瞬態參數，計算結果與實驗結果進行對比，用以驗證計算方法正確性和可行性。

1 瞬態參數計算方法

1.1 瞬態參數試驗測量方法[2]

根據GB/T 1029-2005《三相同步電機試驗方法》的第12款，測量同步電機瞬態參數的試驗方法主要有四種：分別是電壓恢復試驗（法）、三相突然短路試驗（法）、任意轉子位置外施電壓試驗（法）和轉子處于直軸和交軸位置時外施電壓試驗。標準中還規定：在測取直軸瞬態電抗和直軸超瞬態電抗及電樞繞組短路時勵磁電流衰減時間常數（直軸瞬態開路時間常數）優先采用電壓恢復法和三相突然短路法。下面主要介紹電壓恢復試驗（法）。

電壓恢復試驗（法）試驗時繞組接線如圖1所示。

圖1 電壓恢復試驗接線圖

切除三相穩態短路后的電壓恢復試驗是在額定轉速運行的電機上進行的，在試驗開始階段，電樞繞組通過斷路器短路。

電機在電樞繞組短路下運行，勵磁電流產生的空載電壓應在空載飽和特性直線段上，通常不超過空載額定電壓的0.7倍，且在斷路器動作瞬間各種條件均處于穩定。由該試驗測得的各種參數對應于電機的不飽和狀態，為不飽和值。

測量過程中需攝錄線電壓恢復波形和電樞電流波形，并記錄電壓恢復開路前電樞電流有效值、勵磁電壓和勵磁電流以及電壓恢復開路后的電樞線電壓有效值和勵磁電流。

根據錄波圖求取穩態電壓與恢復電壓波形包絡線的差值∞-，并繪制其隨時間變化曲線。把該曲線外推到短路切除的瞬間，得到△′(0)+△″(0)。把曲線的直線部分外推到縱坐標軸，得到電壓瞬態分量的初始值△′(0)。

1.2 瞬態參數時域有限元仿真方法[3~5]

采用矢量磁位對電磁場有限元區域進行求解。在對電機進行時變電磁場數值分析時，作如下假定：

（1）忽略位移電流，即電磁場為似穩場；

（3）材料各向同性，忽略鐵磁材料的磁滯效應，B-H曲線單值；

（4）定子外表面圓周和轉子內表面圓周的矢量位為零。

為了模擬勵磁電流在試驗過程中的變化，采用電壓源作為勵磁電源，則時變電磁場方程為：

對外加電壓和渦流項積分可得導體的電流為：

耦合的電路方程為：

根據電機電磁場的周期分布及每極每相槽數，取二分之一個單元電機作為有限元求解區域，對于本文的實例電機，其求解區域如圖2所示。

耦合的電路模型如圖3所示。該電路模型本質上與圖1完全相同，并可改變模型中電阻RN、RA_Short、RB_Short和RC_Short阻值以及S1、S2和S3開關的導通與關斷來設置短路類型，通過電阻和開關的不同設置使之成為空載工況的電路模型以及各種短路工況的電路模型等，具有很強的通用性。

圖3中，Lfield為勵磁繞組端部電感；Bfield_ R表示勵磁繞組的有限元區域；Q1 為阻尼繞組；L_A、L_B和L_C分別為三相定子繞組的端部電感；BA_ plus、BB_ plus和BC_ plus分別表示三相定子繞組有限元區域；RA、RB、RC、RAB、RBC和RAC為測量電阻；RN為接地電阻；RA_ Short、RB_ Short和RC_ Short為設置短路的電阻；S1、S2和S3為設置短路的開關；V1為勵磁電壓源。

圖2 求解區域示意圖

圖3 耦合電路模型

2 瞬態參數計算

本文將采用試驗中更為常用的瞬態參數試驗測量方法——電壓恢復試驗（法）計算同步電機瞬態參數，以便與試驗結果進行對比。文中分析計算的某抽水蓄能電站發電電動機的主要數據如附錄所示。

2.1 瞬態參數測量結果

穩態電壓與恢復電壓包絡線（有效值）之間的差值∞-隨時間變化曲線，如圖5所示。為準確地分析曲線，試驗時間截取15s。

圖4 電壓的恢復波形曲線（試驗錄波圖）

圖5 U∞- U隨時間變化曲線（試驗）

2.2 瞬態參數仿真結果

圖6 空載磁場分布

圖7 電壓恢復法仿真曲線

圖8 U∞- U隨時間變化曲線（仿真）

3 結論

由于抽水蓄能電站發電電動機雙向旋轉、轉速較高，其結構與常規水輪發電機不同，尤其是轉子極靴結構特殊，因此電機的很多參數不能采用常規的方法進行計算。本文采用時域有限元方法仿真了參數測量的電壓恢復法試驗過程以計算電機的瞬態參數，計算結果與試驗結果對比表明：所采用的方法正確可行。

用文中闡述的場路耦合時域有限元方法實現了抽水蓄能電站發電電動機參數測量的電壓恢復法試驗過程仿真，使電機瞬態參數的計算方法與試驗方法以及過程相同，計算結果與測量結果可以在同一基準上進行對比分析，并可據此對設計公式進行修正，具有工程應用價值。

表1 某發電電動機瞬態參數計算和試驗結果

注：誤差為（計算值-試驗值）/試驗值，定子繞組端部漏抗在電路中按0.03（p.u.）計入。

[1] 趙政. 發電電動機的安全穩定運行[J]. 大電機技術, 2011(3): 13-16.

[2] GB/T 1029-2005, 三相同步電機試驗方法[S].

[3] 李金香, 孫玉田, 蔣寶剛. 超高壓發電機短路特性和參數計算[J]. 大電機技術, 2008(6): 1-5.

[4] 李金香, 等. 大型空冷汽輪發電機定子不對稱支路繞組性能的數值分析[J]. 大電機技術, 2010(2): 7-11.

[5] 李金香, 等. 變頻凸極同步電動機阻尼條斷裂故障分析[J]. 大電機技術, 2010(3): 5-9.

附錄

某發電電動機主要數據

項目發電機電動機 額定功率/MW145170 額定電壓/kV13.8 額定電流/A6903.17818 額定功率因數0.880.91 額定頻率/Hz50 額定轉速/(r/min)200 空載勵磁電流/A980.58 額定勵磁電流/A1537.21603.2

Study on Calculation Method of Transient Parameters for Motor/Generator

LI Jinxiang, Hu Gang, Wang Lifang, LI Guifen, SUN Yutian

（State Key Laboratory of Hydro-power Equipment, Harbin 150040, China）

FEM of the field-circuit coupled in time domain is described in the paper, the process of voltage recovery test is simulated, and transient parameters of large motor/generator are calculated. It is shown that the proposed method is accurate and feasible. The transient parameter calculation methods are agreed with test methods, as well as the entire process are exactly the same, the calculation results and the measurement results can be comparised and analysised on the same baseline, and it can correct the design formula, it has engineering application value.

motor/generator of pumped-storage power; transient parameters; voltage recovery method; FEM; field coupling with circuit

TM32

A

1000-3983(2014)05-0001-04

2014-03-17

國家科技支撐計劃(2011BAF03B02)

李金香（1965-），1988年畢業于西安交通大學電機專業，2005年獲哈爾濱工業大學電氣工程專業工程碩士學位。現從事電機磁場理論研究與計算、電機瞬變過程分析與計算、電機故障分析等，高級工程師。

審稿人：劉公直