靜態(tài)勵(lì)磁的大型汽輪發(fā)電機(jī)的建模模型的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種靜態(tài)勵(lì)磁的大型汽輪發(fā)電機(jī)的建模模型，包括用建模方法實(shí)現(xiàn)的考慮了中性點(diǎn)對(duì)地電容的靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型、考慮了輸入輸出對(duì)端部的影響及與頻率相關(guān)的勵(lì)磁繞組損耗的勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型及考慮了轉(zhuǎn)子軸對(duì)地電容及汽輪機(jī)軸系阻抗的轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)模型，所述靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型的輸出端接入勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型的輸入端，所述勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型的輸出端接入轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)模型的輸入端。本發(fā)明通過搭建發(fā)電機(jī)靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型并建立勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子軸系的子系統(tǒng)模型，可仿真地得到發(fā)電機(jī)由靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的軸電壓波形，便于對(duì)軸電壓的防治進(jìn)行仿真分析與研究，本發(fā)明具有模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、精確度高的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】靜態(tài)勵(lì)磁的大型汽輪發(fā)電機(jī)的建模模型

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種靜態(tài)勵(lì)磁的大型汽輪發(fā)電機(jī)的建模模型，屬于汽輪發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng) 域。

【背景技術(shù)】
[0002] 汽輪發(fā)電機(jī)作為電能生產(chǎn)的核心設(shè)備之一，在電力系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)著非常重要的任 務(wù)。發(fā)電機(jī)的故障和停運(yùn)，不僅會(huì)損壞昂貴的電機(jī)本體，而且將直接威脅電力系統(tǒng)的安全和 可靠供電。隨著發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增大，由軸電壓?jiǎn)栴}引起軸瓦損傷事故應(yīng)引起足夠的 重視。如果沒有對(duì)其加以關(guān)注并采取防護(hù)措施，軸電壓足以擊穿軸與軸承之間的油膜而發(fā) 生放電，造成電機(jī)部件損傷、加速機(jī)械磨損，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致軸瓦燒壞而被迫停機(jī)，造成不 必要的檢修和發(fā)電損失。
[0003] 近年來，隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)在大型汽輪發(fā)電機(jī)中得到 廣泛應(yīng)用，導(dǎo)致一種新的、頻率更高，幅值更大的軸電壓源。靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)將交流電壓通過 晶閘管整流輸出直流電壓工作，因此不可避免在勵(lì)磁系統(tǒng)的輸出中有脈動(dòng)分量，而轉(zhuǎn)子繞 組和大軸之間存在耦合電容，運(yùn)行中大軸會(huì)因電磁感應(yīng)現(xiàn)象而產(chǎn)生交流耦合電容電壓。靜 態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)引發(fā)的軸電壓幅值很高且具有高頻波動(dòng)，是整個(gè)軸電壓中的高頻分量所在，波 形具有復(fù)雜的諧波脈沖分量，在輕負(fù)荷時(shí)其峰值脈沖比重負(fù)荷時(shí)高得多，需要重點(diǎn)防護(hù)。
[0004] MATLAB是一種集數(shù)學(xué)計(jì)算、分析、可視化、算法開發(fā)與發(fā)布等于一體的軟件平臺(tái)， 包括兩大部分：數(shù)學(xué)計(jì)算和工程仿真。在工程仿真SIMULINK環(huán)境中，運(yùn)用電力系統(tǒng)仿真工 具箱SimPowerSystems庫(kù)，進(jìn)行電力、電子系統(tǒng)建模與仿真在電力系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用。 SimPowerSystems主要由應(yīng)用子庫(kù)、電源子庫(kù)、元件子庫(kù)、附加子庫(kù)、電機(jī)子庫(kù)、測(cè)量子庫(kù)和 電力電子子庫(kù)這七個(gè)模塊庫(kù)組成，同時(shí)還可以根據(jù)需要組合封裝出更為復(fù)雜的模塊，由此 可以方便地對(duì)所研究的對(duì)象進(jìn)行各種數(shù)字仿真建模，了解電氣參數(shù)變化對(duì)電力系統(tǒng)分析、 運(yùn)行的影響，驗(yàn)證理論分析結(jié)果。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種靜態(tài)勵(lì)磁的大型汽輪發(fā)電機(jī)的建模模型，對(duì)靜態(tài)勵(lì)磁 系統(tǒng)引起的軸電壓進(jìn)行仿真建模，便于對(duì)軸電壓的防治進(jìn)行仿真分析與研究。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：靜態(tài)勵(lì)磁的大型汽輪發(fā)電機(jī)的建模模型，包括用建 模方法實(shí)現(xiàn)的考慮了中性點(diǎn)對(duì)地電容的靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型、考慮了輸入輸出對(duì)端部的影 響及與頻率相關(guān)的勵(lì)磁繞組損耗的勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型及考慮了轉(zhuǎn)子軸對(duì)地電容及汽輪 機(jī)軸系阻抗的轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)模型，所述靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型的輸出端接入勵(lì)磁繞組子系 統(tǒng)模型的輸入端，所述勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型的輸出端接入轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)模型的輸入端。
[0007] 所述靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型包括：三相交流電源模型：用于提供三相交流電壓信 號(hào)；三相變壓器模型：用于調(diào)節(jié)輸出電壓幅值；所述三相變壓器模型的原邊采用三角形連 接，副邊采用星形連接；三相全控橋模型：將三相變壓器模型輸出的交流電壓轉(zhuǎn)變換成六 脈沖直流電壓；同步六脈沖發(fā)生器模型：用于發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)，控制觸發(fā)三相全控橋模 型的六個(gè)晶閘管；示波器一模型：用于觀測(cè)共模電壓U。；電容模型cw:用于模擬中性點(diǎn)對(duì)地 電容。
[0008] 所述勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型包括：第一線圈模型：用于模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的第一 個(gè)線圈；最后線圈模型：用于模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的最后一個(gè)線圈；中間線圈模型：用于模 擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的中間線圈；無(wú)源RL回路模型RL a、RLK :用于模擬等效與頻率有關(guān)的勵(lì) 磁繞組損耗，RLa、RLC2均由并聯(lián)連接的電阻和電感組成；所述第一線圈模型、中間線圈模型 和最后線圈模型串聯(lián)連接；RL a、RLK分別串聯(lián)在中間線圈模型的輸入端、輸出端上。
[0009] 所述轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)模型包括：用于模擬汽輪機(jī)高壓缸的電感模型Lhpt ;用于模 擬汽輪機(jī)中壓缸的電感模型Lmpt ;分別用于模擬汽輪機(jī)兩個(gè)低壓缸的電感模型Llpt(l、電感模 型Llpt ;用于模擬發(fā)電機(jī)接地電刷的阻抗模型Rbrash ;用于模擬發(fā)電機(jī)定子鐵芯內(nèi)轉(zhuǎn)子軸與 頻率相關(guān)的阻抗的無(wú)源RL回路模型RLil、RLi2 ;用于模擬轉(zhuǎn)子軸對(duì)地電容的電容模型；用 于輸出顯不軸電壓的不波器二模型。
[0010] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果是：通過搭建發(fā)電機(jī)靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型并建立勵(lì)磁繞 組和轉(zhuǎn)子軸系的子系統(tǒng)模型，可仿真地得到發(fā)電機(jī)由靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)產(chǎn)生的軸電壓波形，便 于對(duì)軸電壓的防治進(jìn)行仿真分析與研究，本發(fā)明具有模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、精確度高的 優(yōu)點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明建模結(jié)構(gòu)框圖。
[0012] 圖2是汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
[0013] 圖3是共模電壓與軸電壓等效電路圖。
[0014] 圖4是靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型圖。
[0015] 圖5是勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型圖。
[0016] 圖6是轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)模型圖。
[0017] 圖7是本發(fā)明的MATLAB/Power System建模結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖8是本發(fā)明的MATLAB/Power System仿真結(jié)果圖。
[0019] 圖9是第一線圈模型和最后線圈模型的π型電路。
[0020] 圖10是中間線圈模型的π型電路。
[0021] 圖中：1、汽輪機(jī)；la、高壓缸；lb、中壓缸；lc、低壓缸；2、發(fā)電機(jī)；2a、轉(zhuǎn)子軸；2b、 機(jī)殼；2c、勵(lì)磁繞組；2d、定子；2e、轉(zhuǎn)子鐵芯；3、整流勵(lì)磁系統(tǒng)；3a、三相全控橋；3b、三相變 壓器；4、示波器一模型；5、示波器二模型。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0023] 如圖2所示，汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)包括汽輪機(jī)1、發(fā)電機(jī)2和整流勵(lì)磁系統(tǒng)3,汽輪機(jī)1 包括一個(gè)高壓缸la、一個(gè)中壓缸lb和兩個(gè)低壓缸lc ;發(fā)電機(jī)2包括機(jī)殼2b、轉(zhuǎn)子軸2a、轉(zhuǎn) 子鐵芯2e、勵(lì)磁繞組2c和由定子鐵芯和定子繞組構(gòu)成的定子2d ;整流勵(lì)磁系統(tǒng)3采用三 相全控橋式整流勵(lì)磁系統(tǒng)，包括三相變壓器3b和由六個(gè)晶閘管構(gòu)成的三相全控橋3a，采用 三相全控橋式整流將三相交流電壓變換為六脈沖直流電壓，通過階躍信號(hào)的下降沿使能同 步六脈沖發(fā)生器，采用雙脈沖觸發(fā)，初相角30°，工頻周期中六個(gè)晶閘管脈沖相位依次相差 60°。圖中，C t為勵(lì)磁繞組對(duì)轉(zhuǎn)子鐵芯電容，Cw為中性點(diǎn)對(duì)地電容，Cs為轉(zhuǎn)子軸對(duì)地電容， A和U2分別為整流輸出端正極A和負(fù)極B相對(duì)中性點(diǎn)C的電壓，則直流輸出勵(lì)磁電壓為Ud = UrU2，共模電壓為Ue= (Ui+U^/2。共模電壓的典型波形為三倍基頻的電壓跳變矩形波， 在對(duì)稱的情況下，只有共模電壓Uc影響軸電壓U s，其等效電路如圖3示。共模電壓UC等效 為一個(gè)電壓源，通過三個(gè)電容Ct，Cw，C s構(gòu)成一個(gè)閉合回路，軸電壓為轉(zhuǎn)子軸對(duì)地電容(；上 的分壓，可得％ _ c,rc, + c?ct+csc(iUc
[0024] 如圖1所示，為本發(fā)明建模結(jié)構(gòu)框圖，包括靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型、勵(lì)磁繞組子系 統(tǒng)模型及轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)模型。如圖7所示，為MATLAB/Power System建模結(jié)構(gòu)圖，靜 態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型的輸出端接入勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型的輸入端，勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型的 輸出端接入轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)模型的輸入端。powergui、Clock、workspacel和workspace 均為SimPowerSystems仿真中所需要的控件，powergui為電力系統(tǒng)仿真模塊，用于電力 系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析計(jì)算；Clock為時(shí)鐘模塊，用于提供和顯示仿真時(shí)間的功能；workspacel和 workspace則分別用于保存時(shí)間變量和軸電壓變量。
[0025] 如圖4所示，是靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型圖，包括：三相交流電源模型：用于模擬三相 交流電源，提供三相交流電壓信號(hào)；三相變壓器模型：用于模擬三相變壓器3b，用于調(diào)節(jié)輸 出電壓幅值，三相變壓器模型與三相變壓器3b相適應(yīng)的：原邊采用三角形連接，副邊采用 星形連接；三相全控橋模型：用于模擬三相全控橋3a，將三相變壓器模型輸出的交流電壓 轉(zhuǎn)變換成六脈沖直流電壓；同步六脈沖發(fā)生器模型：用于模擬同步六脈沖發(fā)生器，發(fā)出脈 沖觸發(fā)信號(hào)，控制觸發(fā)三相全控橋模型的六個(gè)晶閘管；示波器一模型4 :用于觀測(cè)共模電壓 U。?？紤]到中性點(diǎn)對(duì)地電容，靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型還設(shè)置了用于模擬中性點(diǎn)對(duì)地電容的電 容模型Cw。
[0026] 如圖5所示，是勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型圖，第一線圈模型、中間線圈模型和最后線圈 模型串聯(lián)連接?？紤]到輸入輸出對(duì)端部的影響，單獨(dú)對(duì)勵(lì)磁繞組的第一個(gè)線圈和最后一個(gè) 線圈建模。第一線圈模型：用于模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的第一個(gè)線圈；最后線圈模型：用于 模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的最后一個(gè)線圈。第一線圈模型和最后線圈模型連接結(jié)構(gòu)相同，其中 Cto = Ctl = Ct2 .......= ct26 = Ct27, Lt(l = Ltl = Lt2 ........ Lt26 = Lt27，第一線圈模型和最 后線圈模型均由若干組如圖9所示的π型電路串聯(lián)組成，該π型電路由電感Lt(l和電容 CtQ、電容Ctl'組成。每一組π型電路模擬等效一匝勵(lì)磁繞組，為簡(jiǎn)化圖形，在圖5中將兩 個(gè)并聯(lián)的電容C tx等效為2Ctx，其中X = 0, 1，2……26, 27。中間線圈模型：用于模擬發(fā)電機(jī) 勵(lì)磁繞組的中間線圈，中間線圈模型由圖10所示的η型電路串聯(lián)組成，每一組η型電路 模擬等效半匝勵(lì)磁繞組。其中C。= Cel = Ce2 .......= C^2 = Ce23, L。= Lel = Le2 ........ Lc22 = Le23，相同的，在圖5中為簡(jiǎn)化圖形，將兩個(gè)并聯(lián)的電容等效為一個(gè)(；y，其中y = 1,2……22, 23。考慮到一定頻率范圍內(nèi)，與頻率相關(guān)的勵(lì)磁繞組損耗，采用無(wú)源RL回路模 型進(jìn)行模擬等效。無(wú)源RL回路由并聯(lián)連接的電阻和電感組成。中間線圈模型的輸入端串 聯(lián)無(wú)源RL回路模型RLa、輸出端串聯(lián)無(wú)源RL回路模型RLC2。圖中，Re(l和R el均用于模擬等 效勵(lì)磁繞組的電阻。
[0027] 如圖6所示，是轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)模型圖。在汽輪機(jī)部分，轉(zhuǎn)子軸和汽缸之間的電感 決定了軸系的阻抗，考慮到汽輪機(jī)軸系阻抗，分別對(duì)低壓缸、中壓缸、高壓缸用一個(gè)對(duì)應(yīng)的 電感來模擬等效：電感模型L hpt用于模擬汽輪機(jī)高壓缸，電感模型Lmpt用于模擬汽輪機(jī)中壓 缸，電感模型Llpt(l、電感模型L lpt分別用于模擬汽輪機(jī)兩個(gè)低壓缸，（；ηι用于模擬等效汽輪 機(jī)壓缸側(cè)轉(zhuǎn)子軸對(duì)地電容，（； il2和(；il3分別用于模擬兩個(gè)低壓缸的對(duì)地電容，（；il4用于模 擬中壓缸的對(duì)地電容、(； il5用于模擬高壓缸的對(duì)地電容。（^用于模擬勵(lì)磁側(cè)轉(zhuǎn)子軸對(duì)地電 容，阻抗模型Rbrash用于模擬發(fā)電機(jī)接地電刷，C ins用于模擬接地電刷的對(duì)地電容，轉(zhuǎn)子軸對(duì) 地電容Cs = Cm+C^。對(duì)于高頻軸電壓，由于轉(zhuǎn)子軸阻抗較大，發(fā)電機(jī)一端裝接地電刷對(duì)另 一端并沒有太多影響。無(wú)源RL回路模型RLil、RLi2用于模擬發(fā)電機(jī)定子鐵芯內(nèi)轉(zhuǎn)子軸與 頻率相關(guān)的阻抗。R i(l用于模擬等效發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸阻抗，示波器二模型5用于輸出顯示軸電 壓Us。
[0028] 如圖8所示，是通過MATLAB/Power System仿真后，示波器二模型5輸出顯示的軸 電壓Us波形圖仿真結(jié)果圖。
[0029] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形 也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 靜態(tài)勵(lì)磁的大型汽輪發(fā)電機(jī)的建模模型，其特征在于，包括用建模方法實(shí)現(xiàn)的考慮 了中性點(diǎn)對(duì)地電容的靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型、考慮了輸入輸出對(duì)端部的影響及與頻率相關(guān)的 勵(lì)磁繞組損耗的勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型及考慮了轉(zhuǎn)子軸對(duì)地電容及汽輪機(jī)軸系阻抗的轉(zhuǎn)子 軸系子系統(tǒng)模型，所述靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型的輸出端接入勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型的輸入端， 所述勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型的輸出端接入轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)模型的輸入端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靜態(tài)勵(lì)磁的大型汽輪發(fā)電機(jī)的建模模型，其特征在于，所述 靜態(tài)勵(lì)磁子系統(tǒng)模型包括： 三相交流電源模型：用于提供三相交流電壓信號(hào)； 三相變壓器模型：用于調(diào)節(jié)輸出電壓幅值；所述三相變壓器模型的原邊采用三角形連 接，副邊采用星形連接； 三相全控橋模型：將三相變壓器模型輸出的交流電壓轉(zhuǎn)變換成六脈沖直流電壓； 同步六脈沖發(fā)生器模型：用于發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)，控制觸發(fā)三相全控橋模型的六個(gè)晶 閘管； 示波器一模型：用于觀測(cè)共模電壓U。； 電容模型cw:用于模擬中性點(diǎn)對(duì)地電容。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的靜態(tài)勵(lì)磁的大型汽輪發(fā)電機(jī)的建模模型，其特征在于，所述 勵(lì)磁繞組子系統(tǒng)模型包括： 第一線圈模型：用于模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的第一個(gè)線圈； 最后線圈模型：用于模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的最后一個(gè)線圈； 中間線圈模型：用于模擬發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的中間線圈； 無(wú)源RL回路模型RLa、RLC2 :用于模擬等效與頻率有關(guān)的勵(lì)磁繞組損耗，RLa、RLC2均由 并聯(lián)連接的電阻和電感組成； 所述第一線圈模型、中間線圈模型和最后線圈模型串聯(lián)連接； RLa、RLe2分別串聯(lián)在中間線圈模型的輸入端、輸出端上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的靜態(tài)勵(lì)磁的大型汽輪發(fā)電機(jī)的建模模型，其特征在于，所述 轉(zhuǎn)子軸系子系統(tǒng)模型包括： 用于模擬汽輪機(jī)高壓缸的電感模型Lhpt ; 用于模擬汽輪機(jī)中壓缸的電感模型Lmpt ; 分別用于模擬汽輪機(jī)兩個(gè)低壓缸的電感模型Llpt(l、電感模型Llpt ; 用于模擬發(fā)電機(jī)接地電刷的阻抗模型Rtoush ; 用于模擬發(fā)電機(jī)定子鐵芯內(nèi)轉(zhuǎn)子軸與頻率相關(guān)的阻抗的無(wú)源RL回路模型RLil、RLi2 ; 用于模擬轉(zhuǎn)子軸對(duì)地電容的電容模型； 用于輸出顯不軸電壓的不波器二模型。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK104156513SQ201410360871
【公開日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月25日
【發(fā)明者】王成亮, 王宏華, 范立新, 陳凌, 徐鋼, 譚超, 顧文, 封建寶 申請(qǐng)人:國(guó)家電網(wǎng)公司, 江蘇省電力公司, 江蘇方天電力技術(shù)有限公司, 河海大學(xué)