发电电动机瞬态参数计算方法研究

李金香，胡 刚，王立芳，李桂芬，孙玉田



发电电动机瞬态参数计算方法研究

李金香，胡 刚，王立芳，李桂芬，孙玉田

（水力发电设备国家重点实验室，哈尔滨 150040）

文中阐述了场路耦合时域有限元法及其仿真发电电动机参数测量的电压恢复法试验过程，并计算了大型发电电动机的瞬态参数。计算结果与试验结果对比表明：所阐述的方法正确可行。该方法使电机瞬态参数的计算方法与试验方法及试验过程相同，计算结果与测量结果可以在同一基准上进行对比分析，可对设计公式进行修正，具有工程应用价值。

抽水蓄能发电电动机；瞬态参数；电压恢复法；有限元法；场路耦合

0 前言

抽水蓄能电站通常在电力系统中起调峰填谷、调相调频、紧急事故备用等作用。发电电动机作为抽水蓄能电站的主要设备，受到发电设备行业和电力行业的广泛关注。发电电动机与常规水轮发电机差别很大，其特点是双向旋转、起停频繁、运行工况多且转换频繁、工况转换时间要求严格以及过渡过程复杂等[1]。为了适应这些特点，发电电动机需采用特殊结构，因此其设计技术独特，并随着容量的逐渐增加，设计难度越来越大，很多参数不能采用常规的方法而需要采用有限元数值方法进行计算研究。

本文对抽水蓄能发电电动机的瞬态参数计算方法进行研究，提出一种新的时域有限元方法，仿真电压恢复法测量参数的试验过程。以某抽水蓄能电站发电电动机为例计算瞬态参数，计算结果与实验结果进行对比，用以验证计算方法正确性和可行性。

1 瞬态参数计算方法

1.1 瞬态参数试验测量方法[2]

根据GB/T 1029-2005《三相同步电机试验方法》的第12款，测量同步电机瞬态参数的试验方法主要有四种：分别是电压恢复试验（法）、三相突然短路试验（法）、任意转子位置外施电压试验（法）和转子处于直轴和交轴位置时外施电压试验。标准中还规定：在测取直轴瞬态电抗和直轴超瞬态电抗及电枢绕组短路时励磁电流衰减时间常数（直轴瞬态开路时间常数）优先采用电压恢复法和三相突然短路法。下面主要介绍电压恢复试验（法）。

电压恢复试验（法）试验时绕组接线如图1所示。

图1 电压恢复试验接线图

切除三相稳态短路后的电压恢复试验是在额定转速运行的电机上进行的，在试验开始阶段，电枢绕组通过断路器短路。

电机在电枢绕组短路下运行，励磁电流产生的空载电压应在空载饱和特性直线段上，通常不超过空载额定电压的0.7倍，且在断路器动作瞬间各种条件均处于稳定。由该试验测得的各种参数对应于电机的不饱和状态，为不饱和值。

测量过程中需摄录线电压恢复波形和电枢电流波形，并记录电压恢复开路前电枢电流有效值、励磁电压和励磁电流以及电压恢复开路后的电枢线电压有效值和励磁电流。

根据录波图求取稳态电压与恢复电压波形包络线的差值∞-，并绘制其随时间变化曲线。把该曲线外推到短路切除的瞬间，得到△′(0)+△″(0)。把曲线的直线部分外推到纵坐标轴，得到电压瞬态分量的初始值△′(0)。

1.2 瞬态参数时域有限元仿真方法[3~5]

采用矢量磁位对电磁场有限元区域进行求解。在对电机进行时变电磁场数值分析时，作如下假定：

（1）忽略位移电流，即电磁场为似稳场；

（3）材料各向同性，忽略铁磁材料的磁滞效应，B-H曲线单值；

（4）定子外表面圆周和转子内表面圆周的矢量位为零。

为了模拟励磁电流在试验过程中的变化，采用电压源作为励磁电源，则时变电磁场方程为：

对外加电压和涡流项积分可得导体的电流为：

耦合的电路方程为：

根据电机电磁场的周期分布及每极每相槽数，取二分之一个单元电机作为有限元求解区域，对于本文的实例电机，其求解区域如图2所示。

耦合的电路模型如图3所示。该电路模型本质上与图1完全相同，并可改变模型中电阻RN、RA_Short、RB_Short和RC_Short阻值以及S1、S2和S3开关的导通与关断来设置短路类型，通过电阻和开关的不同设置使之成为空载工况的电路模型以及各种短路工况的电路模型等，具有很强的通用性。

图3中，Lfield为励磁绕组端部电感；Bfield_ R表示励磁绕组的有限元区域；Q1 为阻尼绕组；L_A、L_B和L_C分别为三相定子绕组的端部电感；BA_ plus、BB_ plus和BC_ plus分别表示三相定子绕组有限元区域；RA、RB、RC、RAB、RBC和RAC为测量电阻；RN为接地电阻；RA_ Short、RB_ Short和RC_ Short为设置短路的电阻；S1、S2和S3为设置短路的开关；V1为励磁电压源。

图2 求解区域示意图

图3 耦合电路模型

2 瞬态参数计算

本文将采用试验中更为常用的瞬态参数试验测量方法——电压恢复试验（法）计算同步电机瞬态参数，以便与试验结果进行对比。文中分析计算的某抽水蓄能电站发电电动机的主要数据如附录所示。

2.1 瞬态参数测量结果

稳态电压与恢复电压包络线（有效值）之间的差值∞-随时间变化曲线，如图5所示。为准确地分析曲线，试验时间截取15s。

图4 电压的恢复波形曲线（试验录波图）

图5 U∞- U随时间变化曲线（试验）

2.2 瞬态参数仿真结果

图6 空载磁场分布

图7 电压恢复法仿真曲线

图8 U∞- U随时间变化曲线（仿真）

3 结论

由于抽水蓄能电站发电电动机双向旋转、转速较高，其结构与常规水轮发电机不同，尤其是转子极靴结构特殊，因此电机的很多参数不能采用常规的方法进行计算。本文采用时域有限元方法仿真了参数测量的电压恢复法试验过程以计算电机的瞬态参数，计算结果与试验结果对比表明：所采用的方法正确可行。

用文中阐述的场路耦合时域有限元方法实现了抽水蓄能电站发电电动机参数测量的电压恢复法试验过程仿真，使电机瞬态参数的计算方法与试验方法以及过程相同，计算结果与测量结果可以在同一基准上进行对比分析，并可据此对设计公式进行修正，具有工程应用价值。

表1 某发电电动机瞬态参数计算和试验结果

注：误差为（计算值-试验值）/试验值，定子绕组端部漏抗在电路中按0.03（p.u.）计入。

[1] 赵政. 发电电动机的安全稳定运行[J]. 大电机技术, 2011(3): 13-16.

[2] GB/T 1029-2005, 三相同步电机试验方法[S].

[3] 李金香, 孙玉田, 蒋宝刚. 超高压发电机短路特性和参数计算[J]. 大电机技术, 2008(6): 1-5.

[4] 李金香, 等. 大型空冷汽轮发电机定子不对称支路绕组性能的数值分析[J]. 大电机技术, 2010(2): 7-11.

[5] 李金香, 等. 变频凸极同步电动机阻尼条断裂故障分析[J]. 大电机技术, 2010(3): 5-9.

附录

某发电电动机主要数据

项目发电机电动机 额定功率/MW145170 额定电压/kV13.8 额定电流/A6903.17818 额定功率因数0.880.91 额定频率/Hz50 额定转速/(r/min)200 空载励磁电流/A980.58 额定励磁电流/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

国家科技支撑计划(2011BAF03B02)

李金香（1965-），1988年毕业于西安交通大学电机专业，2005年获哈尔滨工业大学电气工程专业工程硕士学位。现从事电机磁场理论研究与计算、电机瞬变过程分析与计算、电机故障分析等，高级工程师。

审稿人：刘公直