发电电动机多工况动态转换约束机理研究

Generator/motor is part of the core equipment in pumped storage plant, and the dynamic problems of multi-operating model conversion are always the key point of research. In this project, based on the operation characteristic analysis of the generator/motor, the coupled mathematical model and physical model are established with the theory of transient process for electrical machine, combining with the specific conditions of different physical processes and boundary conditions conversion requirements, and then it is explored that the dynamic changes of external electrical parameters, such as power, voltage, current, power factor, etc. Meanwhile, by means of analysis and calculation of the transient electromagnetic field in the operation conversion physical process, the relative displacement characteristics of stator bar under the effect of dynamic electromagnetic force are explored, and the law of shear stress effect of copper bar with insulation. After that, dynamic margin of energy conversion control in the process of transition is proposed with comprehensive analysis of internal and external factors. And then the method of determining the dynamic margin is present. Finally, the electrical quantities vary law, which affects the dynamic stability margin, is also presented. The investigations of this project are provided some theory references for the research and development of China’s large capacity generator/motor multi-operating model conversion, and there is important practical significance to the pumped storage plant safety, stable, efficient operation.

发电电动机是抽水蓄能电站核心设备之一，其工况动态转换问题一直是研究的重点。本项目在分析发电电动机运行特点的基础上，采用电机瞬变过程分析的基本理论，结合不同工况转换的具体物理过程和边界条件要求，建立发电电动机多工况动态转换运行全过程耦合数学模型和物理模型，探寻工况动态转过程中电机功率、电压、电流、功率因素等外部电气量的变化规律。同时，通过工况动态转换间物理过程的分析及瞬态电磁场的计算，揭示工况动态转换过程中定子线棒在动态电磁力作用下的相对位移特性，以及导致线棒内铜排与外绝缘间分层的剪应力作用规律。综合分析电机内外影响因素，给出多工况转换动态过渡过程稳定裕度的确定依据，从而提出多工况转换过程中动态稳定裕度判定方法，系统研究影响动态稳定裕度相关因素，给出影响动态稳定裕度电气量的变化规律。为我国大容量发电电动机工况动态转换提供理论参考，对抽水蓄能电站安全、稳定、高效运行具有重要的现实意义。

本项目针对抽水蓄能电站发电电动机动态转换问题，在分析其运行特点的基础上，采用电机瞬变过程分析的基本理论，并结合不同工况转换与运行的具体物理边界条件要求，完成了项目任务书中的全部研究工作。总结分析了发电电动机静止变频器起动系统的故障类型，通过对静止变频器逆变桥臂断路故障时磁动势的研究，提出了逆变桥一桥臂断路容错运行的可行性，建立了发电电动机静止变频器起动时步有限元模型，在实验验证时步有限元模型的基础上，对静止变频器逆变桥一支路桥臂断路起动过程进行了有限元计算，得到了不同时刻故障后转速、转矩的变化规律，验证了逆变桥一支路桥臂断路容错能力。根据故障时刻转子位置提出了改进容错导通控制方案，有限元计算结果验证了改进方案的有效性。揭示了发电电动机不同工况运行条件下的阻尼绕组电流特性规律，应用已建立的模型，针对发电电动机半阻尼结构下空载运行工况进行了时步有限元仿真，全面分析了阻尼条数目、直径、槽距比、极靴形状等一种或多种因素对阻尼绕组电流及转子铁心阻尼槽口附近磁密的影响，揭示了空载工况下阻尼绕组电流、各次谐波及阻尼槽壁磁密的分布规律，给出了不同因素作用下阻尼绕组电流变化规律，为阻尼绕组优化及电机转子损耗的评估提供参考。通过有限元仿真分析得出半阻尼结构下畸变率与槽距比、阻尼条数目、直径、阻尼绕组中心偏移等影响因素之间的相关规律,并与试验结果进行了对比分析，得出空载电压波形中主要谐波随各结构参数变化的规律，为电机谐波消除及电机优化设计提供参考依据。分别推导出了单相接地短路、相间短路及两相接地短路的磁动势及电磁力的数学表达式，揭示了发电电动机发电工况下非正常运行电磁力的数学规律，分析了负载电流、电磁转矩等参量非正常运行下的变化规律，给出了三种外部短路故障下气隙磁密变化规律和涡流分布规律，计算出了空载和负载两种工况运行时故障条件下阻尼绕组电磁力的作用规律。通过对发电电动机转子结构形变的分析，提出了适应高速运行或频繁动态转换运行的发电电动机转子结构，为发电电动机安全稳定运行及设计提供了参考。