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

背景技術：
為了深入探討發(fā)電機內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，學者們對發(fā)電機內部短路故障計算問題開展了廣泛研究[文獻1、2]，限于當時的認識水平，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，對稱分量法產生的各序量間有了依存關系，使得傳統(tǒng)的對稱分量法和派克變換都不再適用于發(fā)電機內部故障的計算工作。
發(fā)電機內部定轉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)電機定子繞組結構形式及內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子各阻尼網孔為基本單元，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]結合外部約束條件通過列寫發(fā)電機內部定轉子回路間的電磁關系建立了相應的仿真模型。
但上述這類發(fā)電機內部故障仿真模型將轉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，轉子48極，其中每極包含6根阻尼條，在發(fā)電機并網運行時內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內存)；已有文獻[文獻7]提出了基于轉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)電機內部故障的暫態(tài)仿真計算上，其求解耗時很難滿足工程應用要求，而且階次過高在求解過程中也容易導致產生較大的累積誤差。
為了得到批量故障的電壓電流數(shù)據(jù)，實際工程應用中曾一度采用了將高階微分方程轉化為代數(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用領域一個迫切需要解決的問題。


發(fā)明內容
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)電機內部故障仿真模型用于發(fā)電機內部故障暫態(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)轉子極面等效阻尼回路的發(fā)電機內部故障暫態(tài)仿真模型及其建模方法和應用。
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，轉子48極，其中每極包含6根阻尼條，在發(fā)電機并網運行時內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)電機并網運行時內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)轉子極面等效阻尼回路的發(fā)電機內部故障暫態(tài)仿真模型 本模型的結構 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)電機轉子的阻尼繞組，按如圖3中粗線所示的等效結構，即只計及奇數(shù)轉子極面下的阻尼繞組，并且，將每個奇數(shù)轉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孔為基本單元，列寫定、轉子各繞組的磁鏈及電壓方程，建立發(fā)電機內部故障仿真模型； 將阻尼網孔進行等效和簡化的原因是為了解決基于實際阻尼網孔建模時，導致的仿真模型維數(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)轉子及其阻尼棒結構，確定等效的阻尼棒參數(shù)及間距，作為阻尼網孔列寫的基礎； ②列寫定子各分支、轉子勵磁繞組的電壓方程； ③列寫轉子各等效阻尼籠型回路的電壓方程； ④將定子、轉子側電壓方程整理，即可得發(fā)電機內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)明將阻尼繞組結構大量簡化，使得所列寫的用于發(fā)電機內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)化設計過程中，需要對成千上萬的故障進行計算。克服了傳統(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，不滿足工程應用的難題。
③本發(fā)明適用于發(fā)電機內部故障仿真分析和水輪發(fā)電機主保護設計領域。



圖1是轉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轉子極； 2-第2轉子極； 3-第3轉子極； 4-第4轉子極； ...... n-第n轉子極；。
轉子的極數(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個轉子極面作為示例。

具體實施例方式 下面結合附圖和實施例詳細說明 一、模型的結構 對發(fā)電機定子繞組和轉子阻尼繞組的等效結構分別如圖4和圖3； 模型的建立過程即根據(jù)定子、轉子各回路的電壓和磁鏈關系，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是轉子各回路的電流和電壓量； p代表導數(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。
轉子側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。當轉子極數(shù)為2P時，等效的轉子阻尼回路總數(shù)為dn＝P×2。
采用正電流產生正磁鏈規(guī)則，則圖4中定子各分支電壓方程可表示為 . . . . . (1) . . . . 轉子勵磁繞組電壓方程可寫為 對轉子阻尼網孔，設rdi為di等效阻尼網孔的環(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’表示轉子量，定、轉子磁鏈分別為 ψs＝[ψa1，ψa2，…ψam，ψb1，ψb2，…ψbm，ψc1，ψc2，…ψcm]T(3m×1)， ψr＝[ψf，ψd1，…，ψdn]T， 定、轉子電壓向量分別為 Us＝[-ua…-ua-ub…-ub-uc…-uc]T，Ur＝[uf0d1…0dn]T 定、轉子電流向量分別為 轉子各電量中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 轉子電阻矩陣 式(1)變形有 . . . . . . . . . 設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磁鏈相關變量可改寫為 其中Er為(3m-1)×3m矩陣， 當發(fā)電機中性點不接地或經大電阻接地時有約束條件 ia1+ia2+…+iam+ib1+ib2+…+ibm+ic1+ic2+…+icm＝0(7) 令Is＝[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、轉子的磁鏈方程為 其中，Lss為3m×3m階定子電感矩陣，定、轉子互感矩陣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)可得轉子回路電壓方程為 其中轉子磁鏈 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)化設計工作的工程應用。
文獻索引何仰贊，同步發(fā)電機內部短路故障計算，華中工學院學報，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，1989屠黎明，同步發(fā)電機定子繞組內部故障分析方法及其應用的研究[D]，南京，東南大學，1999孫宇光、王祥珩、桂林等，三峽發(fā)電機定子繞組內部故障暫態(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計，繼電器，2005，33(15)1-權利要求
1、一種將奇數(shù)編號轉子極面下阻尼繞組進行簡化等效的發(fā)電機內部故障暫態(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、轉子各回路的電壓和磁鏈關系，列寫方程，得到微分方程組形式的數(shù)學模型
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是轉子各回路的電流和電壓量，
p代表導數(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)電機轉子的阻尼繞組的處理上，只計及奇數(shù)編號轉子極面下的阻尼繞組，并且將每個奇數(shù)編號轉子極面下阻尼繞組等效為2根阻尼棒的形式。
2、按權利要求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)轉子及其阻尼棒結構，確定等效的阻尼棒參數(shù)及間距，作為阻尼網孔列寫的基礎；
②列寫定子各分支、轉子勵磁繞組的電壓方程；
③列寫轉子各等效阻尼籠型回路的電壓方程；
④將定子、轉子側電壓方程整理，即可得發(fā)電機內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)電機內部故障暫態(tài)仿真模型及其建模方法和應用，涉及一種發(fā)電機內部故障暫態(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、轉子各回路的電壓和磁鏈關系，列寫方程，得到微分方程組形式的數(shù)學模型，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)電機轉子的阻尼繞組，只計及奇數(shù)轉子極面下的阻尼繞組，并且將每個奇數(shù)轉子極面下阻尼繞組等效為2根阻尼棒的形式。本發(fā)明將阻尼繞組結構大量簡化，使得所列寫的用于發(fā)電機內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)電機內部故障仿真分析和水輪發(fā)電機主保護設計領域。
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