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同步发电机异常非线性特征的研究

作　者: 蒙亮
导　师: 罗应立
学　校: 华北电力大学（北京）
专　业: 电机与电器
关键词: 汽轮发电机非线性时步有限元稳定分析增量电抗电磁力
分类号: TM341
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

本文研究汽轮发电机在各种正常及非正常运行条件下的非线性特性。首先对比研究了具有不同结构的汽轮发电机在稳态条件下的异常非线性特征,以及这种非线性特征对发电机参数及电磁力分布的影响,进一步建立了基于时步有限元方法的单机无穷大系统非线性仿真模型,研究了同步发电机的复杂非线性特性对系统稳定的影响。本文的工作及主要研究成果包括以下几个方面: (1) 揭示了不同结构的汽轮发电机在非正常运行条件下均具有异常非线性特征,首次提出汽轮发电机具有铁磁饱和与磁场畸变共同作用的双因素非线性,进一步研究了双因素非线性对传统负载饱和特性的重要影响,得到了一系列新的结果。 (2) 确定了基于有限元的发电机增量电抗计算方法,以三种典型汽轮发电机(135MW、300MW和600MW)为例,揭示了增量电抗随功角、有功功率和励磁电流等运行条件变化的非线性特征。 (3) 在考虑发电机非线性的基础上,对计算转子铁心表面局部电磁力的公式进行了重要改进。进而根据某600MW汽轮发电机转子铁心故障分析的需要,详细分析了其转子铁心表面电磁力的分布,首次发现大齿后侧的第一、二小齿电磁力密度达到平均值的2.5倍,因而是局部受力非常集中的危险部位,该结果与故障发电机的转子实际故障部位相符,对该发电机故障分析起了重要的参考作用。 (4) 建立了既考虑发电机内部非线性又考虑外部电路拓扑结构的用于系统动态分析的时步有限元模型。该模型将描述发电机内部非线性的偏微分方程与描述系统动态过程的常微分方程有机结合,能方便地对变压器出口短路故障和线路短路、切除、重合闸等动态过程进行仿真。 (5) 以单机无穷大系统大扰动的动态过程仿真为实例,对发电机的时步有限元模型、线性Park方程模型和空载饱和Park方程模型进行了对比,揭示了采用不同发电机模型的动态仿真结果有明显的差别:采用计及发电机复杂非线性的时步有限元模型时,仿真结果显示出系统具有更高的稳定性。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-19
  1.1 研究同步发电机非线性特征的意义  10-14
    1.1.1 同步发电机非线性特性对电力系统运行行为的影响  11-13
    1.1.2 同步发电机非线性特性对发电机参数及运行行为的影响  13-14
  1.2 同步发电机非线性特征的国内外研究情况  14-16
    1.2.1 在参数数值计算和辨识方面  14-15
    1.2.2 在有限元动态计算方面  15-16
    1.2.3 本课题组的前期研究成果  16
  1.3 本文问题的提出、研究内容以及主要贡献  16-19
    1.3.1 问题的提出  16-17
    1.3.2 本文的研究内容及主要成果  17-19
第二章汽轮发电机的双因素非线性特性及增量电抗的变化规律  19-43
  2.1 引言  19-20
  2.2 汽轮发电机稳态磁场计算的数学模型  20-23
    2.2.1 基本假设  20
    2.2.2 汽轮发电机稳态磁场计算的数学模型  20-21
    2.2.3 汽轮发电机不同工况时恒定磁场的计算方法  21-23
  2.3 有限元计算结果与现场实测数据的对比  23-25
  2.4 双因素对汽轮发电机非线性特性的影响  25-33
    2.4.1 铁心饱和的影响  25-29
    2.4.2 磁场畸变的影响  29-33
  2.5 汽轮发电机增量电抗的变化规律  33-42
    2.5.1 增量电抗的计算方法  34-36
    2.5.2 功角变化对增量电抗的影响  36-40
    2.5.3 励磁电流变化对增量电抗的影响  40-42
  2.6 小结  42-43
第三章汽轮发电机转子表面电磁力分布状况的研究  43-61
  3.1 引言  43-44
  3.2 转子铁心横截面上各部分所受电磁力及其计算方法  44-48
    3.2.1 转子铁心横截面上各部分所受电磁力的两个类型  44
    3.2.2 铁心与空气交界面上的磁场力的计算方法  44-47
    3.2.3 励磁绕组受到的电磁力的计算  47-48
  3.3 电磁力分析所需磁场量的数值计算及确保计算精度的措施  48-49
    3.3.1 汽轮发电机磁场的计算  48
    3.3.2 保证计算精度的系列措施及磁场计算结果  48-49
  3.4 转子铁心表面电磁力的分布状况  49-58
    3.4.1 转子槽两侧受到的磁场力沿齿高的分布  49-53
    3.4.2 转子槽两侧受到的磁场力沿转子圆周的分布  53-54
    3.4.3 转子的齿顶和槽底受到的磁场力  54-55
    3.4.4 转子槽内励磁绕组对转子的作用力  55-56
    3.4.5 励磁绕组所受切向电磁力与转子齿壁所受磁场力的对比  56
    3.4.6 与线性磁应力计算公式计算结果的对比  56-58
  3.5 计算结果的合理性分析  58
  3.6 其他工况时转子表面电磁力分布状况  58-60
  3.7 小结及有待进一步研究与探索的问题  60-61
    3.7.1 小结  60
    3.7.2 有待进一步研究与探索的问题  60-61
第四章同步发电机与△-Y_0变压器相联的时步有限元仿真模型  61-79
  4.1 引言  61
  4.2 仿真模型  61-71
    4.2.1 同步发电机瞬态磁场的计算模型  62-63
    4.2.2 外部电路方程  63-64
    4.2.3 仿真系统的离散模型  64-66
    4.2.3 电磁转矩的计算  66-68
    4.2.4 自动电压调节(AVR)  68-69
    4.2.5 网格的动态模型  69-70
    4.2.6 仿真的初始条件和流程图  70-71
  4.3 提高计算精度的措施  71-76
    4.3.1 三次谐波的消除  72-73
    4.3.2 仿真时间步长的选择  73-74
    4.3.3 槽楔的等效电导率  74-75
    4.3.4 转子表面的剖分策略  75-76
  4.4 仿真算例  76-78
  4.5 小结  78-79
第五章基于三种不同发电机模型的系统动态仿真分析  79-101
  5.1 引言  79
  5.2 基于同步发电机Park方程的系统仿真模型  79-86
    5.2.1 同步发电机模型的选择  79-80
    5.2.2 基于线性Park方程的仿真模型  80-84
    5.2.3 基于空载饱和特性的Park方程仿真模型  84-86
  5.3 三相空载短路故障仿真分析  86-92
    5.3.1 时步有限元模型的仿真  86-90
    5.3.2 基于Park方程模型的仿真  90-91
    5.3.3 仿真结果分析  91-92
  5.4 单机无穷大系统功角稳定仿真分析  92-100
    5.4.1 三种模型的仿真  92-99
    5.4.2 仿真结果分析  99-100
  5.5 小结  100-101
第六章结论与展望  101-103
  6.1 结论  101
  6.2 对以后进一步研究工作的展望  101-103
参考文献  103-108
致谢  108-109
附录1  109-111
附录2  111-112
攻读博士学位期间发表的学术论文  112-113
攻读博士学位期间参加的科研工作  113

同步发电机异常非线性特征的研究

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