CN104156513A - 静态励磁的大型汽轮发电机的建模模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态励磁的大型汽轮发电机的建模模型，包括用建模方法实现的考虑了中性点对地电容的静态励磁子系统模型、考虑了输入输出对端部的影响及与频率相关的励磁绕组损耗的励磁绕组子系统模型及考虑了转子轴对地电容及汽轮机轴系阻抗的转子轴系子系统模型，所述静态励磁子系统模型的输出端接入励磁绕组子系统模型的输入端，所述励磁绕组子系统模型的输出端接入转子轴系子系统模型的输入端。本发明通过搭建发电机静态励磁子系统模型并建立励磁绕组和转子轴系的子系统模型，可仿真地得到发电机由静态励磁系统产生的轴电压波形，便于对轴电压的防治进行仿真分析与研究，本发明具有模型结构简单、易于实现、精确度高的优点。

Description

静态励磁的大型汽轮发电机的建模模型

技术领域

本发明涉及一种静态励磁的大型汽轮发电机的建模模型，属于汽轮发电机技术领域。

背景技术

汽轮发电机作为电能生产的核心设备之一，在电力系统中担负着非常重要的任务。发电机的故障和停运，不仅会损坏昂贵的电机本体，而且将直接威胁电力系统的安全和可靠供电。随着发电机组单机容量的增大，由轴电压问题引起轴瓦损伤事故应引起足够的重视。如果没有对其加以关注并采取防护措施，轴电压足以击穿轴与轴承之间的油膜而发生放电，造成电机部件损伤、加速机械磨损，严重时还会导致轴瓦烧坏而被迫停机，造成不必要的检修和发电损失。

近年来，随着电力电子技术的快速发展，静态励磁系统在大型汽轮发电机中得到广泛应用，导致一种新的、频率更高，幅值更大的轴电压源。静态励磁系统将交流电压通过晶闸管整流输出直流电压工作，因此不可避免在励磁系统的输出中有脉动分量，而转子绕组和大轴之间存在耦合电容，运行中大轴会因电磁感应现象而产生交流耦合电容电压。静态励磁系统引发的轴电压幅值很高且具有高频波动，是整个轴电压中的高频分量所在，波形具有复杂的谐波脉冲分量，在轻负荷时其峰值脉冲比重负荷时高得多，需要重点防护。

MATLAB是一种集数学计算、分析、可视化、算法开发与发布等于一体的软件平台，包括两大部分：数学计算和工程仿真。在工程仿真SIMULINK环境中，运用电力系统仿真工具箱SimPowerSystems库，进行电力、电子系统建模与仿真在电力系统中有着广泛的应用。SimPowerSystems主要由应用子库、电源子库、元件子库、附加子库、电机子库、测量子库和电力电子子库这七个模块库组成，同时还可以根据需要组合封装出更为复杂的模块，由此可以方便地对所研究的对象进行各种数字仿真建模，了解电气参数变化对电力系统分析、运行的影响，验证理论分析结果。

发明内容

本发明的目的在于提供一种静态励磁的大型汽轮发电机的建模模型，对静态励磁系统引起的轴电压进行仿真建模，便于对轴电压的防治进行仿真分析与研究。

本发明所采用的技术方案是：静态励磁的大型汽轮发电机的建模模型，包括用建模方法实现的考虑了中性点对地电容的静态励磁子系统模型、考虑了输入输出对端部的影响及与频率相关的励磁绕组损耗的励磁绕组子系统模型及考虑了转子轴对地电容及汽轮机轴系阻抗的转子轴系子系统模型，所述静态励磁子系统模型的输出端接入励磁绕组子系统模型的输入端，所述励磁绕组子系统模型的输出端接入转子轴系子系统模型的输入端。

所述静态励磁子系统模型包括：三相交流电源模型：用于提供三相交流电压信号；三相变压器模型：用于调节输出电压幅值；所述三相变压器模型的原边采用三角形连接，副边采用星形连接；三相全控桥模型：将三相变压器模型输出的交流电压转变换成六脉冲直流电压；同步六脉冲发生器模型：用于发出脉冲触发信号，控制触发三相全控桥模型的六个晶闸管；示波器一模型：用于观测共模电压U_c；电容模型C_w：用于模拟中性点对地电容。

所述励磁绕组子系统模型包括：第一线圈模型：用于模拟发电机励磁绕组的第一个线圈；最后线圈模型：用于模拟发电机励磁绕组的最后一个线圈；中间线圈模型：用于模拟发电机励磁绕组的中间线圈；无源RL回路模型RL_C1、RL_C2：用于模拟等效与频率有关的励磁绕组损耗，RL_C1、RL_C2均由并联连接的电阻和电感组成；所述第一线圈模型、中间线圈模型和最后线圈模型串联连接；RL_C1、RL_C2分别串联在中间线圈模型的输入端、输出端上。

所述转子轴系子系统模型包括：用于模拟汽轮机高压缸的电感模型L_hpt；用于模拟汽轮机中压缸的电感模型L_mpt；分别用于模拟汽轮机两个低压缸的电感模型L_lpt0、电感模型L_lpt；用于模拟发电机接地电刷的阻抗模型R_brush；用于模拟发电机定子铁芯内转子轴与频率相关的阻抗的无源RL回路模型RLi1、RLi2；用于模拟转子轴对地电容的电容模型；用于输出显示轴电压的示波器二模型。

本发明所达到的有益效果是：通过搭建发电机静态励磁子系统模型并建立励磁绕组和转子轴系的子系统模型，可仿真地得到发电机由静态励磁系统产生的轴电压波形，便于对轴电压的防治进行仿真分析与研究，本发明具有模型结构简单、易于实现、精确度高的优点。

附图说明

图1是本发明建模结构框图。

图2是汽轮发电机系统结构图。

图3是共模电压与轴电压等效电路图。

图4是静态励磁子系统模型图。

图5是励磁绕组子系统模型图。

图6是转子轴系子系统模型图。

图7是本发明的MATLAB/Power System建模结构图。

图8是本发明的MATLAB/Power System仿真结果图。

图9是第一线圈模型和最后线圈模型的π型电路。

图10是中间线圈模型的π型电路。

图中：1、汽轮机；1a、高压缸；1b、中压缸；1c、低压缸；2、发电机；2a、转子轴；2b、机壳；2c、励磁绕组；2d、定子；2e、转子铁芯；3、整流励磁系统；3a、三相全控桥；3b、三相变压器；4、示波器一模型；5、示波器二模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示，汽轮发电机系统包括汽轮机1、发电机2和整流励磁系统3，汽轮机1包括一个高压缸1a、一个中压缸1b和两个低压缸1c；发电机2包括机壳2b、转子轴2a、转子铁芯2e、励磁绕组2c和由定子铁芯和定子绕组构成的定子2d；整流励磁系统3采用三相全控桥式整流励磁系统，包括三相变压器3b和由六个晶闸管构成的三相全控桥3a，采用三相全控桥式整流将三相交流电压变换为六脉冲直流电压，通过阶跃信号的下降沿使能同步六脉冲发生器，采用双脉冲触发，初相角30°，工频周期中六个晶闸管脉冲相位依次相差60°。图中，C_t为励磁绕组对转子铁芯电容，C_W为中性点对地电容，C_S为转子轴对地电容，U₁和U₂分别为整流输出端正极A和负极B相对中性点C的电压，则直流输出励磁电压为U_d＝U₁-U₂，共模电压为U_C＝(U₁+U₂)/2。共模电压的典型波形为三倍基频的电压跳变矩形波，在对称的情况下，只有共模电压U_C影响轴电压U_S，其等效电路如图3示。共模电压UC等效为一个电压源，通过三个电容C_t，C_W，C_S构成一个闭合回路，轴电压为转子轴对地电容C_S上的分压，可得 $U_S=\frac{C_W{C}_t}{C_W{C}_t+C_S{C}_t+C_S{C}_W}{U}_C.$

如图1所示，为本发明建模结构框图，包括静态励磁子系统模型、励磁绕组子系统模型及转子轴系子系统模型。如图7所示，为MATLAB/Power System建模结构图，静态励磁子系统模型的输出端接入励磁绕组子系统模型的输入端，励磁绕组子系统模型的输出端接入转子轴系子系统模型的输入端。powergui、Clock、workspace1和workspace均为SimPowerSystems仿真中所需要的控件，powergui为电力系统仿真模块，用于电力系统数据分析计算；Clock为时钟模块，用于提供和显示仿真时间的功能；workspace1和workspace则分别用于保存时间变量和轴电压变量。

如图4所示，是静态励磁子系统模型图，包括：三相交流电源模型：用于模拟三相交流电源，提供三相交流电压信号；三相变压器模型：用于模拟三相变压器3b，用于调节输出电压幅值，三相变压器模型与三相变压器3b相适应的：原边采用三角形连接，副边采用星形连接；三相全控桥模型：用于模拟三相全控桥3a，将三相变压器模型输出的交流电压转变换成六脉冲直流电压；同步六脉冲发生器模型：用于模拟同步六脉冲发生器，发出脉冲触发信号，控制触发三相全控桥模型的六个晶闸管；示波器一模型4：用于观测共模电压U_c。考虑到中性点对地电容，静态励磁子系统模型还设置了用于模拟中性点对地电容的电容模型C_w。

如图5所示，是励磁绕组子系统模型图，第一线圈模型、中间线圈模型和最后线圈模型串联连接。考虑到输入输出对端部的影响，单独对励磁绕组的第一个线圈和最后一个线圈建模。第一线圈模型：用于模拟发电机励磁绕组的第一个线圈；最后线圈模型：用于模拟发电机励磁绕组的最后一个线圈。第一线圈模型和最后线圈模型连接结构相同，其中C_t0＝C_t1＝C_t2＝……＝C_t26＝C_t27,L_t0＝L_t1＝L_t2＝……＝L_t26＝L_t27，第一线圈模型和最后线圈模型均由若干组如图9所示的π型电路串联组成，该π型电路由电感L_t0和电容C_t0、电容C_t1’组成。每一组π型电路模拟等效一匝励磁绕组，为简化图形，在图5中将两个并联的电容C_tx等效为2C_tx，其中x＝0,1,2……26,27。中间线圈模型：用于模拟发电机励磁绕组的中间线圈，中间线圈模型由图10所示的π型电路串联组成，每一组π型电路模拟等效半匝励磁绕组。其中C_c＝C_c1＝C_c2＝……＝C_c22＝C_c23,L_c＝L_c1＝L_c2＝……＝L_c22＝L_c23，相同的，在图5中为简化图形，将两个并联的电容等效为一个C_cy，其中y＝1,2……22,23。考虑到一定频率范围内，与频率相关的励磁绕组损耗，采用无源RL回路模型进行模拟等效。无源RL回路由并联连接的电阻和电感组成。中间线圈模型的输入端串联无源RL回路模型RL_C1、输出端串联无源RL回路模型RL_C2。图中，R_c0和R_c1均用于模拟等效励磁绕组的电阻。

如图6所示，是转子轴系子系统模型图。在汽轮机部分，转子轴和汽缸之间的电感决定了轴系的阻抗，考虑到汽轮机轴系阻抗，分别对低压缸、中压缸、高压缸用一个对应的电感来模拟等效：电感模型L_hpt用于模拟汽轮机高压缸，电感模型L_mpt用于模拟汽轮机中压缸，电感模型L_lpt0、电感模型L_lpt分别用于模拟汽轮机两个低压缸，C_oil1用于模拟等效汽轮机压缸侧转子轴对地电容，C_oil2和C_oil3分别用于模拟两个低压缸的对地电容，C_oil4用于模拟中压缸的对地电容、C_oil5用于模拟高压缸的对地电容。C_oil用于模拟励磁侧转子轴对地电容，阻抗模型R_brush用于模拟发电机接地电刷，C_ins用于模拟接地电刷的对地电容，转子轴对地电容C_S＝C_oil+C_ins。对于高频轴电压，由于转子轴阻抗较大，发电机一端装接地电刷对另一端并没有太多影响。无源RL回路模型RLi1、RLi2用于模拟发电机定子铁芯内转子轴与频率相关的阻抗。R_i0用于模拟等效发电机转子轴阻抗，示波器二模型5用于输出显示轴电压U_S。

如图8所示，是通过MATLAB/Power System仿真后，示波器二模型5输出显示的轴电压Us波形图仿真结果图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.静态励磁的大型汽轮发电机的建模模型，其特征在于，包括用建模方法实现的考虑了中性点对地电容的静态励磁子系统模型、考虑了输入输出对端部的影响及与频率相关的励磁绕组损耗的励磁绕组子系统模型及考虑了转子轴对地电容及汽轮机轴系阻抗的转子轴系子系统模型，所述静态励磁子系统模型的输出端接入励磁绕组子系统模型的输入端，所述励磁绕组子系统模型的输出端接入转子轴系子系统模型的输入端。

2.根据权利要求1所述的静态励磁的大型汽轮发电机的建模模型，其特征在于，所述静态励磁子系统模型包括：

三相交流电源模型：用于提供三相交流电压信号；

三相变压器模型：用于调节输出电压幅值；所述三相变压器模型的原边采用三角形连接，副边采用星形连接；

三相全控桥模型：将三相变压器模型输出的交流电压转变换成六脉冲直流电压；

同步六脉冲发生器模型：用于发出脉冲触发信号，控制触发三相全控桥模型的六个晶闸管；

示波器一模型：用于观测共模电压U_c；

电容模型C_w：用于模拟中性点对地电容。

3.根据权利要求2所述的静态励磁的大型汽轮发电机的建模模型，其特征在于，所述励磁绕组子系统模型包括：

第一线圈模型：用于模拟发电机励磁绕组的第一个线圈；

最后线圈模型：用于模拟发电机励磁绕组的最后一个线圈；

中间线圈模型：用于模拟发电机励磁绕组的中间线圈；

无源RL回路模型RL_C1、RL_C2：用于模拟等效与频率有关的励磁绕组损耗，RL_C1、RL_C2均由并联连接的电阻和电感组成；

所述第一线圈模型、中间线圈模型和最后线圈模型串联连接；

RL_C1、RL_C2分别串联在中间线圈模型的输入端、输出端上。

4.根据权利要求3所述的静态励磁的大型汽轮发电机的建模模型，其特征在于，所述转子轴系子系统模型包括：

用于模拟汽轮机高压缸的电感模型L_hpt；

用于模拟汽轮机中压缸的电感模型L_mpt；

分别用于模拟汽轮机两个低压缸的电感模型L_lpt0、电感模型L_lpt；

用于模拟发电机接地电刷的阻抗模型R_brush；

用于模拟发电机定子铁芯内转子轴与频率相关的阻抗的无源RL回路模型RLi1、RLi2；

用于模拟转子轴对地电容的电容模型；

用于输出显示轴电压的示波器二模型。