盛 杉，李桂芬，李明哲，胡 剛，于 濤

(哈爾濱大電機研究所，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

AP1000核電半速汽輪發(fā)電機正處于引進、消化、吸收階段。在AP1000的引進技術(shù)過程中，并沒有轉(zhuǎn)讓大型核電半速機組各種故障動態(tài)過程的仿真研究方法，而這又是我們急待解決的問題。機網(wǎng)動態(tài)過程中電力系統(tǒng)對發(fā)電機的作用以及發(fā)電機對電力系統(tǒng)的影響一直以來就是倍受關(guān)注的問題之一。汽輪發(fā)電機組，其軸系相對水輪發(fā)電機較細長，機網(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，對機組在電力系統(tǒng)動態(tài)運行過程中的運行性能進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)值可以達到額定值的十倍以上;該沖擊電流還可能導致電機繞組端部受到強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，電機可能因此發(fā)生振動，其結(jié)構(gòu)部件出現(xiàn)很高的機械應(yīng)力;定、轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象等[1]。所以準確地計算發(fā)電機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)學模型是研究機網(wǎng)動態(tài)過程的重要部分。在機網(wǎng)動態(tài)過程研究中，一般會采用時域仿真法，其數(shù)學模型有以下幾種: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)學模型[3]，進行數(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為機網(wǎng)等效系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖。發(fā)電機側(cè)包括同步發(fā)電機、勵磁調(diào)節(jié)模塊、機械軸系，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 機網(wǎng)等效系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)學模型

如圖2所示，以發(fā)電機為例，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)電機電流與電壓的方向

在dq0坐標系統(tǒng)中同步發(fā)電機的電壓表達式為:

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，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)電機仿真模型

本節(jié)對AP1000汽輪發(fā)電機空載及額定負載兩種工況的機端各種突然短路故障進行仿真研究，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時機端設(shè)置突然短路故障;額定負載工況的初始條件為發(fā)電機帶額定負載以額定轉(zhuǎn)速、額定電壓及額定負載勵磁穩(wěn)定運行，0.2 s時機端設(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)額定值在正負之間交變，并逐漸衰減，這會對電機絕緣及一些結(jié)構(gòu)件造成很不利的影響。

進一步分析表1的計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，AP1000汽輪發(fā)電機額定負載比空載機端各種突然短路故障要嚴重。從電磁轉(zhuǎn)矩看兩相短路最嚴重，額定負載機端兩相短路時達到了5.19 p.u.，單相對中性點故障，也達到了 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重，為 12.05 p.u.，其次是三相故障，也達到了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)電機設(shè)計與計算[M].北京:機械工業(yè)出版社，1982:115－120.

[2]湯蘊璆.交流電機動態(tài)分析[M].北京:機械工業(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:清華大學出版社，2002.

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

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