1000MW水轮发电机准同期并网研究_硕士学位论文.pdf

国内图书分类号：t m 3 0 1 3 工学硕士学位论文 10 0 0 m w 水轮发电机准同期并网研究 硕士研究生：杨沫 导师：戈宝军 申请学位级别：工学硕士 学科、专业：电力系统及其自动化 所在单位：电气与电子工程学院 答辩日期：2 0 11 年3 月 授予学位单位：哈尔滨理工大学 斗 ， c l a s s i f i e di n d e x ：t m 3 0 1 3 d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e g r e ei ne n g i n e e r i n g s t u d y o nq u a s i s y n c h r o n i z a t i o n p a r a l l e li n10 0 0 m w h y d r o - g e n e r a t o r c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： y a n gm o g eb a o j u n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ： p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 011 u n i v e r s i t y ： h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文1 0 0 0 m w 水轮发电机准同 期并网研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他 人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：7 太易；击 日期：乃f 一年。午月。留日 ， 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 1 0 0 0 m w 水轮发电机准同期并网研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期问在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提 交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采 用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口在年解密后适用授权书。 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：长易；毒弋 日期：乃j1 年。牛月。男日 刷醛等。珊彳 日期：伽年。r 。g 日 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 1 0 0 0 m w 水轮发电机准同期并网研究 摘要 i0 0 0 m w 水轮发电机有着单机容量大，运行效率相对高等优点，随着巨型 电机的研究和发展，1 0 0 0 m w 水轮发电机也备受重视。目前1 0 0 0 m w 水轮发 电机正处于研发阶段，世界上并没有运行先例。本文针对1 0 0 0 m w 水轮发电 机采用准同期方式并网进行了研究与分析。 本文建立了与无穷大系统相连接的1 0 0 0 m w 水轮发电机的数学模型，通 过对水轮发电机准同期并网过渡过程的分析，给出了此过程中的电流和电磁转 矩方程。为后面对1 0 0 0 m w 水轮发电机准同期并网条件分析提供理论基础。 针对准同期并网时所产生的冲击电流按规定不应超过非同期并网时所允许 电流的一半和冲击电磁转矩不能超过非同期并网时的电磁转矩，对1 0 0 0 m w 水轮发电机非同期并网进行分析，从而得出1 0 0 0 m w 水轮发电机准同期并网 时电流和电磁转矩关系及其限定条件。 由于并网过程中产生的相角差，频率差，电压幅值差给发电机带来的影响 不容忽视。本文针对存在相角差，频率差，电压幅值差的情况，分析其对 1 0 0 0 m w 水轮发电机的影响。通过综合仿真分析，得出在准同期并网过程中存 在不同的相角差，频率差和电压幅值差下脉动电压的最大临界差值条件。 通过对1 0 0 0 m w 水轮发电机准同期并网的研究分析，不仅为1 0 0 0 m w 水 轮发电机的合理设计及可靠运行提供依据，而且对与其相连的其他电机、电气 继电保护设备的选择及使用也有着重要的实际意义。 关键词1 0 0 0 m w 水轮发电机；准同期并网；相角差；冲击电流 r i0 0 0 m wh y d r o - g e n e r a t o rh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s g i a n tu n i tc a p a c i t y , h i g h e ro p e r a t i o ne f f i c i e n c y b yt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t ，i0 0 0 m wh y d r o g e n e r a t o ri sg o tm u c ha t t e n t i o n a tp r e s e n t , i0 0 0 m wh y d r o g e n e r a t o ri sc u r r e n t l y u n d e rd e v e l o p m e n t t h e r ei sn op r e c e d e n to fi0 0 0 m wh y d r o - g e n e r a t o ro p e r a t e d b e f o r ei nt h ew o r l d t h er e s e a r c ha n da n a l y s i so fi0 0 0 m w h y d r o g e n e r a t o rb yu s i n g t h eq u a s i - s y n c h r o n i z a t o np a r a l l e li na r eg o t t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fi0 0 0 m wh y d r o - g e n e r a t o rw h i c hc o n n e c t e dw i m t h ei n f i n i t es y s t e mi se s t a b l i s h e d b yt h ea n a l y s i so ft h et r a n s i e n tp r o c e s so ft h e h y d r o g e n e r a t o rb yu s i n gt h eq u a s i - s y n c h r o n i z a t i o np a r a l l e li n ，t h ec u r r e n ta n dt o r q u e e q u a t i o no ft h i sp r o c e s sa r eg o t t ob eat h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h ea d m i s s i b l e c o n d i t i o n so fi0 0 0 m wh y d r o g e n e r a t o rb yu s i n gt h eq u a s i s y n c h r o n i z a t o n ，t h i s a n a l y s i si sn e c e s s a r y t h ec u r r e n to f10 0 0 m w h y d r o g e n e r a t o rb yu s i n gt h eq u a s i - s y n c h r o n i z a t i o n p a r a l l e li ns h o u l dn o te x c e e dah a l fo ft h ec u r r e n tb yu s i n gt h en o n s y n c h r o n o u s p a r a l l e li n , t h et o r q u es h o u l dn o te x c e e dt h et o r q u eo ft h en o n - s y n c h r o n o u sp a r a l l e l i n u n d e rt h ea n a l y s i so fi0 0 0 m wh y d r o g e n e r a t o rb yu s i n gn o n s y n c h r o n o u s p a r a l l e li n ，t h ea d m i s s i b l ec o n d i t i o n so ft h ec u r r e n ta n dt o r q u eo fi0 0 0 m wh y d r o g e n e r a t o rb yu s i n gq u a s i s y n c h r o n i z a t i o np a r a l l e li na r eg o t t h e r ea r ed i f f e r e n ti n f l u e n c e so fi0 0 0 m wh y d r o g e n e r a t o r ，w h e nt h ev o l t a g e a m p l i t u d ed i f f e r e n c e ，t h ep h a s ed i f f e r e n c e ，t h ef f e n q u e c yd i f f e r e n c eb yq u a s i - s y n c h r o n i z a t i o np a r a l l e li ne x i s t e d f i r s t l y ，t h ei n f l u e n c e so ni0 0 0 m wh y d r o g e n e r a t o rb yt h ev o l t a g ea m p l i t u d ed i f f e r e n c e ，t h ef f e n q u e c yd i f f e r e n c e ，t h ep h a s e a n g l ed i f f e r e n c ei n d e p e n d l ye x i s t i n ga r ea n a l y z e d t h e nb y t h es i m u l m i o na n a l y s i so f a l lt h ep o s s i b l et h ed i f f e r e n c e s ，t h ep u l s a n tv o l t a g e sc r i t i c a lc o n d i t i o n so ft h el a r g e s t i m p a c to ni0 0 0 m wh y d r o - g e n e r a t o rb yu s i n gq u a s i - - s y n c h r o n i z a t i o np a r a l l e li na r e i i i i i 哈尔滨理t 人学工学硕，l ：学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论o 1 1 1 水电利用和巨型发电机的发展现状l 1 2 并网研究现状和研究意义2 1 3 课题来源和主要研究内容4 第2 章水轮发电机并网数学模型5 2 1 引言5 2 2 水轮发电机数学模型5 2 3 水轮发电机并网冲击电流分析。7 2 4 水轮发电机并网冲击转矩分析9 2 5 本章小结1 l 第3 章1 0 0 0 m w 水轮发电机准同期并网允许条件分析1 2 3 1 引言1 2 3 2 发电机并网时电流的允许条件1 2 3 3 并网时电磁转矩的允许条件1 4 3 - 3 1 电磁转矩分析1 4 3 3 2 电流倍数分析15 3 3 3 允许合闸相角与最大电磁转矩1 7 3 4 本章小结2 0 第4 章脉动电压对1 0 0 0 m w 水轮发电机并网的影响2 1 4 1 引言2 1 4 2 脉动电压幅值对机组并网的影响2 1 4 - 3 脉动电压相角对机组并网的影响2 4 4 4 脉动电压频率对机组并网的影响2 6 4 5 综合情况分析2 9 4 6 本章小结3 1 结论? 3 2 参考文献3 3 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 攻读硕士期间发表论文3 6 致谢3 7 1 1 水电 我国河 源中，水力 低、其有关 可持续 确指引，因 局在首届能源论坛上明确指出，截止到2 0 2 0 年底中国的水电装机总容量将达 到3 亿千瓦。2 0 1 0 年小湾水电站成功将单机容量7 0 万千瓦的4 号机组投入运 行，这也标志着我国水电装机总容量已经突破2 亿千瓦大关，稳居世界首位， 今后十年内有望再增量l 亿千瓦。水轮发电机组在运行中启、停迅速，负荷调 整十分迅捷、便利，非常适用于调峰、调频、调压和事故备用，对整个电网运 行的安全和稳定起着至关重要的作用幢1 。由于水电站总装机容量都非常巨大， 并且大多处于深山峡谷之中，电站装机台数通常较多，这样往往会给枢纽布置 带来困难，工程经济效益很难进步提高陋1 。采用更大单机容量的水轮发电机 组，不仅减少装机台数，也减少枢纽布置前沿长度和河床岸边的开挖，并能合 理利用有限的河床前沿宽度，提高运行效率和建设速度，从而提高工程经济效 益1 。 世界上自1 9 5 5 年投入第一台2 0 万千瓦机组开始，单机容量就得到了迅速 发展，其主要原因是单机大容量机组其体积并不随容量成比例增大，所以能够 降低单位造价和发电成本，还有运行效率高和建设迅速的特点蠊1 。但是随着 1 9 6 5 年百万千瓦机组正式运行后，单机容量发展明显放慢的主要原因是由于大 机组每年故障和计划检修停机时间都比较长，以至于大机组的可利用率没有中 小机组高。即使是在大机组运行比较成熟后，据有关统计资料仍然表明，单机 容量越大，可靠性越差，可用率越低阳1 。电机单机容量增大，导致其对整个系 统的影响加剧，在发生继电保护的拒动和误动时都会导致十分不良的后果盯1 。 1 0 0 0 m w 水轮发电机组目前世界上尚未有投产运行的先列，在我国金沙江 上游规划建设的梯级水电站，经勘查与可行性研究，证明具备安装1 0 0 0 m w 巨型水轮发电机组的条件，但是相关技术问题仍然尚待研究解决随1 。所以百万 千瓦级水轮发电机组的应用领域十分广阔。迅速扩大发电机的单机容量不仅是 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 电力工业发展的必然趋势，也是我国国民经济发展的客观需要。为了避免其价 格昂贵和维修困难的问题，提高运行可靠性和可用率是进一步发展单机容量的 关键问题之一。 1 2 并网研究现状和研究意义 发电机投入电力系统并网运行的传统方式有两种：准同期方式和自同期方 式阻1 。无论采用哪种方式，首先必须保证等待并网的发电机，其相电压的旋转 方向和已工作的发电机或系统相电压的旋转方向相同，即相序相同。如若违反 这一条件，发电机投入电力系统后，将直接导致发电厂或变电所主要设备的严 重事故。不过，这个问题通常在发电机安装调试之时就已经解决，因此，同期 并网不需要再另行考虑这一条件。发电机并网应以自动准同期并网方式为基本 操作方式，当自动准同期并网方式不良应改为手动准同期并网方式n 叭。 准同期方式是指通过对已励发电机电压与频率的调节，达到发电机与系 统同步的目的。其同步特征为：电压相等，角速度( 频率) 相等和相位相同1 ， 这时方可将发电机投入系统运行。理想情况下，断路器合闸瞬间，发电机定子 电流为零，电磁转矩为零2 。这是准同期方式的最大优点。 但是，实际情况总是不可能完全符合理想条件的。发电机以准同期方式投 入电力系统与其他发电机并网运行的瞬间，总要产生冲击电流和电磁转矩。这 种冲击与电机本身的结构参数与并网条件关系甚密，这些冲击可引起电力系统 的电压下降，严重时也可能对被投入机组的原动机和发电机造成损害。此外， 被投入系统的发电机有可能不是一下子被拉入同步，因而就会引起非同步运行 下的其他附加冲击。 在绝大多数情况下，此冲击电流和冲击转矩并不过大，不会为发电机组带 来巨大损害。但在个别情况下，由于某种原因造成非同期并列，比如在发电机 和电力系统间的相角差万= 1 8 0 0 时，发电机的冲击电流要比发电机出口三相短 路电流大1 倍。在相角差万等于1 2 0 0 1 4 5 0 非同期并列时，冲击电磁转矩将达 到最大值，并且比发电机出口三相短路时所产生的电磁转矩大好几倍。最恶劣 情况下非同期合闸时，无阻尼回路的水轮发电机最大冲击电磁转矩可达其额定 转矩的1 0 2 8 倍。在出现三相突然短路状况时，最大电磁转矩达额定转矩的 3 6 5 倍引；具有阻尼回路的水轮发电机，最大电磁转矩则分别为额定转矩的 8 2 6 倍和3 8 倍引。冲击电流能够破坏发电机进而破坏电力系统的各项电气 性能，严重时甚至烧毁发电机绕组；同时冲击电流能够对发电机定子端部绕组 哈尔滨理t 大学工学硕1 ：学位论文 产生巨大的应力，从而破坏定子绕组n 51 7 1 。电磁转矩则能够产生强大的扭应 力，此应力作用在轴系统使轴系统扭振形成疲劳损耗，缩短轴的使用寿命，甚 至导致大轴即时断裂n 8 。1 9 1 。按照扭振疲劳损耗百分比来分析，严重的非同期并 网时每次的疲劳损耗均大于1 0 心0 2 引。此损耗远大于发电机机端三相短路时的 疲劳损耗值，这是单一冲击中最为危险的情况乜3 1 2 5 。由此可以引起主要设备的 损坏。但是在工程实际中，想要完全达到理想条件是很困难的幢引，因此可放宽 并网条件。 ux 口 6 7 - 扩 l 并列断路器 口 j 已6 、一 、- c 来自j l 1 f 一、 形 ( j i 淼il 龆l 嘲蚓呸 i l | i 瑁远减速 升压降压合闸 图1 1 自动准同期并列装置的组成 f i g 1 1t h ec o m p o s i t i o no fa u t o m a t i cq u a s i s y n c h r o n i z a t i o nd e v i c e 现在常用采用微机式自动准同期装置实现并网操作，此装置采用d s p 等 高性能硬件，结合先进的采样与计算方法，不仅提高发电机的自动准同期并网 的可靠性，同时也增加其准确性。1 0 0 0 m w 水轮发电机组准同期并网运行也必 然要结合这一自动装置乜7 。删。图1 1 为自动准同期并列装置的组成。 当然，一台可满载持续稳定运行的发电机组，应能够承受空载情况下功率交 换啪1 。因此没有必要把压差和频差维持在极小的范围内。因为过分调节压差、 频差将会导致发电机的并网时间增长，尤其当机组的调速器和励磁调节器不能维 持稳定时，便会给并网判断增加难度1 。在系统稳定储备出现不足的情况时，拖 延并网时间其后果是相当严重的，同时空转导致能源浪费也不容小觑b 。 虽然准同期方式存在如上不足，但在正常情况下，尤其采用自动准同期 时，均能得到较理想的效果，因此准同期方式仍然得到广泛应用，成为主要的 同期并列方式。 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 自同期是指在原动机拖动下的发电机旋转，当其接近同步转速时将发电 机投入电力系统，并且在投入系统的同时或稍后加入励磁，使发电机在交变转 矩作用下完成并列恤1 。对于1 0 0 0 m w 水轮发电机来讲，由于自同期并网方式在 发电机投入励磁瞬间定子绕组所产生的冲击电流幅值过大，并超过国家对合闸 时允许冲击倍数的规定，以致于发电机定子端部绕组将产生强大的应力导致定 子端部受到损坏引。因此，如1 0 0 0 m w 水轮发电机这类巨型水轮发电机并不适 合采用自同期方式进行并网。 对1 0 0 0 m w 水轮发电机组在准同期并网时产生的冲击电流及电磁转矩的计 算是十分必要。不仅能够为系统的电气设计提供参考，还能够为发电机轴系扭 振的研究提供基础。对于巨型水轮发电机若发生非同期并网，其危害是十分严 重。而作为分析准同期并网的限定依据，对非同期并网时冲击电流及转矩脉动 的研究十分有必要。本文在借鉴常规电机并网理论的基础上，结合1 0 0 0 m w 水 轮发电机自身特点进行分析，为其今后实际并网运行提供一定理论依据，也为 评估和确立发电厂中适应1 0 0 0 m w 水轮发电机同期系统的设计方案提供相关理 论参考。 1 3 课题来源和主要研究内容 本课题是国家科技支撑计划项目“i0 0 0 m w 水轮发电机组关键技术研究” 之一。本课题对1 0 0 0 m w 水轮发电机准同期并网进行研究分析，也是为相匹 配的自动准同期装置在投入工作后对机组与系统进行判断，发出合闸信号等具 体操作提供了理论基础，防患于未然。 本课题的主要工作包括： 1 建立1 0 0 0 m w 水轮发电机与无穷大系统相连时的数学模型，给出相应 假设，推导了准同期并网时的电流和电磁转矩方程。 2 对1 0 0 0 m w 水轮发电机非同期并网进行分析，从而得出1 0 0 0 m w 水轮 发电机准同期并网时电流和电磁转矩及其限定条件。 3 分析1 0 0 0 m w 水轮发电机准同期并网时电压差、频率差、相位差的影 响情况。并通过综合仿真分析，得出在不同情况下的滑差电压的最大临界条件 及变化规律。 哈尔滨理工人学丁学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章水轮发电机并网数学模型 水轮发电机进行同期并网时，在投入电力系统瞬间就会在发电机中产生冲 击的电流和转矩，使其存在一个过渡过程。所以，研究1 0 0 0 m w 水轮发电机 同期并列时冲击电流与电磁转矩，就需要从研究其过渡过程下手。 2 2 水轮发电机数学模型 同步发电机的定子是三相对称结构，其转子是不对称的。为了简化与便 捷，我们这里采用“转换坐标”的方法来分析研究同步发电机的过渡过程。所 谓的d q 坐标系就是指把定子参量转换至转子的轴线坐标系下。在此处由于 1 0 0 0 m w 水轮发电机同期并网是对称运行的，故没有零序分量m 1 。 发电机的各个物理量在转子回路上的方向如下图2 1 。定子各相端电压的 正方向，往负荷方面看，是与电流的j 下方向一致，如图2 2 。其中y 为d 轴和a 轴夹角。 g 一轴 c 图2 1a b e 及d q 坐标系统 f i g 2 1t h e c o o r d i n a t es y s t e mo fa b ca n dd q 图2 - 2 定子各相端电压和相电流的方向 f i g 2 - 2t h ee a c hp h a s ev o l t a g ea n dc u r r e n td i r e c t i o no f t h es t a t o r 按图2 - 1 ，图2 - 2 将定子电流a b c 坐标系统转换到d q 坐标系统表示如下： 乞。c o s y 一qs t a y 瓦= 毛c o s ( y 一1 2 0 。) 一s i n ( y 一1 2 0 。) ( 2 1 ) f c = 毛c o s ( y + 1 2 0 。) 一s i n ( , + 1 2 0 。) 类似可得电压和磁链关系如下： 蚝2 h d c o s ? “ 一u qs t a g u b = u d c o s ( 7 1 2 0 0 ) 一s i n ( y 一1 2 0 0 ) u e = u d c o s ( 7 + 1 2 0 0 ) 一s i n ( + 1 2 0 0 ) 2 c o s y 一s m y = 甄c o s ( g 一1 2 0 0 ) 一虬s i n ( 7 1 2 0 0 ) 虬= 甄c o s ( y + 1 2 0 0 ) 一甄s i n ( ，+ 1 2 0 0 ) 当电流沿定子绕组流过时，在发电机出口的电压可得到如下关系： i 蚝= p 一尺 u b = p g r b 一瓦r 【= pg v e i e r 其中p 一孚。 q f 励磁绕组的电压的关系可得： d f d = p + 蚝f d 将电流、电压和磁链在d q 坐标系中的数值分别代入式( 2 4 ) n - i “ 得到： ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) 哈尔滨理t 大学工学硕i ：学位论文 三p篡二p厂：乏套(2-6uq p 9 t q p y ， l2 一 十k 式中p y = 缈为转子的转速。当缈为额定转速q ，而又以纹为标幺值的基 值时，p t = 1 。 此时采用纵轴与横轴阻尼绕组各两组来代表转子上的阻尼绕组，其方程可 表示为： 0：=pp垆fd+rfd耄(2-70 ) 【= p + 7 其中，氏，l f d ，分别为阻尼绕组f d ，f q 的磁链，电流 和电阻。 2 3 水轮发电机并网冲击电流分析 因为在准同期时，需要发电机的转速调整至接近同步转速，认为发电机的 转速在断路器合闸时等于同步转速，即不考虑存在滑差。同时也依照图2 - 1 和 图2 - 2 中所选定的各量方向，发电机电动势和系统母线电压的向量可用图2 - 3 表示。 c e g a ) 发电机电动势向量图b ) 母线电压向量图 图2 - 3 发电机电动势和母线电压向量图 f i g 2 3t h ev e c t o rg r a p h i c so fg e n e r a t o re m fa n db u sv o l t a g e 由图2 3a ) 可到发电机的电动势如下： 哈尔滨理- t 大学t 学硕j ：学位论文 i e a e s i n y e b = - e s i n ( y 一1 2 0 0 ) ( 2 8 ) i 巳= - e s i n ( y + 1 2 0 0 ) 其中e a = 一e c o s 0 = 一e c o s ( 1 8 0 。一9 0 。- y ) = - e c o s ( 9 0 。- z ) = - e s i n 7 ，e 为 发电机励磁电势。 同样如图2 3b ) ，根据所选定的方向，可得到母线电压如下： i u a = 一u s i n ( y 一万) z = - u s i n ( y 一万一1 2 0 0 )( 2 9 ) i = - u s i n ( y 一万+ 1 2 0 0 ) 其中4 a = u c o s o = u c o s ( 9 0 。一万+ 7 ) = u c o s 9 0 。+ ( 厂一万) 】= 一u s i n ( y - 8 ) ， 0 = 9 0 0 一万+ y ，万为发电机励磁电动势e 超前母线电压【，的相角。 则合闸前断路器两端之间的电压值即可得到： iu a o = 乞一u a = u s i n ( y 一万) 一e s i n y 。 “b o = 一l l b = u s i n ( y 一艿一1 2 0 0 ) 一e s i n ( y 一1 2 0 。) ( 2 一l o ) 【u c o = e c u c = u s i n ( y 一万+ 1 2 0 0 ) 一e s i n ( y + 1 2 0 0 ) 转换到d q 分量时可得： 舷u 一黑 亿 l q o = e u c o s 6 一7 如果合闸时发电机电动势e 调整至母线电压u 相等的数值时即e = u ，则 髂州u o 竺c 万o s s ) ( 2 - 1 2 ) i o = 一 。7 如果并网合闸时的相角调整得很准使万= 0 ， 则 u a 。= 。= 。= 。= 。= 0 ，即合闸后发电机中将不会产生任何电流。 如果并网合闸时的相角没有调整精准，则在发电机中必会引起一定的过渡 过程。在这里认为是同步合闸时在断路器两端突然加上了与合闸前电压大小相 等但相角相反的电压甜d ，u q ，即： ”nm。-：-一-ado。：=uu s m 万一 ( 2 t 3 ) i ”q = 一q o = u c o s 8 一e 、7 此时冲击电流i 为： f f = 毛o + j o ，：届蠢( 2 - 1 4 ) 非仁妻删帆毗 i = ( 2 - 1 5 ) 如果搿= 及u = e 时，则： ，2 焘正面蕊= 焘咖妄( 2 1 6 ) 。不难得出在万= 1 8 0 。合闸时，则，有最大值，情况最为严重，此时 l = 焉 ( 2 1 7 ) 、 假设系统此时的线路阻抗值可忽略不计，这就如同一个端口电压为两倍额 定电压的空载发电机，在出1 3 端发生三相突然短路，危险程度不言而喻。 2 4 水轮发电机并网冲击转矩分析 在对准同期的电磁转矩进行研究分析时，做了以下假设： 1 平均转动转矩在和同步转矩进行相互比较时，一般均很小，可忽略不 计1 ； 2 由于发电机其最大脉动转矩和最大机械应力一般均发生在并网合闸后 最初的几个周期内，所以在计算这些数值时，可以略掉发电机定、转子回路中 的电阻： 3 由于巨型水轮发电机的机械惯性很大，所以认为发电机转子的相位角 万在同步后最初的几个周期内不变； 4 发电机于合闸前转速即被调整到额定同步转速，故缈：p y ：l 。 在这里主要探讨同步并网合闸后的情况，可假设在同步前发电机的励磁已 调整到一定值，而且保持不变，即励磁电压“搿为恒定值。 由文献【3l 】可以得到磁链方程： 嚣二托x q 佃( p 鸠) i q ( 2 - 1 8 ) - i i i = 一 、7 哈尔滨理工人学t 学硕卜学位论文 冥中在求启竿起始值( ，= 0 ) 时，根据还算微枳埋论相当于p = o o ，伺 x a ( p ) = w ，k ( p ) = 。则可由上述的假定情况和式( 2 - 6 ) 得到简化后电压方 程： ”d 2 p 仇一缈一尺2p 一2 us i n 万 ( 2 1 9 ) 【“q = p + 呼o d c o 一r = p + = u c o s 8 一e 、7 则由式( 2 1 8 ) 禾i ( 2 1 9 ) 可得出包括系统线路阻抗以时的电流关系式： 一p u s i n 万+ ( e u c o s 艿) 2 面可苁f 巧一2 丽- u s i n 8 ，南+ 笔等( 一矗p ) 亿2 。，蜀+ 以p 。+ lw + 以l2 + 1 、。 其中，根据运算微积变换有孑1 = s i n ，毒备1 = c 0 “。则有： d 。+p 。+ = 丽- u s i n 8 s i n t + 姑等( 1 - c o s t ) =2 丽1 f f ，2 表【e ( 1 - c o s t ) - u c o s 8 + u c o s ( n 巾。2 1 ) 同理 f ：e - u c o s 8s i n h 堕( 1 - c o s t ) ： 2 可8 1 州+ 耳瓦u 2 森 e s i n t + u s i n 8 - u s i n 训( 2 。2 2 ) = 趔铲 珊；n 万南邶。嘲( t 一寿) = u s i n 6 s i n t + ( u c o s 8 一e ) ( 1 - c o s t ) =p(ucors8-e)-usin8 ( 2 - 2 3 ) = ( u c o s s - e ) 而p u s i n 8 ( 一寿) = ( u c o s 8 e ) s i n t - u s i n s ( 1 c o s t ) 1 0 - 哈尔滨理工大学t 学硕i ：学位论文 为： 因发电机在同期并网时为空载，故其起始磁链为：甄。= e ，。= 0 。 因此，并网时的磁链方程为： 2 o + ，= u ? 。i 万+ e c 。s 7 一u c 。s ( 万+ ( 2 - 2 4 ) 2 o + = - u s i n 8 一e s i n t + u s i n ( 8 + r ) 由上面分析，结合式( 2 2 1 ) 、( 2 - 2 2 ) 和( 2 2 4 ) 可得到并网合闸时电磁转矩t 互= 诹一么= 酽k 洳三陡隶h 扩( _ 面1 一再高) 卜( r + 砌一三如2 ( h 回一三幽司+ c 2 甾， 沥 _ 矗p n 6 一如( h 明一c a t a1 夏一x 最 s i n ( ，+ 回一州丑+ 回 ) 2 5 本章小结 在1 0 0 0 m w 水轮发电机准同期过渡过程分析中，首先给出在d q 坐标系统 中的电压等量的关系表达式。接着分析了1 0 0 0 m w 水轮发电机的电压，磁链 方程，从而进一步得到电流和电磁转矩表达式。为后面对1 0 0 0 m w 水轮发电 机准同期并网允许条件的分析提供理论基础。 哈尔滨理工人学工学硕f ：学位论文 第3 章1 0 0 0 m w 水轮发电机准同期并网 允许条件分析 3 1 引言 根据多年发电机的运行经验可以知道，在发电机出口发生三相突然短路 时，虽然发电机转子的轴、定子的结构和部件以及基础等没有发生损坏，但是 却对定子绕组端部绝缘与接头产生不同程度的损坏。故规定自同期和非同期并 列条件时，应当使得冲击电磁转矩不能大于发电机在发生出口三相突然短路时 的值，并且在定子的绕组端部由于冲击电流所导致的电动力也不可以大于三相 突然短路时的一半m 1 。因为电动力与电流的平方成正比，故自同期和非同期并 网时的冲击电流就不应超过三相突然短路电流的1 2 。 对于1 0 0 0 m w 水轮发电机来讲，在实际的并网操作中是不允许非同期情 况的发生。但是准同期并网合闸时所依照的条件却与非同期并网相关，即准同 期并网合闸时发电机所产生的冲击电流根据国家规定不应超过非同期并网时所 允许的冲击电流的一半。故有必要分析非同期的相关情况。 3 2 发电机并网时电流的允许条件 设1 0 0 0 m w 水轮发电机与无穷大容量的电力系统相连接，其等值电抗回 路如图3 1 所示。 图3 - 1 等值回路 f i g 3 - 1e q u i v a l e n tc i r c u i t 由图3 1 可求出，在起始相角万为1 8 0 0 发生非同期并网时，不考虑定子电 流非周期分量的最大冲击电流为 l 2 羰 ( 3 - 1 ) 当发电机出口三相突然短路，不考虑定子电流非周期分量时，其最大电流 为 抗。 其中 为了 爿： 考虑到在甩负荷后发电机的电势由于转速的升高而升高，对于水轮发电机 端口电压e = 1 5 ，系统电压u = 1 ，三相突然短路时发电机的空载电势 瓯= 1 0 5 ，因此可以得出，对于水轮发电机： 后：岳：萼 ( 3 - 4 ) ，”1 + 叁 。 叉： 热七韦y 专。 在非同期情况下的冲击电流不超过三相短路电流的1 2 。由上式( 3 4 ) 可 得出对于非同期情况下有阻尼回路的水轮发电机： 七：罂 吼 图4 1 电压幅值差的影响 f i g 4 一it h ed i f f e r e n c eo fv o l t a g ei ng e n e r a t o r 哈尔滨理工人学工学硕，i ：学位论文 从图4 1 中可看出，此时冲击电流为 l = 警= 等 洚， 其中o x 为系统的电压；以为发电机电压。吼为并网时系统与发电机间 存在的脉动电压。当吼 u x 时，由 于j 。总是滞后于呶为9 0 。，j 。超前于氓为9 0 。，如图4 1b ) 。此时的电流 对发电机则有去磁作用，使得发电机电压下降到系统电压，并在发电机并列之 后立即送出无功功率h 0 。 在此时j 。是属于无功电流，因而不会引起电磁转矩，单从这一点考虑其为 发电机并不带来危险。但是当j 。过大，势必会引起发电机定子绕组发热，致使 绕组端部受到损坏，为此一般规定电压幅值差的最大值不应超过1 0 2 0 额定 值，最好限制在5 1 0 额定值的范围内。 、 图4 2 ，4 3 ，4 - 4 分别给出1 0 0 0 m w 水轮发电机准同期并网时，当存在电压 幅值差分别为5 址，1 0 u ， 阢时吱和j。的变化。由仿真分析可以得o 2 0 出：a 呔的曲线按正弦规律变化，随着电压幅值差的增加，呶的幅值也随之 呈正比趋势增大。阢的频率和相角都不随电压幅值差变化而变化。随着呶 的逐渐增大，l 的幅值也逐渐增大。呔控制在规定允许范围内时，可保证 l 在前面分析的准同期并网的允许条件范围之内。 t ，s t l s a ) 电压幅值差为5 仉时弧b ) 电压幅值差为5 饥时l 图4 - 2 电压幅值差时为5 u o 对酞和l 的影响 f i g 4 - 2t h e c u r v eo fa v sa n dl w h e nt h ev o l t a g ea m p l i t u d ed i f f e r e n c ei s5 v o 哈尔滨理t 大学工学硕1 ：学位论文 a ) 电压幅值差为1 0 址时虮b ) 电压幅值差为1 0 w e 时l 图4 - 3 电压幅值差为1 0 w e 时的u s 和l f i g 4 - 3t h e c u r v eo f 虮a n dlw h e nt h ev o l t a g ea m p l i t u d ed i f f e r e n c ei s10 玑 a ) 电压幅值差为2 0 u 时氓b ) 电压幅值差为2 0 w e 时厶 图4 4 电压幅值差为2 0 u o 时的虮和l f i g 4 4t h e c u r v eo fa u s a n dlmw h e nt h ev o l t a g ea m p l i t u d ed i f f e r e n c ei s2 0 w e 实际的操作中，发电机的电压由于自动励磁调节器的作用，在正常情况下 与系统电压时相差较小。所以在采用的自动准同步装置也没必要一律要求装着 自动调压回路，只需对电压幅值著进行闭锁。同步发电机的合闸开关在相角差 过零点合闸时冲击电流的大小决定于此时电网和发电机的电压幅值差。电压幅 值差越大，冲击电流越大，电压幅值差为零，则没有冲击电流2 。 哈尔滨理工大学t 学硕：b 学位论文 4 3 脉动电压相角对机组并网的影响 如果电压、频率相同，而并网合闸瞬间发电机的电压o o 与系统的电压氓 的相角差不等于零而为万，此时会引起带有有功性质的冲击电流，见图4 - 5 。 a u s a ) c 名超前d 。b ) 吼滞后o x 图4 - 5 相角差的影响 f i g 4 - 5t h ep h a s e d i f f e r e n c ei ng e n e r a t o r 如图4 5 所示，当发电机电压u o 超前于系统电压o x 时，l 的有功分量 厶，与o o 同向，此时发电机所表现出的状态则是输出有功。当吼滞后氓时， l ，此时与u o 反向，那么此时发电机则表现为吸收有功功率。 在由式( 2 1 5 ) 分析可知，不考虑非周期分量的冲击电流为： i m = f ，e u c 。s 6 1 2 。f ，旦璺堕、1 2 iw + 以j 。l + 以j 设e = u ，霸= ，则有： l = 煮s m 害 则冲击电流的有功分量厶，为： o 最s m 扣害= 表咖万 ( 4 2 ) ( 4 3 ) 6 p b 图4 - 6 相角差对冲击电流及其有功分量的影响 f i g 4 6t h ei m p a c to ft h ep h a s ed i f f e r e n c eo f ft h ec u r r e n ta n di t sa c t i v ec o m p