盛 杉，李桂芬，李明哲，胡 剛，于 濤

(哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

AP1000核電半速汽輪發(fā)電機(jī)正處于引進(jìn)、消化、吸收階段。在AP1000的引進(jìn)技術(shù)過程中，并沒有轉(zhuǎn)讓大型核電半速機(jī)組各種故障動態(tài)過程的仿真研究方法，而這又是我們急待解決的問題。機(jī)網(wǎng)動態(tài)過程中電力系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)的作用以及發(fā)電機(jī)對電力系統(tǒng)的影響一直以來就是倍受關(guān)注的問題之一。汽輪發(fā)電機(jī)組，其軸系相對水輪發(fā)電機(jī)較細(xì)長，機(jī)網(wǎng)動態(tài)問題更為突出。為此，本文主要利用SIMSEN軟件開發(fā)出大型核電半速汽輪發(fā)電機(jī)組各種故障動態(tài)過程的仿真方法，并建立起系統(tǒng)仿真模型，對機(jī)組在電力系統(tǒng)動態(tài)運行過程中的運行性能進(jìn)行深入的研究和分析，以滿足電力部門及用戶的迫切需要。

突然短路是電機(jī)的一種重要瞬變現(xiàn)象，該現(xiàn)象主要特征如下:繞組中會出現(xiàn)很大的沖擊電流，其數(shù)值可以達(dá)到額定值的十倍以上;該沖擊電流還可能導(dǎo)致電機(jī)繞組端部受到強(qiáng)大的沖擊電磁力的作用;另外突然短路過程中，電磁轉(zhuǎn)矩也會增大數(shù)倍，電機(jī)可能因此發(fā)生振動，其結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)很高的機(jī)械應(yīng)力;定、轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象等[1]。所以準(zhǔn)確地計算發(fā)電機(jī)在各種突然短路故障時的定子電流及電磁轉(zhuǎn)矩將為設(shè)計、工藝部門提供重要依據(jù)。

1 物理模型

系統(tǒng)中各元件的數(shù)學(xué)模型是研究機(jī)網(wǎng)動態(tài)過程的重要部分。在機(jī)網(wǎng)動態(tài)過程研究中，一般會采用時域仿真法，其數(shù)學(xué)模型有以下幾種:第一種為解析公式法，主要是采用簡化處理的解析公式求解。這種方法簡單、易懂且節(jié)約時間，但由于對問題本身作了很多的簡化和假設(shè)，同時無法考慮到動態(tài)過程中轉(zhuǎn)速的變化、輸變電系統(tǒng)參數(shù)及飽和等影響，導(dǎo)致計算結(jié)果精度不高;另一種則是采用PARK方程模型[2]，軸系采用多質(zhì)量塊彈簧系統(tǒng)模型，變壓器及傳輸線均采用電磁暫態(tài)數(shù)學(xué)模型[3]，進(jìn)行數(shù)值分析計算。這種PARK方程法與解析公式法相比，有了很大進(jìn)步。該方法可以考慮動態(tài)過程中轉(zhuǎn)速變化及輸變電系統(tǒng)參數(shù)及飽和因素的影響。故本文采用上述第二種方法建立系統(tǒng)仿真模型。

圖1為機(jī)網(wǎng)等效系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。發(fā)電機(jī)側(cè)包括同步發(fā)電機(jī)、勵磁調(diào)節(jié)模塊、機(jī)械軸系，電網(wǎng)側(cè)包括主變壓器、輸變電線路及無窮大系統(tǒng)。[4]

圖1 機(jī)網(wǎng)等效系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)學(xué)模型

如圖2所示，以發(fā)電機(jī)為例，規(guī)定電流的輸出方向為正方向，電壓及電動勢的正方向與電流的正方向相同。圖中和dq為直、交軸，f為勵磁繞組，Kd和Kq分別為直、交軸阻尼繞組。ω為轉(zhuǎn)子逆時針旋轉(zhuǎn)角速度，θ為d軸與A相軸線之間的電角度。

圖2 同步發(fā)電機(jī)電流與電壓的方向

在dq0坐標(biāo)系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)的電壓表達(dá)式為:

公式(11)中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩;J為轉(zhuǎn)動慣量;RΩ為旋轉(zhuǎn)阻力系數(shù)[5];Ω為機(jī)械旋轉(zhuǎn)角速度。

3 仿真計算

3.1 仿真模型

本文建立了單機(jī)無窮大電網(wǎng)仿真模型。圖3為AP1000的仿真模型。模型中VS1為無窮大電網(wǎng)，LN1為輸變電路線路阻抗，T1為主變壓器，SM1為同步發(fā)電機(jī)，VS2為勵磁電源，CB1、CB2及CB3為開關(guān)，GRND1和GRND2為接地模塊，VREG為勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)，W1～W10為軸系質(zhì)量塊。

3.2 仿真結(jié)果

發(fā)電機(jī)的基本額定數(shù)據(jù)如下:

額定容量1407 MW，額定電壓24 kV，功率因數(shù)0.9，額定電流33847 A，極對數(shù)2。

圖3 AP1000核電半速汽輪發(fā)電機(jī)仿真模型

本節(jié)對AP1000汽輪發(fā)電機(jī)空載及額定負(fù)載兩種工況的機(jī)端各種突然短路故障進(jìn)行仿真研究，包括三相突然短路、兩相突然短路及單相對中性點突然短路。其中，空載工況的初始條件為發(fā)電機(jī)空載以額定轉(zhuǎn)速、額定電壓及空載勵磁穩(wěn)定運行，0.1 s時機(jī)端設(shè)置突然短路故障;額定負(fù)載工況的初始條件為發(fā)電機(jī)帶額定負(fù)載以額定轉(zhuǎn)速、額定電壓及額定負(fù)載勵磁穩(wěn)定運行，0.2 s時機(jī)端設(shè)置突然短路故障。通過仿真計算分別給出了定子電流及電磁轉(zhuǎn)矩最大值，見表1。圖4、圖5、圖6分別為空載三相突然短路定子電流、勵磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線。圖7、圖8、圖9分別為負(fù)載三相突然短路定子電流、勵磁電流和電磁轉(zhuǎn)矩隨時間變化曲線。

表1 電流及電磁轉(zhuǎn)矩最大值(標(biāo)幺值)

圖4 空載三相短路定子電流

4 結(jié)語

從圖4～圖9看，AP1000汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)生突然短路故障后定子電流和電磁轉(zhuǎn)矩分別以數(shù)倍相應(yīng)額定值在正負(fù)之間交變，并逐漸衰減，這會對電機(jī)絕緣及一些結(jié)構(gòu)件造成很不利的影響。

進(jìn)一步分析表1的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AP1000汽輪發(fā)電機(jī)額定負(fù)載比空載機(jī)端各種突然短路故障要嚴(yán)重。從電磁轉(zhuǎn)矩看兩相短路最嚴(yán)重，額定負(fù)載機(jī)端兩相短路時達(dá)到了5.19 p.u.，單相對中性點故障，也達(dá)到了 3.08 p.u.，三相故障，最大值為4.16 p.u.而從定子電流分析則表明，單相對中性點故障最嚴(yán)重，為 12.05 p.u.，其次是三相故障，也達(dá)到了9.44 p.u.，然后是兩相故障，最大值為 8.40 p.u.。

[1]白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計與計算[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982:115－120.

[2]湯蘊璆.交流電機(jī)動態(tài)分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004:174－183.

[3]倪以信.動態(tài)電力系統(tǒng)的理論和分析[M].北京:清華大學(xué)出版社，2002.

[4]李桂芬.基于SIMSEN軟件的水輪發(fā)電機(jī)瞬態(tài)運行方式的仿真研究[J].大電機(jī)技術(shù)，2003(7):5－9.

[5]陳文純.電機(jī)瞬變過程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982:50－77.