CN110197043B - 一种汽轮发电机有限元仿真过程中的阻尼建模及校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽轮发电机有限元仿真过程中的阻尼建模及校验方法，阻尼建模方法包括以下步骤：a.根据发电机的B‑H曲线数据定义所建发电机二维模型的铁磁材料属性；b.将转子大齿区顶部1设置为单层导体结构；c.将转子小齿顶部设置为单层导体结构；d.将转子阻尼条材质设置为铝合金；e.搭建多个阻尼笼。建模方法的校验方法，包括以下步骤：a.仿真获得励磁电流有效值I；b.计算发电机转子交流阻抗的仿真值Z＇；c.计算发电机转子交流阻抗的校验判据a％，d.根据对阻尼模型精度的要求设定阻尼模型准确判断阈值X。它可以提高所搭建汽轮发电机有限元仿真模型的计算精度，实现对所搭建仿真模型中阻尼参数较为方便和可靠的校验。

Description

一种汽轮发电机有限元仿真过程中的阻尼建模及校验方法

技术领域

本发明涉及汽轮发电机阻尼绕组建模和参数校验技术领域。

背景技术

汽轮发电机是电力系统中最重要的设备之一，其运行特性特别是动态特性对电力系统的稳定性具有重要作用。在发电机动态过程中，转子阻尼发挥了重要作用，转子阻尼可以抑制和削弱汽轮发电机内部可能出现的谐波磁场、异步磁场或突变磁场，可以降低励磁电流波动，减小励磁绕组发生过电压的可能性，并且还可以降低动态过程中发电机的转矩波动或冲击。

在汽轮发电机有限元仿真中，传统的阻尼模型大多设计为单笼结构，将转子各槽槽楔下的阻尼条在端部用心环连接在一起，构成类似异步电机的单笼型绕组结构。传统的阻尼参数校验方法是把通过有限元仿真获取的发电机定子三相短路电流曲线与实测定子三相短路电流曲线比较，根据定子三相短路电流波形的对比进一步修改阻尼参数，直至仿真定子三相短路电流波形与实测定子三相短路电流波形吻合。传统的转子阻尼建模方法具有误差大、校验困难等缺点，在计算汽轮发电机动态问题时，结果并不理想。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种汽轮发电机有限元仿真过程中的阻尼建模及校验方法，它可以提高所搭建汽轮发电机有限元仿真模型的计算精度,实现对所搭建仿真模型中阻尼参数较为方便和可靠的校验。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种汽轮发电机有限元仿真过程中的阻尼建模及校验方法，方法基于有限元仿真软件支持，包括以下步骤：

a.根据发电机的B-H曲线数据定义所建发电机二维模型的铁磁材料属性，所述发电机二维模型的气隙磁导率设定为真空磁导率；

b.将转子大齿区顶部设置为单层导体结构，所述转子大齿区顶部材质属性设置与发电机转子材质属性相同；

c.将转子小齿顶部设置为单层导体结构，所述转子小齿顶部材质属性设置与发电机转子材质属性相同；

d.将转子阻尼条材质设置为铝合金；将转子阻尼条设置为多层阻尼导条结构；e.搭建多个阻尼笼，第一个阻尼笼由阻尼端环将转子大齿顶层导体与转子小齿顶层导体联接构成(形成一个短路环)，第二个以后的各阻尼笼依层数由低到高次序分别由转子槽楔顶部第一层以内各层阻尼条由外层至内层次序排列构成。

f.设置发电机定子侧为开路状态，设置发电机转子的转速为0；在励磁绕组两端施加有效值为U的50Hz交流电压，仿真获得励磁电流有效值I；

g.计算发电机转子交流阻抗的仿真值Z＇，所述交流阻抗的仿真值Z＇依据下述公式计算获得：

(1)式中：Z＇：发电机转子交流阻抗的仿真值；U：在励磁绕组两端施加有效值；I：仿真获得励磁电流有效值；

h.计算发电机转子交流阻抗的校验判据a％，依据下述公式获得：

(2)式中：a％：校验判据；Z＇：发电机转子交流阻抗的仿真值；Z：发电机转子交流阻抗的实测值；

i.根据对阻尼模型精度的要求设定阻尼模型准确判断阈值X，依据下述公式判断阻尼模型的设置是否正确：

当a％＞X时，则判定结果为所述阻尼模型设置错误；

当a％＜X时，则判定结果为所述阻尼模型设置正确。

本发明进一步改进在于：

阻尼笼设置为六个。

在步骤f中，U取值为150V。

在步骤i中，阻尼模型准确判断阈值X设定为5％。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)本发明所搭建的多笼阻尼模型能更接近实际汽轮发电机的阻尼效果，从而提高汽轮发电机有限元仿真的计算精度。

(2)本发明所提出的基于转子交流阻抗原理的阻尼参数校验方法实施方便，校验过程简单，不需要像其他校验方法一样需要将发电机的三相短路故障仿真曲线与实际短路曲线比较，创造性地使用发电机转子交流阻抗的仿真值与实测值偏差作为校验判据，达到了简单准确校验阻尼参数的目的，避免了传统校验方法的繁琐，适用范围广。

附图说明

图1是QFSN-300-2型汽轮发电机二维仿真模型图；

图2是图1中的转子槽楔与转子小齿结构；

图3是图1中的转子大齿结构；

图4是转子交流阻抗测量原理图；

图5是转子交流阻抗等值电路图；

图6是图1中一半的发电机转子单笼阻尼结构图；

图7是图1中一半的发电机转子多笼阻尼结构图；

图8是单笼与多笼阻尼结构下的励磁电流曲线；

图9是大扰动后单阻尼笼中的单层槽楔与多阻尼笼中的多层槽楔阻尼电流对比图；

图10是大扰动后多阻尼笼中大齿顶部导条、小齿顶部导条、转子槽楔内的阻尼电流对比图；

图11是大扰动后单阻尼笼、多阻尼笼结构下定子a相电流对比图。

在附图中：1.转子大齿区顶部；2.转子小齿顶部；3.转子大齿顶层导体；4.转子小齿顶层导体；5.转子槽楔顶部第一层导条；6.转子槽楔顶部第二层导条；7.转子槽楔顶部第三层导条；8.转子槽楔顶部第四层导条；9.转子槽楔顶部第五层导条。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

以国内某QFSN-300-2型汽轮发电机为例，验证本发明所提出的有限元仿真过程中的阻尼建模方法以及基于转子交流阻抗原理的阻尼参数校验方法的有效性。QFSN-300-2型汽轮发电机的基本参数见表1，该发电机在150V、50Hz的交流电压下实测的转子交流阻抗为9.54Ω。

首先根据发电机的B-H曲线和结构数据，采用有限元仿真软件建立发电机二维模型，见图1。在模型属性设定阶段，用已知的BH特性曲线数据定义铁磁材料属性，气隙磁导率设定为真空磁导率。

随后搭建阻尼模型，将转子阻尼条设置为多层导条结构，材料为铝合金；转子大齿区顶部设置为单层导体结构，材料为钢；转子小齿顶部设置为单层导体结构，材料为钢。第一个阻尼结构，由转子大齿顶层导体、转子小齿顶层导体构成，大齿顶层与小齿顶层通过阻尼端环联接，形成一个短路环，见图2、图3。第二个阻尼结构，由转子槽楔顶部第一层阻尼条构成，见图2、图3。第三个阻尼结构，由转子槽楔顶部第二层阻尼条构成，以此类推，一共搭建六个阻尼结构，构成多笼阻尼绕组，分别见图2、图3。

随后搭建外电路，设置发电机定子侧开路，保持转子位置不变，即设置转速为0。

表1QFSN-300-2型汽轮发电机基本参数

为了验证所搭建的有限元仿真模型中阻尼模型的正确性，本发明提出了通过仿真模型中转子绕组交流阻抗值与实测交流阻抗值对比判断阻尼模型正确性的方法，其基本原理是：

在汽轮发电机励磁绕组两端施加某一交流电压后，励磁绕组中将流过同频率的交流电流，产生脉振磁场，该脉振磁场进一步在阻尼绕组上感应交流电压，阻尼电流对原脉振磁场起到去磁作用，使脉振磁场减弱，进一步降低了励磁绕组的交流阻抗值，其等效示意图如图4所示。

由此可见，励磁绕组所体现出来的交流阻抗不仅与励磁绕组自身的交流阻抗值相关，还与转子阻尼模型及参数密切相关，励磁绕组自身的交流阻抗与阻尼绕组直轴的交流阻抗可以等效为并联结构，等值电路如图5所示，励磁绕组的交流阻抗可以表示为：

在汽轮发电机有限元仿真的建模过程中，只要发电机模型尺寸正确、材料属性设置正确以及励磁绕组匝数正确，则模型中励磁绕组自身的交流阻抗值将与实际发电机励磁绕组自身的交流阻抗值相同，故影响模型中励磁绕组交流阻抗的关键因素就是阻尼绕组。若阻尼模型搭建合理，则仿真计算得到的励磁绕组交流阻抗将与实测值相同。

为了校验阻尼模型和参数设置的正确性，可以将有限元仿真得到的励磁绕组交流阻抗值与其实测值比较，取校验判据为：

则当a％小于设定阈值5％时，即可判定该发电机阻尼参数校验合理。

为了验证本发明提出的基于转子交流阻抗原理的阻尼参数校验方法，以搭建的QFSN-300-2型汽轮发电机有限元仿真模型为例，分别将转子阻尼设置为单笼模型和多笼模型，分别见图6、图7，分别在励磁绕组两端施加有效值为U＝150V、频率为f＝50Hz的交流电压，仿真获得交流励磁电流波形，见图8，其有效值分别为I＝6.04A和I＝15.23A。

可以进一步分别计算单阻尼笼和多阻尼笼时转子交流阻抗的仿真值，分别见式(3)、式(4)：

从转子交流阻抗的偏差可以看到：单阻尼笼发电机模型中，转子交流阻抗的仿真值与实验值相差较大，两者偏差为160.3％。多阻尼笼发电机模型中，转子交流阻抗的仿真值与实验值很接近，两者偏差为3.2％。这说明本发明所搭建的多笼阻尼模型结构比单笼阻尼模型更为合理，其阻尼效果与实际发电机的阻尼效果相符。

最后通过三相短路故障仿真验证该多笼阻尼结构模型的合理性。分别对本专利设计的多笼阻尼结构发电机与传统单笼阻尼结构发电机进行机端三相短路故障仿真，设置三相短路故障在t＝1.9s时发生，0.05s后排除故障，获得了各绕组中的电流，分别见图9、图10、图11。

仿真结果表明，在三相短路故障发生瞬间，多笼阻尼结构中的多层转子槽楔产生的阻尼电流微微略大于单笼阻尼结构中的单层转子槽楔产生的阻尼电流，这是由于多笼阻尼模型中转子大齿顶部导体与小齿顶部导体分担了一部分阻尼电流，使得转子槽楔中的阻尼电流不是很大。但是衰减振荡时间很短，见图9，说明多层转子槽楔能提高阻尼效果。多笼阻尼结构中大齿与小齿顶部导条的电流大于转子槽楔的电流，见图10，说明大齿与小齿顶部导条在转子阻尼中起主导作用。故障后多笼阻尼模型的定子a相电流最大瞬时值小于单笼阻尼模型的定子a相电流最大瞬时值，且振荡时间短，约0.6s就恢复稳定，而单笼阻尼模型下约1.9s才恢复稳定，见图11，说明多笼阻尼结构能更有效且快速地抑制大扰动振荡过程，从而减少故障对机组的冲击。综上所述，多笼阻尼结构汽轮发电机模型是合理的，且阻尼效果更好。

采用本专利提出的方法对汽轮发电机有限元仿真过程中的阻尼进行建模以及阻尼参数进行校验表明：多笼阻尼结构能更好地与汽轮发电机的实际阻尼效果吻合，从而提高汽轮发电机有限元仿真的计算精度。基于转子交流阻抗原理的阻尼参数的校验方法实施起来较为方便，校验过程简单，校验精度较高。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种汽轮发电机有限元仿真过程中的阻尼建模及校验方法，所述方法基于有限元仿真软件支持，其特征在于，包括以下步骤：

a.根据发电机的B-H曲线数据定义所建发电机二维模型的铁磁材料属性，所述发电机二维模型的气隙磁导率设定为真空磁导率；

b.将转子大齿区顶部(1)设置为单层导体结构，所述转子大齿区顶部(1)材质属性设置与发电机转子材质属性相同；

c.将转子小齿顶部(2)设置为单层导体结构，所述转子小齿顶部(2)材质属性设置与发电机转子材质属性相同；

d.将转子阻尼条材质设置为铝合金；将转子阻尼条设置为多层阻尼导条结构；

e.搭建多个阻尼笼，第一个阻尼笼由阻尼端环将转子大齿顶层导体(3)与转子小齿顶层导体(4)联接构成，第二个以后的各阻尼笼依层数由低到高次序分别由转子槽楔顶部第一层以内各层阻尼条由外层至内层次序排列构成；

f.设置发电机定子侧为开路状态，设置发电机转子的转速为0；在励磁绕组两端施加有效值为U的50Hz交流电压，仿真获得励磁电流有效值I；

g.计算发电机转子交流阻抗的仿真值Z＇，所述交流阻抗的仿真值Z＇依据下述公式计算获得：

(1)式中：Z＇：发电机转子交流阻抗的仿真值；U：在励磁绕组两端施加有效值；I：仿真获得励磁电流有效值；

h.计算发电机转子交流阻抗的校验判据a％，依据下述公式获得：

(2)式中：a％：校验判据；Z＇：发电机转子交流阻抗的仿真值；Z：发电机转子交流阻抗的实测值；

i.根据对阻尼模型精度的要求设定阻尼模型准确判断阈值X，依据下述公式判断阻尼模型的设置是否正确：

当a％＞X时，则判定结果为所述阻尼模型设置错误；

当a％＜X时，则判定结果为所述阻尼模型设置正确。

2.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机有限元仿真过程中的阻尼建模及校验方法，其特征在于：所述阻尼笼设置为六个。

3.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机有限元仿真过程中的阻尼建模及校验方法，其特征在于：在所述步骤f中，U取值为150V。

4.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机有限元仿真过程中的阻尼建模及校验方法，其特征在于：在所述步骤i中，所述阻尼模型准确判断阈值X设定为5％。

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