專利名稱：一種發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真簡化模型及其建模方法和應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真模型，尤其涉及一種對奇數(shù)編號的轉(zhuǎn)子極面下的阻尼回路進行簡化等效的發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真模型及其建模方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：
為了深入探討發(fā)電機內(nèi)部故障情況下的電氣特性以便對發(fā)電機保護進行系統(tǒng)和量化的研究分析，自上世紀中葉以來，學(xué)者們對發(fā)電機內(nèi)部短路故障計算問題開展了廣泛研究[文獻1、2]，限于當(dāng)時的認識水平，研究工作主要是基于對稱分量法展開；后來發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機發(fā)生內(nèi)部非對稱短路故障情況下，氣隙磁場存在很強的分數(shù)次和高次諧波分量[文獻3]，此時，對稱分量法產(chǎn)生的各序量間有了依存關(guān)系，使得傳統(tǒng)的對稱分量法和派克變換都不再適用于發(fā)電機內(nèi)部故障的計算工作。
發(fā)電機內(nèi)部定轉(zhuǎn)子回路方程的多回路分析法[文獻3]的提出，從理論上對發(fā)電機定子繞組結(jié)構(gòu)形式及內(nèi)部故障情況下氣隙諧波的計算提供了解決方法。[文獻3]以定子單匝線圈和轉(zhuǎn)子各阻尼網(wǎng)孔為基本單元，對多回路理論及各繞組間電感參數(shù)的計算方法進行了詳細闡述，[文獻4、5]結(jié)合外部約束條件通過列寫發(fā)電機內(nèi)部定轉(zhuǎn)子回路間的電磁關(guān)系建立了相應(yīng)的仿真模型。
但上述這類發(fā)電機內(nèi)部故障仿真模型將轉(zhuǎn)子阻尼回路單獨處理，在大型水輪發(fā)電機中計及每個極面下的阻尼條時，仿真模型的階次相當(dāng)高，這樣就使得模型用于暫態(tài)求解時的仿真耗時非常長[文獻6、7]，而大型水輪發(fā)電機主保護優(yōu)化設(shè)計工作需要對成千上萬的故障進行仿真分析[文獻8]，這樣，這類常規(guī)的基于完全多回路的仿真模型用于暫態(tài)計算時的仿真耗時過長問題，使得該模型無法滿足工程實際應(yīng)用要求。
以四川大渡河瀑布溝600MW大型水輪發(fā)電機為例，該發(fā)電機定子每相6分支，轉(zhuǎn)子48極，其中每極包含6根阻尼條，在發(fā)電機并網(wǎng)運行時內(nèi)部短路故障情況下模型的階次可達307階。研究表明，對該發(fā)電機的一種內(nèi)部短路故障情況進行5個周波的暫態(tài)仿真需要半小時以上(采用Pentium2.4GHz主頻的CPU，512M內(nèi)存)；已有文獻[文獻7]提出了基于轉(zhuǎn)子每極面雙阻尼條的模型簡化方法，此簡化方法對瀑布溝發(fā)電機一個內(nèi)部故障仿真5個周波時間也達7分鐘左右(對三峽等大型的轉(zhuǎn)子極數(shù)更多的發(fā)電機仿真時間會更長)，而在研究發(fā)電機主保護配置方案時需要對成千上萬的故障進行仿真計算，對此瀑布溝發(fā)電機進行一次批量故障的仿真時間要達二十多天[文獻7]。因此，在這類大批量的發(fā)電機內(nèi)部故障的暫態(tài)仿真計算上，其求解耗時很難滿足工程應(yīng)用要求，而且階次過高在求解過程中也容易導(dǎo)致產(chǎn)生較大的累積誤差。
為了得到批量故障的電壓電流數(shù)據(jù)，實際工程應(yīng)用中曾一度采用了將高階微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程的辦法；代數(shù)方程求解快，但所得到的是故障的穩(wěn)態(tài)電氣量，而繼電保護需要的是電氣量的暫態(tài)故障特性數(shù)據(jù)；因此，基于求解代數(shù)方程的做法不能滿足大型水輪發(fā)電機繼電保護研究和工程應(yīng)用的要求。
要快速得到批量故障的暫態(tài)電氣量數(shù)據(jù)，以用于發(fā)電機主保護設(shè)計的工程實際，就必須對現(xiàn)有的仿真模型建立方法進行降階簡化，因此，尋求合適的發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真建模方法一直是發(fā)電機主保護研究和工程應(yīng)用領(lǐng)域一個迫切需要解決的問題。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就在于克服現(xiàn)有基于回路方程的大型發(fā)電機內(nèi)部故障仿真模型用于發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真計算時，維數(shù)高、耗時長、不能快速得到成千上萬故障形式的暫態(tài)數(shù)據(jù)的難題，提供一種基于奇數(shù)轉(zhuǎn)子極面等效阻尼回路的發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真模型及其建模方法和應(yīng)用。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的 以前述四川瀑布溝600MW大型水輪發(fā)電機為例，該發(fā)電機定子分3相、每相6分支，轉(zhuǎn)子48極，其中每極包含6根阻尼條，在發(fā)電機并網(wǎng)運行時內(nèi)部短路故障情況下模型的階次可達307階(包括，阻尼回路48×6＝288、勵磁繞組1、定子繞組自由變量3×6-1＝17，定子短路環(huán)1；288+1+17+1＝307)。
本發(fā)明提出的模型將阻尼繞組簡化等效后，24個奇數(shù)編號極面下等效的阻尼棒總數(shù)為48根，此時發(fā)電機并網(wǎng)運行時內(nèi)部短路故障情況下模型的階次僅為67階(包括，阻尼回路48、勵磁繞組1、定子繞組自由變量3×*6-1＝17，定子短路環(huán)1；48+1+17+1＝67)。
對轉(zhuǎn)子極數(shù)和每極下阻尼棒更多的發(fā)電機，本發(fā)明對微分方程階數(shù)簡化的效果更加明顯，這也使得對成千上萬的批量故障進行仿真計算，并快速得出故障暫態(tài)特性成為可能。
一、基于奇數(shù)轉(zhuǎn)子極面等效阻尼回路的發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真模型 本模型的結(jié)構(gòu) 發(fā)電機的定子為a、b、c三相，每相各分支都分別等效為電感和電阻的串聯(lián)形式，如圖4所示。
發(fā)電機轉(zhuǎn)子的阻尼繞組，按如圖3中粗線所示的等效結(jié)構(gòu)，即只計及奇數(shù)轉(zhuǎn)子極面下的阻尼繞組，并且，將每個奇數(shù)轉(zhuǎn)子極面下阻尼繞組等效為2根阻尼棒的形式。
本模型的工作原理 以定子線圈和等效阻尼網(wǎng)孔為基本單元，列寫定、轉(zhuǎn)子各繞組的磁鏈及電壓方程，建立發(fā)電機內(nèi)部故障仿真模型； 將阻尼網(wǎng)孔進行等效和簡化的原因是為了解決基于實際阻尼網(wǎng)孔建模時，導(dǎo)致的仿真模型維數(shù)高、計算耗時長、不能快速進行批量故障的仿真計算的難題。
二、發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真模型的建模方法 包括下列步驟 ①根據(jù)轉(zhuǎn)子及其阻尼棒結(jié)構(gòu)，確定等效的阻尼棒參數(shù)及間距，作為阻尼網(wǎng)孔列寫的基礎(chǔ)； ②列寫定子各分支、轉(zhuǎn)子勵磁繞組的電壓方程； ③列寫轉(zhuǎn)子各等效阻尼籠型回路的電壓方程； ④將定子、轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程整理，即可得發(fā)電機內(nèi)部仿真計算模型的微分方程。
本發(fā)明具有下列優(yōu)點和積極效果 ①該發(fā)明將阻尼繞組結(jié)構(gòu)大量簡化，使得所列寫的用于發(fā)電機內(nèi)部故障仿真模型的微分方程階次(維數(shù))大為降低，仿真計算時間縮短。
②大型水輪發(fā)電機主保護方案優(yōu)化設(shè)計過程中，需要對成千上萬的故障進行計算?？朔藗鹘y(tǒng)的對阻尼回路不簡化的模型在現(xiàn)有計算機水平下進行批量計算，耗時過長，不滿足工程應(yīng)用的難題。
③本發(fā)明適用于發(fā)電機內(nèi)部故障仿真分析和水輪發(fā)電機主保護設(shè)計領(lǐng)域。



圖1是轉(zhuǎn)子極面下原始阻尼棒的排列圖(以每極面下6根阻尼棒為例)； 圖2是轉(zhuǎn)子極面下阻尼棒簡化的排列圖(其中粗線是對奇數(shù)編號轉(zhuǎn)子極的阻尼棒的簡化)； 圖3是簡化仿真模型中阻尼棒和連接導(dǎo)線條示意圖； 圖4是仿真模型中定子繞組的等效電路圖。
其中 1-第1轉(zhuǎn)子極； 2-第2轉(zhuǎn)子極； 3-第3轉(zhuǎn)子極； 4-第4轉(zhuǎn)子極； ...... n-第n轉(zhuǎn)子極；。
轉(zhuǎn)子的極數(shù)根據(jù)發(fā)電機不同而異，如三峽左岸ALSTOM發(fā)電機為80極，三峽右岸ALSTOM發(fā)電機為84極，四川瀑布溝DFEM發(fā)電機為48極； 圖1、2、3中只畫出了其中的4個轉(zhuǎn)子極面作為示例。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明 一、模型的結(jié)構(gòu) 對發(fā)電機定子繞組和轉(zhuǎn)子阻尼繞組的等效結(jié)構(gòu)分別如圖4和圖3； 模型的建立過程即根據(jù)定子、轉(zhuǎn)子各回路的電壓和磁鏈關(guān)系，列寫方程，最終得到如下的微分方程組形式；通過求解該微分方程組，即可得到發(fā)電機定子繞組暫態(tài)電流和電壓數(shù)值。
其中，Is’和Us’是定子各支路的電流和電壓量； Ir和Ur是轉(zhuǎn)子各回路的電流和電壓量； p代表導(dǎo)數(shù)，即微分算子； M和N是該微分方程組的系數(shù)矩陣。
二、建模方法 假設(shè)發(fā)電機定子每相由m個分支并聯(lián)組成，將各定子分支等效為電阻和電感的串聯(lián)，其等效電路如圖4所示。
轉(zhuǎn)子側(cè)阻尼繞組的方程按本簡化方法的等效回路列寫，奇數(shù)極面下2根阻尼條的情況如圖3所示。當(dāng)轉(zhuǎn)子極數(shù)為2P時，等效的轉(zhuǎn)子阻尼回路總數(shù)為dn＝P×2。
采用正電流產(chǎn)生正磁鏈規(guī)則，則圖4中定子各分支電壓方程可表示為 . . . . . (1) . . . . 轉(zhuǎn)子勵磁繞組電壓方程可寫為 對轉(zhuǎn)子阻尼網(wǎng)孔，設(shè)rdi為di等效阻尼網(wǎng)孔的環(huán)路電阻，rmd是每根等效阻尼棒電阻，則各等效阻尼籠型回路的電壓方程可寫為 . . (3) . 式(1)(2)(3)可寫為 式中‘s’表示定子量，‘r’表示轉(zhuǎn)子量，定、轉(zhuǎn)子磁鏈分別為 ψs＝[ψa1，ψa2，…ψam，ψb1，ψb2，…ψbm，ψc1，ψc2，…ψcm]T(3m×1)， ψr＝[ψf，ψd1，…，ψdn]T， 定、轉(zhuǎn)子電壓向量分別為 Us＝[-ua…-ua-ub…-ub-uc…-uc]T，Ur＝[uf0d1…0dn]T 定、轉(zhuǎn)子電流向量分別為 轉(zhuǎn)子各電量中uf，if為勵磁繞組電壓電流； idk為第k個等效阻尼繞組回路電流。
式4中，定子電阻矩陣 轉(zhuǎn)子電阻矩陣 式(1)變形有 . . . . . . . . . 設(shè)ψs1＝[ψa1，ψa2，…ψam，ψb1，ψb2，…ψbm，ψc1，ψc2，…ψcm-1]T(3m-1)×1 ψs2＝[ψa2，ψa3，…ψam，ψb1，ψb2，…ψbm，ψc1，ψc2，…ψcm]T(3m-1)×1 則式5磁鏈相關(guān)變量可改寫為 其中Er為(3m-1)×3m矩陣， 當(dāng)發(fā)電機中性點不接地或經(jīng)大電阻接地時有約束條件 ia1+ia2+…+iam+ib1+ib2+…+ibm+ic1+ic2+…+icm＝0(7) 令I(lǐng)s＝[ia1，ia2，…，iam，ib1，ib2，…，ibm，ic1，ic2…icm]T，I′s＝[ia1，…iam，ib1，…，ibm，ic1，…，icm-1]T 則有Is＝DrI′s式中 令
聯(lián)立式(5)和式(6)有 另一方面，定、轉(zhuǎn)子的磁鏈方程為 其中，Lss為3m×3m階定子電感矩陣，定、轉(zhuǎn)子互感矩陣Lsr，Lrs的階次分別為3m×(n+1)和(n+1)×3m。
因此，定子磁鏈 將式(10)代入式(8)整理可得 式中，令M11＝ErLssDr，M12＝ErLsr，N11＝(ErpLssDr+rsErDr)，N12＝ErpLsr；其中p為微分算子，M11、N11為(3m-1)×(3m-1)矩陣，M12、N12為(3m-1)×(n+1)矩陣。
則(11)式可改寫為 同理由式(4)可得轉(zhuǎn)子回路電壓方程為 其中轉(zhuǎn)子磁鏈 式中Lrs，Lrr分別為(n+1)×3m，(n+1)×(n+1)矩陣，將式(14)代入式(13)可整理得 令M21＝LrsDr，M22＝Lrr，N21＝pLrsDr，N22＝Rr 其中M21、N21為(n+1)×(3m-1)矩陣，M22、N22為(n+1)×(n+1)矩陣。聯(lián)立式(12)和式(15)可得如下大型多分支水輪發(fā)電機非故障情況下得仿真模型數(shù)學(xué)表達式。
式中，M和N矩陣中除了M22和N22外，其它系數(shù)都是時變的，通過求解此變系數(shù)微分方程組即可得到發(fā)電機運行過程中的各電氣量特性。
三、本發(fā)明的應(yīng)用 基于本發(fā)明所提出的模型及其建模方法，可快速計算得到發(fā)電機大批量的內(nèi)部故障形式的各電氣量(電流、電壓)暫態(tài)故障數(shù)據(jù)，這些故障數(shù)據(jù)可用于發(fā)電機繼電保護方案的研究，以及主保護方案的優(yōu)化設(shè)計工作的工程應(yīng)用。
文獻索引何仰贊，同步發(fā)電機內(nèi)部短路故障計算，華中工學(xué)院學(xué)報，1979(1)140-151侯煦光、楊順義，汽輪發(fā)電機定子繞組開焊故障的計算分析，電站設(shè)備自動化，1981(3)6-8高景德、王祥珩、李發(fā)海，交流電機及其系統(tǒng)的分析，北京，清華大學(xué)出版社，1993張龍照，同步電機定子繞組不對稱狀態(tài)的研究[D]，北京，清華大學(xué)，1989屠黎明，同步發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障分析方法及其應(yīng)用的研究[D]，南京，東南大學(xué)，1999孫宇光、王祥珩、桂林等，三峽發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障暫態(tài)仿真計算，電力系統(tǒng)自動化，2002，26(16)，56-61夏勇軍、尹項根、陳德樹、等，大型水輪發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真模型的簡化及其仿真驗證電力系統(tǒng)自動化，2006，30(12)黃磊、尹項根、夏勇軍，一種特大型水輪發(fā)電機定子故障形式分析及其搜索算法設(shè)計，繼電器，2005，33(15)1-權(quán)利要求
1、一種將奇數(shù)編號轉(zhuǎn)子極面下阻尼繞組進行簡化等效的發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真模型，發(fā)電機的定子為a、b、c三相，每相各分支都分別等效為電感和電阻的串聯(lián)形式；根據(jù)定子、轉(zhuǎn)子各回路的電壓和磁鏈關(guān)系，列寫方程，得到微分方程組形式的數(shù)學(xué)模型
通過求解微分方程組，即可得到發(fā)電機定子繞組暫態(tài)電流和電壓數(shù)值；
其中，Is’和Us’是定子各支路的電流和電壓量，
Ir和Ur是轉(zhuǎn)子各回路的電流和電壓量，
p代表導(dǎo)數(shù)，即微分算子，
M和N是該微分方程組的系數(shù)矩陣；
其特征在于
對發(fā)電機轉(zhuǎn)子的阻尼繞組的處理上，只計及奇數(shù)編號轉(zhuǎn)子極面下的阻尼繞組，并且將每個奇數(shù)編號轉(zhuǎn)子極面下阻尼繞組等效為2根阻尼棒的形式。
2、按權(quán)利要求1所述的仿真模型的建模方法，其特征在于包括下列步驟
①根據(jù)轉(zhuǎn)子及其阻尼棒結(jié)構(gòu)，確定等效的阻尼棒參數(shù)及間距，作為阻尼網(wǎng)孔列寫的基礎(chǔ)；
②列寫定子各分支、轉(zhuǎn)子勵磁繞組的電壓方程；
③列寫轉(zhuǎn)子各等效阻尼籠型回路的電壓方程；
④將定子、轉(zhuǎn)子側(cè)電壓方程整理，即可得發(fā)電機內(nèi)部仿真計算模型的微分方程。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真模型及其建模方法和應(yīng)用，涉及一種發(fā)電機內(nèi)部故障暫態(tài)仿真模型。本模型是發(fā)電機的定子為a、b、c三相，每相各分支都分別等效為電感和電阻的串聯(lián)形式；根據(jù)定子、轉(zhuǎn)子各回路的電壓和磁鏈關(guān)系，列寫方程，得到微分方程組形式的數(shù)學(xué)模型，通過求解微分方程組，即可得到發(fā)電機定子繞組暫態(tài)電流和電壓數(shù)值；發(fā)電機轉(zhuǎn)子的阻尼繞組，只計及奇數(shù)轉(zhuǎn)子極面下的阻尼繞組，并且將每個奇數(shù)轉(zhuǎn)子極面下阻尼繞組等效為2根阻尼棒的形式。本發(fā)明將阻尼繞組結(jié)構(gòu)大量簡化，使得所列寫的用于發(fā)電機內(nèi)部故障仿真模型的微分方程階次大為降低，仿真計算時間縮短。適用于發(fā)電機內(nèi)部故障仿真分析和水輪發(fā)電機主保護設(shè)計領(lǐng)域。
文檔編號G06F17/50GK101340121SQ200810048990
公開日2009年1月7日 申請日期2008年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月28日
發(fā)明者夏勇軍, 剛 胡 申請人:湖北省電力試驗研究院