一种汽轮发电机阻尼有限元模型的校验方法与流程

本发明属于汽轮发电机阻尼有限元模型的校验技术领域，尤其是一种汽轮发电机阻尼有限元模型的校验方法。

背景技术：

汽轮发电机是电力系统中最重要的设备之一，其运行特性特别是动态特性对电力系统的稳定性具有重要作用。在发电机动态过程中，转子阻尼发挥了重要作用，转子阻尼可以抑制和削弱汽轮发电机内部可能出现的谐波磁场、异步磁场或突变磁场，可以降低励磁电流波动，减小励磁绕组发生过电压的可能性，并且还可以降低动态过程中发电机的转矩波动或冲击。而在汽轮发电机有限元仿真中，阻尼参数的校验对判断阻尼模型设置是否合理具有重要的意义。

传统的阻尼参数校验方法是把通过有限元仿真获取的发电机定子三相短路电流曲线与实测定子三相短路电流曲线比较，根据定子三相短路电流波形的对比进一步修改阻尼参数，直至仿真定子三相短路电流波形与实测定子三相短路电流波形吻合。传统的转子阻尼参数校验方法具有校验工作量大、校验困难等缺点，在校验汽轮发电机阻尼参数时，效果并不理想。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种汽轮发电机阻尼有限元模型的校验方法，实现对所搭建仿真模型中阻尼参数较为方便和可靠的校验。为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下：

通过比较所搭建的发电机有限元仿真模型中转子q轴与目标相绕组轴线重合、转子d轴与目标相绕组轴线重合两种状态下定子目标相绕组的交流阻抗仿真值zsq、zsd和在原型发电机上的实测值zsq＇、zsd＇判断有限元仿真模型中阻尼模型设置的合理性。将发电机转子q轴转至与目标相轴线重合，保持转子位置不变，励磁绕组为开路状态，在定子目标相绕组两端施加有效值为uq的交流电压，仿真取得目标相交流电流的有效值iq，确保电流不超过额定值，进一步计算目标相绕组交流阻抗的仿真值zsq，将之与目标相绕组交流阻抗的实际值zsq＇比较，偏差为：将发电机转子d轴转至与目标相轴线重合，保持转子位置不变，励磁绕组为开路状态，在定子目标相绕组两端施加有效值为ud的50hz交流电压，仿真取得目标相交流电流的有效值id，进一步计算目标相绕组交流阻抗的仿真值zsd，将之与目标相绕组交流阻抗的实际值zsd＇比较，偏差为：当a％和b％都在设定阈值之内即可判定所搭建的汽轮发电机有限元仿真模型中阻尼模型的设置是正确的。

具体步骤如下：

a、在汽轮发电机有限元模型中，将发电机转子q轴转至与目标相轴线重合，目标相为a相或b相或c相，保持转子静止，励磁绕组为开路状态，在定子目标相绕组两端施加有效值为uq的交流电压，仿真获得目标相绕组电流的稳态有效值iq，计算目标相绕组交流阻抗值

b、在原型汽轮发电机上进行实际测试，将发电机转子q轴转至与目标相轴线重合，保持转子静止，励磁绕组为开路状态，在定子目标相绕组两端施加与步骤a相同的交流电压uq，测得目标相绕组电流的稳态有效值iq＇，计算目标相绕组交流阻抗值

c、将有限元仿真所得到的汽轮发电机目标相绕组交流阻抗值zsq与实测值zsq＇比较，第一偏差为

d、在汽轮发电机有限元模型中，将发电机转子d轴转至与目标相轴线重合，保持转子静止，励磁绕组为开路状态，在定子目标相绕组两端施加有效值为ud的交流电压，仿真取得目标相交流电流的有效值id，计算目标相绕组交流阻抗的仿真值

e、在原型汽轮发电机上进行实际测试，将发电机转子d轴转至与目标相轴线重合，保持转子静止，励磁绕组为开路状态，在定子目标相绕组两端施加与步骤d相同的交流电压ud，测得目标相绕组电流的稳态有效值id＇，计算目标相绕组交流阻抗值

f、将有限元仿真所得到的目标相绕组交流阻抗值zsd与实测值zsd＇比较，第二偏差为

g、当第一偏差a％和第二偏差b％都在设定阈值之内时，判定汽轮发电机有限元仿真模型中阻尼模型的设置是正确的。

作为优选，uq、ud均取有效值为150v的50hz交流电压。

作为优选，设定阻尼模型合理度，阻尼模型合理度与第一偏差a％成反比，阻尼模型合理度与b％成反比。

作为优选，所述第一偏差a％和第二偏差b％的设定阈值均为5％。

采用上述技术方案所带来的有益效果在于：

本发明所提出的基于定子绕组交流阻抗偏差的汽轮发电机阻尼有限元模型的校验方法实施方便，校验过程简单，不需要像其他校验方法一样需要将发电机的三相短路故障仿真曲线与实际短路曲线比较，创造性地使用发电机定子绕组交流阻抗的仿真值与实测值偏差作为校验判据，并且分别在转子q轴与目标相绕组轴线重合、转子d轴与目标相绕组轴线重合两种状态下测量目标相绕组的交流阻抗值，使得该相绕组交流阻抗的测量值更全面，达到了简单准确校验阻尼参数的目的，避免了传统校验方法的繁琐，适用范围广。

附图说明

图1是qfsn-300-2型汽轮发电机二维仿真模型图。

图2是一半的发电机转子多笼阻尼结构图。

图3是转子q轴与a相轴线重合情况下定子绕组交流阻抗测量原理图。

图4是转子q轴与a相轴线重合情况下定子绕组交流阻抗的等效电路图。

图5是转子d轴与a相轴线重合情况下定子绕组交流阻抗测量原理图。

图6是转子d轴与a相轴线重合情况下定子绕组交流阻抗的等效电路图。

图7是转子q轴与a相轴线重合情况下a相定子交流电流曲线图。

图8是转子d轴与a相轴线重合情况下a相定子交流电流曲线图。

图9是校验流程图。

图中，uq、ud为交流恒压源，k为开关，iq、id为流过定子a相绕组的仿真交流电流，iq＇、id＇为流过定子a相绕组的实测交流电流，iq为流过q轴阻尼绕组的等效电流，id为流过d轴阻尼绕组的等效电流，φq、φd为脉振磁场。z1为a相绕组自身的漏阻抗，zm为a相绕组自身的激磁阻抗，zq为阻尼绕组的交轴交流阻抗值，zd为阻尼绕组的直轴交流阻抗值，zsq为q轴与定子a相绕组轴线重合时的a相绕组仿真交流阻抗，zsd为d轴与定子a相绕组轴线重合时的a相绕组仿真交流阻抗，zsq＇为q轴与定子a相绕组轴线重合时的a相绕组实测交流阻抗，zsd＇为d轴与定子a相绕组轴线重合时的a相绕组实测交流阻抗，1为励磁绕组，2为脉振磁场，3为q轴等效阻尼绕组，4为d轴等效阻尼绕组。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步详细说明。

以国内某qfsn-300-2型汽轮发电机为例，验证本发明所提出的基于定子交流阻抗偏差的汽轮发电机阻尼有限元模型的校验方法的有效性。qfsn-300-2型汽轮发电机的基本参数见表1。

首先根据发电机的b-h曲线和结构数据，建立发电机二维有限元仿真模型，见图1。模型中阻尼采用了多笼模型，将转子槽楔设置为多层导条结构，材料为铝合金；转子大齿区顶部设置为单层导条结构，材料为钢；转子小齿顶部设置为单层导条结构，材料为钢。第一个阻尼绕组由转子大齿顶层导条、转子小齿顶层导条构成，大齿顶层导条与小齿顶层导条的同侧端部联接在一起，形成一个笼型结构；第二个阻尼绕组由转子槽楔顶部第一层阻尼条构成,导条同侧端部联接在一起，形成一个笼型结构；第三个阻尼绕组由转子槽楔顶部第二层阻尼条构成，导条同侧端部联接在一起，形成一个笼型结构；以此类推，形成多笼阻尼结构，见图2，由黑色和白色相间表示出。

表1qfsn-300-2型汽轮发电机基本结构参数

为了验证所搭建的有限元仿真模型中阻尼模型的正确性，本发明提出了通过仿真模型中定子绕组交轴、直轴交流阻抗值与实测交轴、直轴交流阻抗值对比判断阻尼模型正确性的方法，其基本原理是：

当发电机有限元模型中的转子q轴转至与a相轴线重合时，保持转子静止，励磁绕组为开路状态。在定子a相绕组上施加某一幅值恒定的交流电压，定子a相绕组中将流过同频率的交流电流，在a相绕组中产生脉振磁场，该脉振磁场进一步在q轴等效阻尼绕组上感应交流电压，q轴阻尼电流对原磁场起到去磁作用，使磁场减弱，降低了a相定子绕组的交流阻抗值，其等效示意图如图3所示。

由此可见，定子a相绕组的交流阻抗不仅与a相绕组自身的漏阻抗、激磁阻抗相关，还与转子阻尼模型及参数设置密切相关，a相绕组自身的激磁阻抗与阻尼绕组交轴交流阻抗可以等效为并联电路，再与a相绕组自身的漏阻抗等效为串联电路，等值电路如图4所示，a相绕组的交流阻抗可以表示为：

当发电机有限元模型中的转子d轴转至与a相轴线重合时，保持转子静止，励磁绕组为开路状态。在定子a相绕组上施加某一幅值恒定的交流电压后，定子a相绕组中将流过同频率的交流电流，在a相绕组中产生脉振磁场，该脉振磁场进一步在d轴等效阻尼绕组上感应交流电压，d轴阻尼电流对原磁场起到去磁作用，使磁场减弱，进一步降低了a相定子绕组的交流阻抗值，其等效示意图如图5所示。

由此可见，定子a相绕组的交流阻抗不仅与a相绕组自身的漏阻抗、激磁阻抗相关，还与转子阻尼模型及参数密切相关，a相绕组自身的激磁阻抗与阻尼绕组直轴交流阻抗可以等效为并联电路，再与a相绕组自身的漏阻抗等效为串联电路，等值电路如图6所示，a相绕组的交流阻抗可以表示为：

在汽轮发电机有限元仿真建模过程中，在保证发电机模型尺寸正确、材料属性设置正确以及定子绕组匝数正确前提下，定子绕组的漏阻抗z1及激磁阻抗zm将与原型发电机定子绕组的实际漏阻抗和激磁阻抗相同，故影响有限元模型中定子绕组交流阻抗zsd的关键因素是阻尼绕组的直轴交流阻抗值zd和交轴交流阻抗值zq，zd和zq与阻尼的建模方法和参数设置密切相关。阻尼建模方法和参数设置越合理，则仿真计算得到的定子绕组交流阻抗将与实测值越接近。

为了校验阻尼模型和参数设置的正确性，将通过同步发电机有限元仿真模型计算得到的定子a相绕组交流阻抗值zsq和zsd与实测的定子a相绕组交流阻抗值zsq＇和zsd＇比较，偏差分别为：

则当a％和b％均小于设定阈值5％时，即可判定所搭建的汽轮发电机有限元仿真模型中阻尼模型的设置是正确的，与原型汽轮发电机的阻尼效果相符。

为了验证本发明提出的基于定子绕组交流阻抗偏差的汽轮发电机阻尼有限元模型的校验方法，以搭建的qfsn-300-2型汽轮发电机有限元仿真模型为例，将转子阻尼设置为多笼结构，在定子a相绕组两端施加有效值u＝150v、频率为f＝50hz的交流电压，分别在转子q轴与a相绕组轴线重合、转子d轴与a相绕组轴线重合两种状态下仿真获得a相绕组交流电流波形，分别见图7、图8，其有效值分别为iq＝149.53a和id＝469.00a。

分别计算两种状态下a相绕组交流阻抗的仿真值，分别见式(5)、式(6)：

从a相定子绕组交流阻抗的仿真值可以看到：转子q轴与a相绕组轴线重合状态下的交流阻抗值大于转子d轴与a相绕组轴线重合状态下的交流阻抗值，这与实际情况相符，说明了本发明的合理性。本发明提供了一种校验汽轮发电机阻尼有限元模型的思路，在获得汽轮发电机定子交流阻抗实测值的情况下，可以用来判断汽轮发电机阻尼有限元模型是否合理，仿真值与实测值的偏差控制在5％以内，即可判定该汽轮发电机阻尼有限元模型是合理的。

采用本专利提出的方法对汽轮发电机有限元仿真过程中的阻尼模型进行校验表明：基于定子绕组交流阻抗偏差的汽轮发电机阻尼有限元模型的校验方法实施起来较为方便，校验过程简单，校验精度较高。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。