系统大扰动过程中汽轮发电机转子本体阻尼作用及相关参数辨识研究

Previous researches of power system large disturbance about sudden short circuit show, the rotor damping effect of turbine generator is very important to its stability. The damping structure of turbine generator generally consists of damping bar, rotor iron core and slot wedge; structural complexity, diversity of materials, saturation, skin effect and space-time harmonic make the damping effect very complicated. Thus the damping parameters are a very rough estimate. The relationship between damping structure and damping effect, damping parameters is an unresolved science and technology problem. In recent years, the imported technology of damping structure from abroad is design drawing and manufacture, rather than the core technology of damping structure design. Aiming at the large disturbance after symmetry and asymmetry sudden short circuit, the influence of different damping structure on damping effect is researched under considering saturate，skin effect and space-time harmonic by combining to theory analysis, time stepping finite element analysis, experimental research and field research. The damping parameters suitable for power system analysis are identified through the results of time stepping finite element and the relationship between damping parameters and damping structure is revealed. The results of this project provide theoretical support to further investigation of damping structure design that improves the stable operation capability of turbine generator.

以往对发电机突然短路等大扰动故障的研究表明，阻尼作用对其稳定运行至关重要。汽轮发电机转子阻尼结构通常由大齿导条、转子铁心、导电槽楔三部分构成，其结构的复杂性、材料的多样性以及饱和、集肤效应、时空谐波的影响导致阻尼作用变得十分复杂。汽轮发电机阻尼参数至今仍是粗略估算的数值。因此，阻尼结构与阻尼作用、阻尼参数之间的准确关系成为一个尚未解决的科学技术难题。近年从国外引进的主要是图纸和制造技术，而没有阻尼结构设计计算的相关核心技术。本项目拟将理论分析、时步有限元计算、实验研究及对制造厂、发电厂的现场调研相结合，针对发电机不同初始条件下发生对称、不对称突然短路后的大扰动过程，在精细考虑饱和、涡流及谐波的情况下，研究不同阻尼结构对阻尼作用的影响，并根据时步有限元计算结果辨识适合系统分析的阻尼参数，揭示阻尼参数与阻尼结构之间的关系。为进一步探索提高汽轮发电机稳定运行能力的阻尼结构设计提供理论支持。

本项目主要研究大扰动过程汽轮发电机转子阻尼结构的作用及其对电力系统稳定性的影响。建立了用于分析汽轮发电机转子三部分阻尼结构和阻尼材料特性对其动态运行能力影响的时步有限元模型，对该模型的时空离散策略进行了优化和改进，使其能够更加准确的计及多因素非线性条件下转子阻尼结构中的涡流集肤效应。揭示了汽轮发电机转子阻尼结构与第一摆稳定性之间的关系，发现转子阻尼结构对第一摆稳定极限的影响主要取决于其等效电阻；揭示了汽轮发电机转子结构与异步运行过程中转速波动及异步运行能力之间的关系，发现转速波动取决于转子绕组结构的对称度；进一步对转子槽楔采用不同材料时第一摆稳定性和失磁异步运行能力进行研究，揭示了两者随转子槽楔电导率的变化规律。将时步有限元法与多项式逼近法相结合，采用阻尼转矩系统来定量描述转子各部分阻尼作用的强弱，提出了能够提高阻尼转矩系数的汽轮发电机转子阻尼结构。以时步有限元结果作为目标曲线，采用最小二乘法辨识了发电机大扰动过程中的电机参数，揭示了这些参数随发电机功角的变化规律，得出辨识参数计算结果的精度明显高于厂家参数。同时，对转子导电槽楔采用不同材料时的发电机参数进行辨识，得出转子槽楔电导率对发电机各参数的影响。研究结果为汽轮发电机转子结构设计及系统稳定性的提高提供了理论基础。