专利名称：一种发电机内部故障暂态仿真简化模型及其建模方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电机内部故障暂态仿真模型，尤其涉及一种对奇数编号的转子极面下的阻尼回路进行简化等效的发电机内部故障暂态仿真模型及其建模方法和应用。
背景技术：
为了深入探讨发电机内部故障情况下的电气特性以便对发电机保护进行系统和量化的研究分析，自上世纪中叶以来，学者们对发电机内部短路故障计算问题开展了广泛研究[文献1、2]，限于当时的认识水平，研究工作主要是基于对称分量法展开；后来发现，发电机发生内部非对称短路故障情况下，气隙磁场存在很强的分数次和高次谐波分量[文献3]，此时，对称分量法产生的各序量间有了依存关系，使得传统的对称分量法和派克变换都不再适用于发电机内部故障的计算工作。
发电机内部定转子回路方程的多回路分析法[文献3]的提出，从理论上对发电机定子绕组结构形式及内部故障情况下气隙谐波的计算提供了解决方法。[文献3]以定子单匝线圈和转子各阻尼网孔为基本单元，对多回路理论及各绕组间电感参数的计算方法进行了详细阐述，[文献4、5]结合外部约束条件通过列写发电机内部定转子回路间的电磁关系建立了相应的仿真模型。
但上述这类发电机内部故障仿真模型将转子阻尼回路单独处理，在大型水轮发电机中计及每个极面下的阻尼条时，仿真模型的阶次相当高，这样就使得模型用于暂态求解时的仿真耗时非常长[文献6、7]，而大型水轮发电机主保护优化设计工作需要对成千上万的故障进行仿真分析[文献8]，这样，这类常规的基于完全多回路的仿真模型用于暂态计算时的仿真耗时过长问题，使得该模型无法满足工程实际应用要求。
以四川大渡河瀑布沟600MW大型水轮发电机为例，该发电机定子每相6分支，转子48极，其中每极包含6根阻尼条，在发电机并网运行时内部短路故障情况下模型的阶次可达307阶。研究表明，对该发电机的一种内部短路故障情况进行5个周波的暂态仿真需要半小时以上(采用Pentium2.4GHz主频的CPU，512M内存)；已有文献[文献7]提出了基于转子每极面双阻尼条的模型简化方法，此简化方法对瀑布沟发电机一个内部故障仿真5个周波时间也达7分钟左右(对三峡等大型的转子极数更多的发电机仿真时间会更长)，而在研究发电机主保护配置方案时需要对成千上万的故障进行仿真计算，对此瀑布沟发电机进行一次批量故障的仿真时间要达二十多天[文献7]。因此，在这类大批量的发电机内部故障的暂态仿真计算上，其求解耗时很难满足工程应用要求，而且阶次过高在求解过程中也容易导致产生较大的累积误差。
为了得到批量故障的电压电流数据，实际工程应用中曾一度采用了将高阶微分方程转化为代数方程的办法；代数方程求解快，但所得到的是故障的稳态电气量，而继电保护需要的是电气量的暂态故障特性数据；因此，基于求解代数方程的做法不能满足大型水轮发电机继电保护研究和工程应用的要求。
要快速得到批量故障的暂态电气量数据，以用于发电机主保护设计的工程实际，就必须对现有的仿真模型建立方法进行降阶简化，因此，寻求合适的发电机内部故障暂态仿真建模方法一直是发电机主保护研究和工程应用领域一个迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有基于回路方程的大型发电机内部故障仿真模型用于发电机内部故障暂态仿真计算时，维数高、耗时长、不能快速得到成千上万故障形式的暂态数据的难题，提供一种基于奇数转子极面等效阻尼回路的发电机内部故障暂态仿真模型及其建模方法和应用。
本发明的目的是这样实现的 以前述四川瀑布沟600MW大型水轮发电机为例，该发电机定子分3相、每相6分支，转子48极，其中每极包含6根阻尼条，在发电机并网运行时内部短路故障情况下模型的阶次可达307阶(包括，阻尼回路48×6＝288、励磁绕组1、定子绕组自由变量3×6-1＝17，定子短路环1；288+1+17+1＝307)。
本发明提出的模型将阻尼绕组简化等效后，24个奇数编号极面下等效的阻尼棒总数为48根，此时发电机并网运行时内部短路故障情况下模型的阶次仅为67阶(包括，阻尼回路48、励磁绕组1、定子绕组自由变量3×*6-1＝17，定子短路环1；48+1+17+1＝67)。
对转子极数和每极下阻尼棒更多的发电机，本发明对微分方程阶数简化的效果更加明显，这也使得对成千上万的批量故障进行仿真计算，并快速得出故障暂态特性成为可能。
一、基于奇数转子极面等效阻尼回路的发电机内部故障暂态仿真模型 本模型的结构 发电机的定子为a、b、c三相，每相各分支都分别等效为电感和电阻的串联形式，如图4所示。
发电机转子的阻尼绕组，按如图3中粗线所示的等效结构，即只计及奇数转子极面下的阻尼绕组，并且，将每个奇数转子极面下阻尼绕组等效为2根阻尼棒的形式。
本模型的工作原理 以定子线圈和等效阻尼网孔为基本单元，列写定、转子各绕组的磁链及电压方程，建立发电机内部故障仿真模型； 将阻尼网孔进行等效和简化的原因是为了解决基于实际阻尼网孔建模时，导致的仿真模型维数高、计算耗时长、不能快速进行批量故障的仿真计算的难题。
二、发电机内部故障暂态仿真模型的建模方法 包括下列步骤 ①根据转子及其阻尼棒结构，确定等效的阻尼棒参数及间距，作为阻尼网孔列写的基础； ②列写定子各分支、转子励磁绕组的电压方程； ③列写转子各等效阻尼笼型回路的电压方程； ④将定子、转子侧电压方程整理，即可得发电机内部仿真计算模型的微分方程。
本发明具有下列优点和积极效果 ①该发明将阻尼绕组结构大量简化，使得所列写的用于发电机内部故障仿真模型的微分方程阶次(维数)大为降低，仿真计算时间缩短。
②大型水轮发电机主保护方案优化设计过程中，需要对成千上万的故障进行计算。克服了传统的对阻尼回路不简化的模型在现有计算机水平下进行批量计算，耗时过长，不满足工程应用的难题。
③本发明适用于发电机内部故障仿真分析和水轮发电机主保护设计领域。
图1是转子极面下原始阻尼棒的排列图(以每极面下6根阻尼棒为例)； 图2是转子极面下阻尼棒简化的排列图(其中粗线是对奇数编号转子极的阻尼棒的简化)； 图3是简化仿真模型中阻尼棒和连接导线条示意图； 图4是仿真模型中定子绕组的等效电路图。
其中 1-第1转子极； 2-第2转子极； 3-第3转子极； 4-第4转子极； ...... n-第n转子极；。
转子的极数根据发电机不同而异，如三峡左岸ALSTOM发电机为80极，三峡右岸ALSTOM发电机为84极，四川瀑布沟DFEM发电机为48极； 图1、2、3中只画出了其中的4个转子极面作为示例。
具体实施例方式 下面结合附图和实施例详细说明 一、模型的结构 对发电机定子绕组和转子阻尼绕组的等效结构分别如图4和图3； 模型的建立过程即根据定子、转子各回路的电压和磁链关系，列写方程，最终得到如下的微分方程组形式；通过求解该微分方程组，即可得到发电机定子绕组暂态电流和电压数值。
其中，Is’和Us’是定子各支路的电流和电压量； Ir和Ur是转子各回路的电流和电压量； p代表导数，即微分算子； M和N是该微分方程组的系数矩阵。
二、建模方法 假设发电机定子每相由m个分支并联组成，将各定子分支等效为电阻和电感的串联，其等效电路如图4所示。
转子侧阻尼绕组的方程按本简化方法的等效回路列写，奇数极面下2根阻尼条的情况如图3所示。当转子极数为2P时，等效的转子阻尼回路总数为dn＝P×2。
采用正电流产生正磁链规则，则图4中定子各分支电压方程可表示为 . . . . . (1) . . . . 转子励磁绕组电压方程可写为 对转子阻尼网孔，设rdi为di等效阻尼网孔的环路电阻，rmd是每根等效阻尼棒电阻，则各等效阻尼笼型回路的电压方程可写为 . . (3) . 式(1)(2)(3)可写为 式中‘s’表示定子量，‘r’表示转子量，定、转子磁链分别为 ψs＝[ψa1，ψa2，…ψam，ψb1，ψb2，…ψbm，ψc1，ψc2，…ψcm]T(3m×1)， ψr＝[ψf，ψd1，…，ψdn]T， 定、转子电压向量分别为 Us＝[-ua…-ua-ub…-ub-uc…-uc]T，Ur＝[uf0d1…0dn]T 定、转子电流向量分别为 转子各电量中uf，if为励磁绕组电压电流； idk为第k个等效阻尼绕组回路电流。
式4中，定子电阻矩阵 转子电阻矩阵 式(1)变形有 . . . . . . . . . 设ψs1＝[ψa1，ψa2，…ψam，ψb1，ψb2，…ψbm，ψc1，ψc2，…ψcm-1]T(3m-1)×1 ψs2＝[ψa2，ψa3，…ψam，ψb1，ψb2，…ψbm，ψc1，ψc2，…ψcm]T(3m-1)×1 则式5磁链相关变量可改写为 其中Er为(3m-1)×3m矩阵， 当发电机中性点不接地或经大电阻接地时有约束条件 ia1+ia2+…+iam+ib1+ib2+…+ibm+ic1+ic2+…+icm＝0(7) 令Is＝[ia1，ia2，…，iam，ib1，ib2，…，ibm，ic1，ic2…icm]T，I′s＝[ia1，…iam，ib1，…，ibm，ic1，…，icm-1]T 则有Is＝DrI′s式中 令
联立式(5)和式(6)有 另一方面，定、转子的磁链方程为 其中，Lss为3m×3m阶定子电感矩阵，定、转子互感矩阵Lsr，Lrs的阶次分别为3m×(n+1)和(n+1)×3m。
因此，定子磁链 将式(10)代入式(8)整理可得 式中，令M11＝ErLssDr，M12＝ErLsr，N11＝(ErpLssDr+rsErDr)，N12＝ErpLsr；其中p为微分算子，M11、N11为(3m-1)×(3m-1)矩阵，M12、N12为(3m-1)×(n+1)矩阵。
则(11)式可改写为 同理由式(4)可得转子回路电压方程为 其中转子磁链 式中Lrs，Lrr分别为(n+1)×3m，(n+1)×(n+1)矩阵，将式(14)代入式(13)可整理得 令M21＝LrsDr，M22＝Lrr，N21＝pLrsDr，N22＝Rr 其中M21、N21为(n+1)×(3m-1)矩阵，M22、N22为(n+1)×(n+1)矩阵。联立式(12)和式(15)可得如下大型多分支水轮发电机非故障情况下得仿真模型数学表达式。
式中，M和N矩阵中除了M22和N22外，其它系数都是时变的，通过求解此变系数微分方程组即可得到发电机运行过程中的各电气量特性。
三、本发明的应用 基于本发明所提出的模型及其建模方法，可快速计算得到发电机大批量的内部故障形式的各电气量(电流、电压)暂态故障数据，这些故障数据可用于发电机继电保护方案的研究，以及主保护方案的优化设计工作的工程应用。
文献索引何仰赞，同步发电机内部短路故障计算，华中工学院学报，1979(1)140-151侯煦光、杨顺义，汽轮发电机定子绕组开焊故障的计算分析，电站设备自动化，1981(3)6-8高景德、王祥珩、李发海，交流电机及其系统的分析，北京，清华大学出版社，1993张龙照，同步电机定子绕组不对称状态的研究[D]，北京，清华大学，1989屠黎明，同步发电机定子绕组内部故障分析方法及其应用的研究[D]，南京，东南大学，1999孙宇光、王祥珩、桂林等，三峡发电机定子绕组内部故障暂态仿真计算，电力系统自动化，2002，26(16)，56-61夏勇军、尹项根、陈德树、等，大型水轮发电机内部故障暂态仿真模型的简化及其仿真验证电力系统自动化，2006，30(12)黄磊、尹项根、夏勇军，一种特大型水轮发电机定子故障形式分析及其搜索算法设计，继电器，2005，33(15)1-权利要求
1、一种将奇数编号转子极面下阻尼绕组进行简化等效的发电机内部故障暂态仿真模型，发电机的定子为a、b、c三相，每相各分支都分别等效为电感和电阻的串联形式；根据定子、转子各回路的电压和磁链关系，列写方程，得到微分方程组形式的数学模型
通过求解微分方程组，即可得到发电机定子绕组暂态电流和电压数值；
其中，Is’和Us’是定子各支路的电流和电压量，
Ir和Ur是转子各回路的电流和电压量，
p代表导数，即微分算子，
M和N是该微分方程组的系数矩阵；
其特征在于
对发电机转子的阻尼绕组的处理上，只计及奇数编号转子极面下的阻尼绕组，并且将每个奇数编号转子极面下阻尼绕组等效为2根阻尼棒的形式。
2、按权利要求1所述的仿真模型的建模方法，其特征在于包括下列步骤
①根据转子及其阻尼棒结构，确定等效的阻尼棒参数及间距，作为阻尼网孔列写的基础；
②列写定子各分支、转子励磁绕组的电压方程；
③列写转子各等效阻尼笼型回路的电压方程；
④将定子、转子侧电压方程整理，即可得发电机内部仿真计算模型的微分方程。
全文摘要
本发明公开了一种发电机内部故障暂态仿真模型及其建模方法和应用，涉及一种发电机内部故障暂态仿真模型。本模型是发电机的定子为a、b、c三相，每相各分支都分别等效为电感和电阻的串联形式；根据定子、转子各回路的电压和磁链关系，列写方程，得到微分方程组形式的数学模型，通过求解微分方程组，即可得到发电机定子绕组暂态电流和电压数值；发电机转子的阻尼绕组，只计及奇数转子极面下的阻尼绕组，并且将每个奇数转子极面下阻尼绕组等效为2根阻尼棒的形式。本发明将阻尼绕组结构大量简化，使得所列写的用于发电机内部故障仿真模型的微分方程阶次大为降低，仿真计算时间缩短。适用于发电机内部故障仿真分析和水轮发电机主保护设计领域。
文档编号G06F17/50GK101340121SQ200810048990
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月28日 优先权日2008年8月28日
发明者夏勇军, 刚 胡 申请人:湖北省电力试验研究院