仙居抽水蓄能機組發電電動機運行穩定性研究

鄭小康，羅成宗，黃智欣，劉小松，孫鋒

（1.東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000；2.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居縣 317300）

仙居抽水蓄能機組發電電動機運行穩定性研究

鄭小康1，羅成宗2，黃智欣1，劉小松1，孫鋒1

（1.東方電氣集團東方電機有限公司，四川省德陽市 618000；2.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居縣 317300）

本文介紹了東方電機完全自主開發設計和制造，目前國內單機容量最大的仙居抽水蓄能機組發電電動機在運行穩定性方面的研究及成果。內容主要針對仙居發電電動機軸系穩定性的分析計算、針對提高機組電磁穩定性的方案以及如何避免機組產生共振的措施。通過本文研究成果，能從理論分析上證明仙居機組的穩定可靠性；進一步，也能為今后設計制造抽水蓄能機組提供指導依據。

抽水蓄能；發電電動機；仙居；穩定性；振動

0 引言

抽水蓄能電站屬于大規模的儲能裝置，是世界公認的運行靈活可靠的調峰電源，可承擔電網的調峰、調頻、調相、穩定電力系統的頻率和電壓等任務，因此抽水蓄能機組自身的穩定運行變得至關重要[1]。

機組的穩定性問題不僅是制造廠家設計中所需要研究和解決的重要課題，也是運行維護單位必須面對的關鍵問題。如果機組在運行中產生失穩或劇烈的振動，則可能會制約機組運行效率和出力、降低機組壽命、導致機組故障、引起自身結構甚至水工建筑物的振動破壞。

本文通過理論分析及相關計算，對機組自身的機械穩定行進行深入探討，本文首先考慮機組自身的穩定性，包括軸系臨界轉速和扭轉頻率的分析；在保證軸系安全的情況下，再用電磁剛度改善機組整體剛度方法，提高機組自身穩定性欲度；最后再對機組固有頻率與各相關激振力進行分析，結構上或采取相關措施等，以避免產生機組共振的可能性。通過對仙居電站的研究，確定抽水蓄能機組自身穩定性設計等關鍵技術領域的設計方法，為大型抽水蓄能機組的安全穩定運行提供保障。

1 基本參數

仙居抽水蓄能發電電動機基本參數如表1所示。

表1 仙居抽水蓄能發電電動機基本參數Tab. 1 Main parameters of Xianju pumped storage generator

2 軸系穩定性計算

2.1 計算原理及方法

機組的動力特性是必不可少的考核指標之一，機組軸系的臨界轉速直接影響機組的安全運行[2]。東方電機運用轉子動力學軟件XLROTOR對仙居機組進行軸系臨界轉速計算，完整的轉子動力學方程是從理論上研究轉子振動的出發點，其運動方程見式（1）：

式中：[M]、[K]及[C]—— 系統的質量矩陣、剛度矩陣和阻尼陣；

[J]——系統的回轉矩陣；

Ω——軸旋轉角速度；

{δ}—— 轉子結構各節點在任意時刻t的振動位移列陣；

{p（t）}——荷載列陣。

對機組軸系臨界轉速（橫向自振特性）的研究可轉化為對式齊次式（1）的特征值的研究，令{p（t）}=0，則式（1）可寫成式（2）：

當給定轉子轉速Ω時，計算出的特征值ω為軸系的渦動速度，且一般不等于Ω。而當Ω=ω時，ω便是軸系的臨界轉速。對機組軸系橫向振動相應（擺度）的研究可轉化為對式（1）的精確求解的研究。

2.2 計算結果及結論

2.2.1 軸系臨界轉速計算

軸系臨界轉速計算結果見表2所示。根據共振理論以及合同要求，仙居發電電動機軸系的安全運行范圍為一階臨界轉速為大于等于飛逸轉速的1.25倍。根據計算結果，機組一階臨界轉速為710.6r/min，大于1.25倍飛逸轉速的693.75r/min，滿足機組軸系穩定性的要求。

表2 臨界轉速計算結果Tab. 2 Calculation results of shaft critical speed r/min

2.2.2 軸系扭振頻率計算

為了避免產生共振，機組軸系的扭振頻率須避開直接作用在軸系上的相關激振力頻率。主要為機組自身轉動頻率、水輪機導葉通過頻率和轉輪葉片通過頻率，見表3所示。經計算得，仙居軸系一階扭振頻率為：16.64Hz，二階扭振頻率為35.29Hz，能有效地避開上述激振頻率，避免軸系產生共振的可能性。

表3 激勵力頻率表Tab. 3 Excitation force frequency

3 定子繞組集中布置

根據上述對軸系臨界轉速的計算，已經能夠確保仙居發電電動機軸系的安全穩定運行。但是，為了進一步降低機組的振擺值，在設計過程中引入了集中繞組改善電磁剛度理論，采用集中布置繞組的發電機將具有更大的安全穩定余量。

3.1 繞組集中理論

水輪發電機的轉子與定子一般存在較小程度的偏心，一定程度上影響發電機氣隙在空間分布上的對稱性和均勻性，從而影響機組動態穩定性。當機組容量和轉速提高時，這種不平衡影響將會更大。由此，采取措施減小偏心度對提高機組動態穩定性、保證機組安全運行具有十分重要的意義。

相對于分布布置，定子繞組采用集中布置繞組（見圖1），各支路獨立分布在周向的某個區域，在轉子存在偏心時，靠近轉子的支路繞組將感應較高的電勢；遠離轉子的支路繞組將感應較低的電勢。各個支路感應的電勢的微小差別，將使支路間產生微小的環流。

這種微小的環流恰恰可以抵消一部分氣隙不勻所引起的磁拉力，降低電機的電磁剛度，從而抑制和阻止轉子的進一步偏心。因此，采用集中布置的定子繞組可減少發電機各部分的擺度值、增加機組動態穩定性。

圖1 定子繞組布置方式示意Fig. 1 Sketch of stator winding arrangement

3.2 仙居繞組布置

仙居發電電動機定子為240槽，采用疊繞組接線的繞組集中布置方式，根據上述理論分析，該種布置方式可使發電機電磁剛度的降低。由于電磁剛度是破壞剛度，它的降低有利于機組的穩定。仙居發電機運行剛度值示意圖見圖2。

圖2 仙居發電機運行剛度示意圖Fig. 2 Sketch of Xianju operating stiffness

電磁剛度值代表電磁剛度曲線的斜率，從圖中可看出電磁剛度減少后，該曲線斜率變小。機械剛度是發電機軸、定子、轉子的聯合剛度，它越大，其穩定性越高。從圖2看出，電磁剛度與機械剛度的交點，即是發電機運行點。交點的縱坐標是磁拉力，橫坐標是氣隙位移。因此，可得出電磁剛度越小，機械剛度越大，其交點的縱橫坐標都越小。其氣隙位移和磁拉力就越小，運行就更穩定。

4 避振分析研究

除了考慮機組自身的穩定性及振動擺度之外，為進一步提高抽水蓄能電站廠房結構及機組設計水平，電站廠房及機組的振動越來越成為我們重點關注的問題。仙居發電電動機在設計時，也對廠房和部件之間的共振問題進行分析和預控[4]。

4.1 發電電動機避振分析

在發電機組方案論證設計的初期，對機組的動力特性進行分析計算至關重要。必須對可能產生的機組自身振動或與廠房其他結構部件之間的共振采取規避措施，防患于未然。

在仙居發電電動機方案分析初期，我們從電磁，結構上進行了整體而充分的防振避振考慮。上機架、定子機座、下機架是發電電動機的主要結構部件，它們的動力特性與機組穩定運行息息相關。因此我們對以上部件進行了動力特性有限元分析計算，并對機組有可能產生的振動或共振作了分析和處理。上機架與定子機座在結構上是連接為一個整體的，為此我們對仙居發電電動機上機架及定子機座作為整體的結構進行了動力特性分析計算。

4.2 發電電動機避振措施

4.2.1 發電電動機自身振動規避

水輪發電機組的振動主要分為三大類：電磁振動、機械振動和水利振動。其中以水利振動最為普遍。

首先在電磁參數的選取上仙居發電電動機采用每極每相為整數槽“5”的繞組連接方式，完全消除了次諧波，也就排除了次諧波可能產生的振動。在齒諧波方面，由于仙居發電電動機單元電機為30槽，能產生的低節點對數的齒諧波已為28次，振幅相當小，而且仙居發電電動機氣隙長度大，定子開槽對氣隙磁場的影響較弱，因此在運行中也不會產生齒諧波的振動。

其次在機械上，東電力保在結構設計、制造過程中充分考慮定子鐵心圓度、軸承支撐剛度、轉動部分質量平衡、軸系穩定性等因素，從機械結構上避免機組自身的振動。

4.2.2 發電電動機共振規避

根據振動理論，兩個固有頻率相同或相近的部件之間產生共振的條件是要有激振力的存在。計算得到仙居發電電動機組的主要激振力如表4所示：

表4 仙居發電電動機激振力表Tab. 4 Excitation frequency of Xianju generator

通過對仙居發電電動機上、下機架和定子機座的動力特性有限元計算，得到各主要部件的固有頻率、階數和振型如下表5、表6所示：

表5 上機架和機座的自由振動頻率Tab. 5 Free vibration frequency of upper bracket and stator frame

表6 下機架自由振動頻率Tab. 6 Free vibration frequency of lower bracket

通過計算，仙居發電電動機各部件的固有頻率均已有效地避開機組激振力頻率，避免了發電電動機與其他部件之間產生共振的可能性。

5 結束語

仙居375MW發電電動機是東方電機完全自主開發設計、制造、目前國內單機容量最大的大型抽水蓄能發電電動機。本文通過對仙居機組軸系臨界轉速、扭轉頻率、改善機組整體剛度、避免共振等關鍵技術領域的分析和研究，為仙居機組的安全穩定運行提供了有力保障，也為今后設計制造大型抽水蓄能機組提供了參考和指導。

[1] 張娜，靳亞東，董化宏.抽水蓄能電站的作用和效益[J].中國三峽,2010（11）:25-28.

[2] 江樹勛.水輪發電機組運行穩定性分析[J].四川電力技術,1986（3）:34-39.

[3] 陳錫芳.水輪發電機結構運行監測與維修[M].北京:中國水利水電出版社，2008.

[4] 姚大坤，趙樹山，楊曉君.抽水蓄能水輪發電機組軸系臨界轉速分析[J].東方電氣評論,2006，20（3）:6-9.YAO Dakun，ZHAO Shushan，YANG Xiaojun. Analysis on Shaft Critical Speed of Pump/Turbine & Motor/Generator[J].Dongfang Electric Review, 2006，20（3）:6-9.

[5] 周理兵，馬志云.大型水輪發電機不同工況下不平衡磁拉力[J].大電機技術，2002（2）: 26-29.ZHOU Libing,MA Zhiyun. Unbalanced Magnetic Pull in Large Hydrogenerator for Different Operating Conditions[J]. Large Electric Machine and Hydraulic Turbine，2002（2）: 26-29.

[6] 孫萬泉,馬震岳，趙鳳遙.抽水蓄能電站振源特性分析研究[J].水電能源科學，2003 （4）:78-80.SUN Wanquan，MA Zhenyue，ZHAO Fengyao. Analysis and study on vibration Source Characteristic of Pumped Storage Powerplant[J]. Water Resources And Power，2003 （4）:78-80.

[7] 商舸，黃奮杰.現代水力發電機組工程應用和研究[M].北京:中國電力出版社，2007.

Research of Operational Stability of XianJu Pumped Storage Generator

ZHENG Xiaokang1，LUO Chengzong2，HUANG Zhixin1，LIU Xiaosong1，SUN Feng1
（1.DongFang Electric Machinery Co.，Ltd.，Deyang 618000，China；2. Zhejiang Xianju Pumped Storage Power Station，Xianju 317300，China）

This paper describes the research results of operational stability of Xianju pumped storage generator，which has the largest single unit capacity at present in China. This article mainly includes the calculation of shaft critical speed，how to improve the electromagnetic stability，and how to avoid resonance. The theoretical analysis researches and results in this paper not only show the stability and reliability of Xianju Generator but also provide the guidance basis for the future design and manufacture of pumped storage units.

pumped storage；generator motor；xianju；stability；vibration

TV734.2

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.02.007

2016-10-21

2016-11-20

鄭小康（1959—），男，東方電機有限公司首席專家、總經理助理、副總工程師，正高級工程師。主要研究方向：水輪發電機設計。E-mail：xiaokang_zheng@163.com

羅成宗（1967—），男，浙江仙居抽水蓄能有限公司副總經理，高級工程師。主要研究方向：抽水蓄能電站機組安裝與運維管理。E-mail：chengzong-luo@sgxy.sgcc.com.cn

黃智欣（1974—），男，高級工程師。主要研究方向：水輪發電機設計。E-mail：huangzhixin74 @sina.com

劉小松（1984—），男，工程師。主要研究方向：水輪發電機設計。E-mail：363790316@qq.com

孫 鋒（1981—），男，工程師。主要研究方向：強度振動研究。E-mail：sun.maple@163.com