可变速抽水蓄能发电电动机功率特性分析.pdf

基金项目:黑龙江省自然科学基金项目()可变速抽水蓄能发电电动机功率特性分析胡金明孙玉田张春莉李桂芬胡 刚苟智德(水力发电设备国家重点实验室(哈尔滨大电机研究所)哈尔滨)摘 要:如今可变速抽水蓄能技术已成为一种新趋势为电力系统的脱碳提供更好的支持 本文旨在研究大型可变速抽水蓄能发电电动机的功率特性通过最大转子电流限制、最大定子电流限制、最大转子电压限制和静态稳定极限可以绘制可变速电机的功率圆图用于规定可变速电机的安全稳定运行范围可直观得到所设计电机的滞相和进相运行能力并评估转子设计功率 本文详细推导出了功率特性分析数学模型并对一台 大型可变速样机进行了功率特性分析提出了定、转子功率圆图绘制方法绘制了其功率圆图并对其静态稳定性进行了详细分析关键词:抽水蓄能可变速功率圆图静态稳定性中图分类号:文献标志码:编码:././.():.:引言近年来随着风电、光伏等新能源的蓬勃发展地区电网峰谷差呈现逐年上升的趋势调峰压力逐年增大 以新能源为主体的新型电力系统对抽水蓄能提出了更高的要求 传统的抽水蓄能机组在发电状态下可以比较灵活地调整出力是电网日内调峰和调频的重要手段 但传统的抽水蓄能机组在发电状态下的调节速度相对较慢在抽水状态下负荷不能调节这限制了抽水蓄能机组在电网应用的场景 因此开发多种调峰调频电源的能力对电网运行的安全性和稳定性尤为必要 可变速抽.可变速抽水蓄能发电电动机功率特性分析设计与研究水蓄能机组相对于传统定速抽水蓄能机组具有更加优越的性能是当前抽水蓄能技术面向新型电力系统发展的主要方向 可变速发电电动机可以通过调节变流器输出励磁电压的幅值、频率和相位来快速调节其运行功率因数实现动态调整网上的有功和无功功率所以功率特性是描述可变速发电电动机性能的重要特征为了清晰地描述电机的功率特性以无功功率的标幺值作为横轴以有功功率的标幺值作为纵轴绘制功率圆图 现有书籍中只记载有同步电机的功率圆图绘制要求和绘制方法可变速电机的功率圆图可参考绘制但对于同步电机的一些限制如低励磁限制、端部发热限制在可变速发电电动机中将不再适用 故本文对可变速发电电动机的功率特性和静态稳定限制进行了详细的推导和分析 当前我国正处于可变速抽水蓄能电站国产化建设的关键阶段国内外已有较丰富的成果但仍有很多技术难点亟待攻克 文献分析了基于 能力曲线考虑实际限制的无功功率范围但没有给出 能力曲线的绘制方法 文献研究了电机运行时励磁电压幅值和相角对有功和无功功率的影响还研究了在恒定励磁电压幅值和恒定相角下轴速对有功和无功功率的影响 文献提出了一个简单的关于机端电压和有功功率的公式来计算分布式发电机的无功功率限制但是计算的限制比实际电机限制更严格结果不够准确 双馈感应发电机基于风力涡轮机的无功能力考虑额定定子电流限制额定转子电流限制额定转子电压限制及网侧变流器的无功能力推导双馈无功能力的边界 文献介绍了同步发电机 图绘制方法 本文创新性推导了一种功率特性分析数学模型和静态稳定性分析模型以此分析一台目前正在国产化中的 级可变速电机的功率特性并获得了重要结论 功率运行圆图对于电机的调节范围和保护边界设定以及电机的安全稳定运行有重要意义 功率特性分析数学模型推导对可变速发电电动机将三相旋转坐标系经 变换转换到 同步旋转坐标系下采用电动机惯量列写电压方程、磁链方程、运动方程和功率方程可由式()式()表示 ()()()()()()()()()式中下角标中含有 的量为 轴量下角标中含有 的量为 轴量、分别为定、转子电压、分别为定、转子电流、分别为定、转子电阻、分别为定、转子电感和激磁电感、分别为定、转子角频率为机械角速度 为极对数、分别为定、转子磁链、分别为电磁转矩和机械转矩、分别为转动惯量和摩擦系数、分别为定子有功功率和转子有功功率、分别为定子无功功率和转子无功功率可变速发电电动机采用磁场矢量定位的锁相环()技术 由式()可以知道在忽略定子电阻的情况下定子电压与定子磁链夹角为 轴定位于定子磁链 此时定子电压和定子磁链满足式()()设计与研究上海大中型电机.()将式()代入式()可推导得:()将式()代入式()和()可推导得:()由式()可见电磁转矩解耦受 控制定子有功功率解耦受 控制定子无功功率解耦受 控制进一步推导和整理建立功率特性分析数学模型其约束条件为定子电流、转子电流 可变速发电电动机在稳态运行期间会受到最大定、转子电流的限制由于设计转差率较低一般不受最大转子电压限制且大型可变速发电电动机配置变频器要求采用 冗余设计其容量较大故在转子电流的限制范围内转子电压和变频器容量均不受限 可变速发电电动机的定、转子电流满足:()式中、为定子、轴电流、为转子、轴电流由式()得:()将式()代入式()可得定子功率极限圆如下式所示:()进一步推导转子侧的功率调节方程组 由式()中转子电压方程在忽略转子电阻的情况下转子电压满足:()式中、为转子、轴电压为转子角频率 为漏抗系数进而可推导转子侧的功率方程:()由式()得:()将式()代入式()可得转子功率极限圆如下式所示:().可变速抽水蓄能发电电动机功率特性分析设计与研究 功率特性分析对一台 大型可变速样机进行功率特性分析计算其样机主要参数如表 所示表 可变速电机主要参数额定参数数值系统输出功率 定子额定功率 额定电压 功率因数.同步转速./额定转速./转差率定、转子匝比.定子电阻.定子漏抗.转子电阻折算值.转子漏抗折算值.激磁电抗.利用所建立的功率特性分析数学模型进行样机的功率特性分析解析计算样机的稳定运行极限圆本文所分析的功率特性仅为可变速发电电动机不包含水泵水轮机的出力和入力电动工况功率圆图与发电工况关于横坐标轴对称 此台电机的定子电流、转子电流的限值如表 所示表 定子电流、转子电流的限值可变速样机数值定子电流极限.转子电流极限.绘制本台样机的功率圆图图中选择定子容量 作为基值 考虑供电变频器的控制量为定子侧的有功功率和无功功率虽然主变低压侧的功率为定转子的功率总和但无法对其进行直接控制故获得定子侧的功率调节范围更具有现实意义由此本文将定子功率圆图和转子功率圆图分开绘制()绘制可变速发电电动机定子侧功率圆图如图 所示图 定子功率圆从图中可以看出本台电机发电工况下的定子有功调节极限为 ()定子无功调节极限范围为 ().()()绘制可变速发电电动机转子功率圆图如图 所示图 转子功率圆从图中可以看出本台电机发电工况下的转子容量设计值应高于 (吸收无功 )静态稳定性分析按照电动机惯例的可变速发电电动机的 型等效电路如图 所示图 型等效电路设计与研究上海大中型电机.根据等效电路图可得到可变速发电电动机的基本方程式如下:()()()根据基本方程绘制相量图如图 所示图 相量图图中同时绘制了滞相工况和进相工况下的相量图、分别为滞相工况下的定子电流、感应电势和功角、分别为进相工况下的定子电流、感应电势和功角 与电网并联在某一运行点运行的发电机如外界发生小扰动时在扰动消失后发电机能否回复到原先的状态下持续运行即为发电机的静态稳定性根据功角特性可变速发电机将向电网输出有功功率:()为了判断发电机是否稳定并衡量其稳定程度可引入整步功率系数 当 时发电机静态稳定 ()即 和 之间的夹角为从相量图可以看出随着发电机进相功角 逐渐变大为判断可变速发电电动机是否受静态稳定限制由相量图看出可以由下式进行判断稳定:()将式()代入可得:()即:()在定子功率圆的基础上绘制静态稳定极限限制如图 所示图 静态稳定限制图 从图中可以看出静态稳定限制远离定子功率运行区 故对于可变速发电电动机从式()可以看出由于其定子漏抗较小导致在深度进相时不受到静态稳定限制具有深度进相能力 结论本文详细推导了可变速电机功率特性分析数值模型和静态稳定性数值模型由此进行了一台 大型可变速样机的功率特性分析 得出如下结论:()绘制可变速发电电动机的定子功率运行圆图可以得出功率运行区和功率调节极限对于电机的安全稳定运行有重要意义()绘制可变速发电电动机的转子功率运行圆图可以得出转子容量极限对于变流器容量的选(下转第 页).可变速抽水蓄能发电电动机功率特性分析设计与研究 结论本文针对 水轮发电机的三种不同阻尼系统运用 有限元仿真得到电机额定工况、负序工况及突然短路工况下的电抗参数及突然短路电流转子各结构件的磁密、电密、损耗及电磁力根据仿真计算结果得到如下结论:()额定工况下三种阻尼系统对应编号下阻尼条损耗基本相同 新型阻尼系统各阻尼条所受电磁力较大新型阻尼系统各阻尼条所受电磁力最小负序工况下新型阻尼系统各阻尼条损耗及电磁力较大新型阻尼系统各阻尼条损耗及电磁力最小当电机发生两相突然短路时冲击相电流有效值真机最低新型阻尼系统次之新型阻尼系统最高当电机发生三相突然短路时冲击相电流有效值新型阻尼系统最低新型阻尼系统次之真机最高根据三种阻尼系统电抗参数对比结果可知新型阻尼系统发生突然短路时冲击电流很大会使得电机结构件及绕组端部产生极大的冲击力矩而新型阻尼系统与真机的突然短路承受能力接近真机略好一些()如遇电机转速不高、但对负序能力要求较高时可采用传统阻尼系统即极间用连接片连接阻尼环的结构 如遇电机转速较高转子各结构件承受应力较大、但负序能力要求不是很高时可采用新型阻尼系统结构()研发的两种新型阻尼系统通过各工况及主要参数对比得出新型阻尼系统优于新型阻尼系统参考文献 白延年.水轮发电机设计与计算.北京:机械工业出版社.(上接第 页)取有重要意义()对于可变速发电电动机由于其定子漏抗较小导致在深度进相时不受到静态稳定限制具有深度进相能力本文的研究成果对可变速抽水蓄能机组的国产化有重要的指导意义参考文献 张国斌陈玥张佳辉等.风 光 水 火 抽蓄联合发电系统日前优化调度研究.太阳能学报():.赵杰君王婷婷.丰宁二期抽水蓄能电站应用可变速机组的必要性分析.中国高新技术企业():.张旭张鹏陈昕.海水抽水蓄能电站发展及应用.水电站机电技术():.陈建华孟庆国陈振武.抽水蓄能电站变频调速机组的应用现状及发展趋势/抽水蓄能电站工程建设文集():.张春莉孙玉田王方等.可变速抽水蓄能发电电动机电磁性能分析.大电机技术():.韦忠朝黄声华陶醒世等.变速恒频双馈发电机运行原理及稳态性能分析.华中理工大学学报():.王欣竹韩民晓 .双馈式可变速抽水蓄能机组无功特性分析.电网技术():.():.:.:.():././().作者简介:胡金明男 年生硕士工程师主要从事电机电磁场及电机动态过渡过程的分析和研究工作设计与研究上海大中型电机.