CN105260565A - 一种大型汽轮发电机负载励磁电流的自动迭代计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大型汽轮发电机负载励磁电流的数值自动迭代计算方法，可以满足各种发电机结构、非线性材料和不同工况下的励磁电流的计算要求，可用于大型汽轮发电机励磁电流计算研究及方案设计中，其特征在于，计算过程按功能进行模块化设计，将整个计算过程分为输入数据模块、文件预处理模块、负载励磁电流迭代计算模块、有限元分析模块，采用程序模块调用的方式，并通过循环策略的设置实现自动迭代寻解功能，具有功能模块清晰、计算程序易于重复调用、程序易于阅读和升级、计算速度快、求解精度高等优点。该发明能够帮助设计人员在方案设计阶段准确获取励磁参数，从而指导发电机产品的优化设计。

Description

一种大型汽轮发电机负载励磁电流的自动迭代计算方法

技术领域

本发明涉及一种大型汽轮发电机励磁电流的数值迭代计算方法，可用于大型汽轮发电机励磁电流的计算研究和发电机产品开发研究中，属于发电机电磁设计技术领域。

背景技术

励磁电流是发电机的主要运行数据之一，其设计值的准确程度不但影响着励磁系统的选型与性能参数，更重要的是影响着运行过程中转子绕组的实际温升情况，因此励磁电流的准确计算成为发电机产品设计过程中的重要环节。

在计算额定励磁电流的过程中，非线性所带来的影响是主要的误差来源，尤其是对于大容量发电机。美国前西屋公司计算机分析方法和试验数据表明，额定电压下总的视在空载饱和磁势MSNL可能高达磁路磁铁部分饱和磁势的160～180％。我国曾长期使用的手算方法(按DZ28-63)，由于没有计及电枢反应增加的转子电流所产生的转子漏磁及其对转子磁路饱和的影响，在大型汽轮发电机中实际的I_fN值要比计算值大。

西屋公司70年代初编写的一种空载饱和计算程序是将定、转子和气隙分成许多小块形成平面磁网络，通过迭代取得磁通势平衡，计算出各小块区域的磁场数据和总的励磁安匝，这实际上就是数值计算方法。西屋公司70年代开始尝试利用数值计算方法来确定励磁电流，EXCITE程序的开发正是出于此目的，它采用矢量位网络法，计算得出电机工况所需要的气隙磁通，从而确定励磁电流。多年来此程序也不断得到了改进和完善，如从有限差分模式到有限元模式的修正等，但受到早期计算机条件的限制和一些算法上的局限性，此程序在初期存在一定缺陷，计算精度不高，且计算上费时较多。针对四极发电机的励磁电流计算，取而代之的是FE-EXCITE程序，该程序并非EXCITE程序的升级，而是基于有限元计算方法开发的另一种程序，但该程序同样存在一定的不足，如发电机定子槽数多于66槽时该程序就无法计算，因此在目前世界上最大单机容量(1800MW)的Fin5发电机励磁电流计算过程中，也未能得到应用。Fin5发电机励磁电流是采用德国西门子公司开发的另一种有限元程序来计算的，但是该程序存在的缺点是不能考虑发电机转子单边偏槽结构的励磁电流计算。

我国目前已规划并正在开展世界最大容量两极1200MW、四极核电2000MW水氢冷发电机的研发工作，在大容量发电机以及百万千瓦级四极发电机自主化设计过程中，必须研究新的适用程度更高、能够保证精度的励磁电流计算方法，以满足各种发电机结构(如偏槽、浅槽、各种转子槽型等)、非线性材料和不同工况下的励磁电流的计算要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够适应各种槽型结构，可计算任意工况下的励磁电流的方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种大型汽轮发电机负载励磁电流的自动迭代计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、输入定子模型参数、转子模型参数及电气参数；

步骤2、分别设定：定子电流与q轴的夹角λ的初值λ0及负载励磁电流If的初值If0；

步骤3、求取气隙中心的磁密数据，包括以下步骤：

步骤3.1、依据步骤1输入的定子模型参数、转子模型参数及电气参数进行定子建模及转子建模，建模时转子q轴与x轴重合；

步骤3.2、选用2维电磁单元对建立的定子模型及转子模型进行网格划分，将发电机本体截面结构模型离散为数值模型，并在气隙中心设立路径线；

步骤3.3、定子线圈载荷加载：

将0时刻电流I_a＝I_mcos(-π+λ0)作为载荷加载到A相定子线圈上，式中，I_m为运行定子电流幅值，加载在B相定子线圈和C相定子线圈上的电流在加载在A相定子线圈的电流的基础上相位分别增加120°和240°；

步骤3.4、转子线圈载荷加载：

根据转子不同槽内匝数N，将If0×N加载到对应的转子槽线圈内；

步骤3.5、在定子铁心外圆处设定平行边界条件；

步骤3.6、设定求解方式为2D静态场，求解得到气隙中心的磁密数据；

步骤4、依据步骤3得到的气隙中心的磁密数据，计算得到气隙中心基波磁密的幅值B_m和相位ψ_m，气隙磁密基波空间分布为B＝B_m×cos(β-ψ_m)，式中，β为以q轴为参考轴的空间电角度变量；

步骤5、根据步骤3.1的建模原则计算出定子A相线圈轴线与x轴的夹角为ψ_∠A，A相气隙感应电压为式中，k_w为定子绕组系数，w为定子绕组每相串连匝数，L_eff为定子铁心有效长度，τ为气隙极距，f为频率，根据发电机电势相量关系可得E_δ与I_a间的夹角θ＝π/2-λ0-(ψ_∠A-ψ_m)，再由公式：

$U_c=\sqrt{{E_{\mathrm{\δ}}}^2+{X_L}^2-2E_{\mathrm{\δ}}{X}_{L}cos(90-\mathrm{\θ})}$

计算出端电压U_c和功率因数角式中，X_L为定子漏抗；

步骤6、设定电压误差限值ε_u和相位误差限值并制定循环策略如下：

1)当U_c＞U_N+ε_u，式中，U_N为额定端电压，为额定功率因数角，此时希望U_c和都减小，需要调整If变小；

2)当U_c＜U_N-ε_u，此时希望U_c变大而减小，需要调整λ变大；

3)当U_c＞U_N+ε_u，此时希望U_c变小而增大，需要调整λ变小；

4)当U_c＜U_N-ε_u，此时希望U_c和均增大，需要调整If变大。

步骤7、将计算的端电压U_c和功率因数角与额定端电压U_N和额定功率因数角进行比较，判断是否达到预设的误差限值ε_u和只有同时满足预设限值才达到迭代要求，进入步骤8，否则根据步骤6的循环策略返回到步骤2对初值λ0和/或初值If0进行修改，再次计算；

步骤8、得到最终的端电压U_c和功率因数角

优选地，在所述步骤3.1中，建模时保证转子磁极中心d轴与定子A相线圈轴线重合，转子q轴与x轴重合。

优选地，在所述步骤2中，将夹角λ的取值范围设定为[λ_s0，λ_e0]，则λ0＝(λ_s0+λ_e0)/2；将所述负载励磁电流If的取值范围设定为[If_s，If_e]，则If0＝(If_s+If_e)/2。

本发明的优点是计算方法适用程度高，可以满足各种发电机结构(如偏槽、浅槽、各种转子槽型等)、非线性材料和不同工况下的励磁电流的计算要求，帮助设计人员在方案设计阶段准确获取励磁参数，从而指导发电机产品的优化设计；另外，本发明计算过程按功能进行模块化设计，并通过循环策略的设置实现自动迭代寻解功能，具有功能模块清晰、计算程序易于重复调用、易于阅读和升级、计算速度快、求解精度高等优点。

附图说明

图1为本发明的算法流程图。

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

结合图1，本发明提供了一种大型汽轮发电机负载励磁电流的自动迭代计算方法，其步骤为：

步骤1、模型参数及相关电气参数的输入。

按照发电机定、转子本体截面结构及额定工况，输入模型参数及电气参数，作为有限元建模及迭代计算的输入参数，包括定子模型参数、转子模型参数、额定电压、额定功率、功率因数、频率等参数，同时还包括工作目录设置等，该一系列参数可通过编制MATlAB界面程序进行规范化输入，由输入数据模块程序实现。

表1为某电厂大型汽轮发电机实际运行参数，在本发明中，编制了界面化的发电机定、转子结构参数及电气参数输入模块，所有建模数据及电气参数的输入由该模块实现。

表1某电厂实测运行参数

步骤2、文件预处理。

输入、输出数据采用文件形式进行存储和读写，便于不同模块间的数据共享和传输，也便于计算结果的标准化显示。根据界面化输入中设置的工作目录路径建立相应的文件夹D：\Excitation_File_Ansys，并将上一步输入的定子模型参数、转子模型参数以及电气参数以文件的形式分别保存于所建目录下，数据文件分别为StatorPara.txt、RotorPara.txt和AnPara.txt。该项功能由Matlab子程序PretreatDoc()完成。

步骤3、负载励磁电流计算模块

计算发电机在负载状态下的励磁电流大小，采用ANSYS进行气隙磁密数值计算，由MATLAB进行循环策略的控制，判断是否满足计算精度要求，按循环策略改变迭代参数，驱动ANSYS进行自动迭代计算，直到满足精度要求为止，具体由RatedPFLoad()模块程序实现。具体步骤为：

步骤3.1、定子电流与q轴的夹角λ的初值λ0，夹角λ是考虑转子偏槽影响后的综合夹角，首先设定夹角λ的范围为[λ_s0，λ_e0]，该范围能够保证λ的收敛性，取初始值λ0＝(λ_s0+λ_e0)/2。在本实施例子中，夹角λ的范围取为[0°，90°]，则初值λ0＝45°。

步骤3.2、设定负载励磁电流If的初值If0，后续迭代采用二分法，为了迭代过程的实现，也首先设定If范围为[If_s，If_e]，该范围能够保证If的收敛性，取初始值If0＝(If_s+If_e)/2。在本实施例子中，负载励磁电流If范围取为[0，20000]，则初值If0＝10000。

步骤3.3、根据槽型数据选取有限元计算模块命令流，将其复制到步骤2所设定的工作目录D：\Excitation_File_Ansys下，并由MATLAB驱动ANSYS后台启动。

步骤3.4、ANSYS执行有限元分析模块命令流计算磁场分布，并将气隙中心的磁密数据保存到OUTBXY.txt中，完成后ANSYS退出运行。该部分采用ANSYS的APDL语言进行编程，实现参数化建模、自动电流加载、自动剖分和求解、以及结果的自动输出及保存，具体步骤为：

步骤3.4.1、读取步骤2中的StatorPara.txt、RotorPara.txt、AnPara.txt文件数据进行定、转子建模，建模时保证转子磁极中心d轴与定子A相线圈轴线+A重合，当转子有不对称槽时可按假定对称进行建模，转子q轴与x轴重合；

步骤3.4.2、设定转子的B-H特性曲线、定子的B-H特性曲线，定转子线圈材料设定为铜，其他空间默认为空气，设定相对磁导率为1。选用2维电磁单元PLAN53对建立的模型进行网格划分，将发电机本体截面结构模型离散为数值模型，并在气隙中心设立路径线，由1024个点组成，以便后续提取该路径上的气隙磁密值。

步骤3.4.3、定子线圈载荷加载：读取步骤3.1中设定定子电流与q轴的夹角λ0，由于采用静态方法进行求解，因此将0时刻电流I_a＝I_mcos(-π+λ0)作为载荷加载到A相定子线圈上，式中，I_m为定子电流幅值，在本实施例中，

B相和C相线圈电流在A相的基础上相位分别增加120°和240°进行加载。

步骤3.4.4、转子线圈载荷加载：读取步骤3.2中设定的励磁电流初值If0，根据转子不同槽内匝数N，将If0×N加载到对应的转子槽线圈内。在本实施例中，If0＝10000，转子槽内匝数统一为7匝，因此每槽加载电流为70000A。

步骤3.4.5、在定子铁心外圆处设定平行边界条件，即设定相应节点的Az＝0以模拟磁场有效界限。

步骤3.4.6、设定求解方式为2D静态场，求解结束后将气隙中心的磁密数据提取并保存到OUTBXY.txt中。

步骤3.5、MATLAB读取步骤3.4.6中产生的气隙磁密数据文件OUTBXY.txt，应用快速傅里叶变换原理，计算出气隙中心基波磁密的幅值B_m和相位ψ_m，气隙磁密基波空间分布为B＝B_m×cos(β-ψ_m)，式中，β为以q轴为参考轴的空间电角度变量。

步骤3.6、根据步骤3.4.1建模原则计算出定子A相线圈轴线+A与x轴的夹角为ψ_∠A，A相气隙感应电压为式中，k_w为定子绕组系数，w为定子绕组每相串连匝数，L_eff为定子铁心有效长度，τ为气隙极距，f为频率，这些参数均可由AnPara.txt中的参数计算得到。根据发电机电势相量关系可得E_δ与I_a间的夹角θ＝π/2-λ0-(ψ_∠A-ψ_m)。再由公式：

$U_c=\sqrt{{E_{\mathrm{\δ}}}^2+{X_L}^2-2E_{\mathrm{\δ}}{X}_{L}cos(90-\mathrm{\θ})}$

计算出端电压U_c和功率因数角其中，定子漏抗X_L可根据定转子建模参数计算得到。

步骤3.7、MATLAB中设定电压误差限值和相位误差限值在本实施例中，U_N＝26302，并制定循环策略如下：

1)当U_c＞U_N+ε_u，此时希望U_c和都减小，需要调整if变小；

2)当U_c＜U_N-ε_u，此时希望U_c变大而减小，需要调整λ变大；

3)当U_c＞U_N+ε_u，此时希望U_c变小而增大，需要调整λ变小；

4)当U_c＜U_N-ε_u，此时希望U_c和均增大，需要调整If变大。

步骤3.8、将计算的U_c和与额定端电压U_N和额定功率因数角进行比较，判断是否达到预设的误差限值ε_u和只有同时满足预设限值才达到迭代要求，输出结果，否则根据步骤3.7的循环策略返回到步骤3.1和(或)步骤3.2进行初值修改，再次计算。

步骤3.9、迭代结束后将相关计算结果输出到步骤2设定的文件夹中并以格式化文件保存。

步骤4、计算结果查看和分析

计算完成后，所有结果数据及输出图形均保存在步骤2设定的相应文件夹中，查看格式化数据文件和图形文件。

本算例中最终输出U_c＝26320，满足预设误差 ${\mathrm{\&epsiv;}}_u=\frac{\left|U_c-U_N\right|}{U_N}=0.00068<0.001,$ 此时励磁电流计算值为I_f＝4934A。与表1中实际运行励磁电流测量值比较，本发明计算值与实际运行实测值相差4934-4918＝16A，相对误差仅为约0.3％，小于1％，说明本发明所采用的方法计算精度高。

Claims (3)

1.一种大型汽轮发电机负载励磁电流的自动迭代计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、输入定子模型参数、转子模型参数及电气参数；

步骤2、分别设定：定子电流与q轴的夹角λ的初值λ0及负载励磁电流If的初值If0；

步骤3、求取气隙中心的磁密数据，包括以下步骤：

步骤3.1、依据步骤1输入的定子模型参数、转子模型参数及电气参数进行定子建模及转子建模；

步骤3.2、选用2维电磁单元对建立的定子模型及转子模型进行网格划分，将发电机本体截面结构模型离散为数值模型，并在气隙中心设立路径线；

步骤3.3、定子线圈载荷加载：

将0时刻电流I_a＝I_mcos(-π+λ0)作为载荷加载到A相定子线圈上，式中，I_m为定子电流幅值，加载在B相定子线圈和C相定子线圈上的电流在加载在A相定子线圈的电流的基础上相位分别增加120°和240°；

步骤3.4、转子线圈载荷加载：

根据转子不同槽内匝数N，将If0×N加载到对应的转子槽线圈内；

步骤3.5、在定子铁心外圆处设定平行边界条件；

步骤3.6、设定求解方式为2D静态场，求解得到气隙中心的磁密数据；

步骤4、依据步骤3得到的气隙中心的磁密数据，计算得到气隙中心基波磁密的幅值B_m和相位ψ_m，气隙磁密基波空间分布为B＝B_m×cos(β-ψ_m)，式中，β为以q轴为参考轴的空间电角度变量；

步骤5、根据步骤3.1的建模原则计算出定子A相线圈轴线与x轴的夹角为ψ_∠A，A相气隙感应电压为式中，k_w为定子绕组系数，w为定子绕组每相串连匝数，L_eff为定子铁心有效长度，τ为气隙极距，f为频率，根据发电机电势相量关系可得E_δ与I_a间的夹角θ＝π/2-λ0-(ψ_∠A-ψ_m)，再由公式：

$U_c=\sqrt{{E_{\mathrm{\&delta;}}}^2+{X_L}^2-2E_{\mathrm{\&delta;}}{X}_{L}cos(90-\mathrm{\&theta;})}$

计算出端电压U_c和功率因数角式中，X_L为定子漏抗；

步骤6、设定电压误差限值ε_u和相位误差限值并制定循环策略如下：

1)当U_c＞U_N+ε_u，式中，U_N为额定端电压，为额定功率因数角，此时希望U_c和都减小，需要调整If变小；

2)当U_c＜U_N-ε_u，此时希望U_c变大而减小，需要调整λ变大；

3)当U_c＞U_N+ε_u，此时希望U_c变小而增大，需要调整λ变小；

4)当U_c＜U_N-ε_u，此时希望U_c和均增大，需要调整If变大。

步骤7、将计算的端电压U_c和功率因数角与额定端电压U_N和额定功率因数角进行比较，判断是否达到预设的误差限值ε_u和只有同时满足预设限值才达到迭代要求，进入步骤8，否则根据步骤6的循环策略返回到步骤2对初值λ0和/或初值If0进行修改，再次计算；

步骤8、得到最终的端电压U_c和功率因数角

2.如权利要求1所述的一种大型汽轮发电机负载励磁电流的自动迭代计算方法，其特征在于，在所述步骤3.1中，建模时保证转子磁极中心d轴与定子A相线圈轴线重合，转子q轴与x轴重合。

3.如权利要求1所述的一种大型汽轮发电机负载励磁电流的自动迭代计算方法，其特征在于，在所述步骤2中，将夹角λ的取值范围设定为[λ_s0，λ_e0]，则λ0＝(λ_s0+λ_e0)/2；将所述负载励磁电流If的取值范围设定为[If_s，If_e]，则If0＝(If_s+If_e)/2。