水轮发电机的飞轮力矩和机组的惯性时间常数

机组运行参数
1水轮发电机组技术参数
1.1水轮机技术参数
1.2发电机技术参数
1.2.2水轮发电机各部温度整定
1推力轴承双螺杆泵及高压减载装置基本参数
3发电机中性点接地变参数
2调速器系统主要技术参数
2.1调速柜设备主要参数：
2.2调速器技术参数
4主变技术参数
1.1.主变技术参数
1.1.1.主变主要技术参数
1.1.
2.冷却条件变化时负载特性表
1.1.3.主变分接开关技术参数。

1.1.4.主变冷却器主要技术参数
1.2.18kV 干式变主要技术参数1.2.1.18kV 干式变额定值
5.1快速闸门
5.2 快速闸门液压系统见表1－2
6压缩空气系统主要技术参数
7技术供水减压阀
7.2泄压安全阀
7.3滤水器主要参数
8、10kV 干式变参数
1.2.3.10kV 干式变额定值
1.2.4.干式变压器过负荷能力。

1.2.5.干式变线圈温度与风机运行状态关系表
1.2.6.照明变有载调压装置主要技术参数
1设备主要技术参数
1.1500kV GIS设备主要参数。

1.1.1SF6气室中含水量PPM参数（见表1）：
1.1.2500kV GIS组合电器设备参数（见表3）：
1.1.3隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、SF6/空气出线套管性能参数（见表3～表6）
1.2发电机出口断路器GCB主要技术参数
1.3封闭母线IPB。

２０２０年第１２期２０２０Ｎｕｍｂｅｒ１２水电与新能源ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＡＮＤＮＥＷＥＮＥＲＧＹ第３４卷Ｖｏｌ.３４ＤＯＩ:１０.１３６２２/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｎ４２－１８００/ｔｖ.１６７１－３３５４.２０２０.１２.０１２收稿日期:２０２０－０９－０５作者简介:柳呈祥ꎬ男ꎬ助理工程师ꎬ主要从事水电站励磁㊁直流系统调试㊁检修㊁维护工作ꎮ某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析柳呈祥ꎬ张元栋ꎬ程诗龙ꎬ黄柯维(中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂ꎬ湖北宜昌㊀４４３１３３)摘要:以某电站５０ＭＷ水轮发电机组为研究对象ꎬ对电机进行了模型参数计算ꎬ建立了发电机的数学模型ꎻ应用Ｍａｔｌａｂ软件中的ｓｉｍｕｌｉｎｋ工具ꎬ以建立的数学模型为基础搭建了凸极水轮发电机仿真模型ꎬ并对所建模型并网后的运行特性进行仿真研究ꎬ验证了所建模型的正确性ꎮ关键词:水轮发电机ꎻ参数计算ꎻＭａｔｌａｂꎻ数学模型中图分类号:ＴＭ３１２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:１６７１－３３５４(２０２０)１２－００４９－０５ＭａｔｈｅｍａｔｉｃａｌＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆａ５０ＭＷＨｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅＧｅｎｅｒａｔｏｒＵｎｉｔＬＩＵＣｈｅｎｇｘｉａｎｇꎬＺＨＡＮＧＹｕａｎｄｏｎｇꎬＣＨＥＮＧＳｈｉｌｏｎｇꎬＨＵＡＮＧＫｅｗｅｉ(ＴｈｒｅｅＧｏｒｇｅｓＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＰｌａｎｔꎬＣｈｉｎａＹａｎｇｔｚｅＰｏｗｅｒＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＹｉｃｈａｎｇ４４３１３３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｆｏｒａ５０ＭＷｈｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔａｎｄｔｈｅｍｏｄｅｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ.ＴｈｅｎꎬａｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄｉｎＳｉｍｕｌｉｎｋｔｏｏｌｂｏｘｉｎＭａｔｌａｂｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ.Ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌａｒｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｎｄｔｈｅｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｏｆｔｈｅｍｏｄｅｌｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｙｄｒｏ￣ｔｕｒｂｉｎｅｇｅｎｅｒａｔｏｒｕｎｉｔꎻｐａｒａｍｅｔｅｒｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎻＭａｔｌａｂꎻｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ㊀㊀同步发电机是电力系统的心脏ꎬ直接影响电力系统的的稳定运行ꎮ由于电机非线性㊁强耦合㊁多变量的特点ꎬ电机的动态特性复杂ꎬ而电机的动态性能对电力系统的动态稳定非常重要ꎬ所以对电机的模型进行深入的研究是十分必要的[１]ꎮ对于同步电机的数学模型主要有ａｂｃ轴和ｄｑ轴两种参考坐标系ꎬａｂｃ坐标系可以完整反映气隙基波和谐波磁场的电磁关系ꎬ但是电感参数变化会给此坐标系下的计算和分析造成不便ꎻｄｑ轴坐标系只计基波磁场的作用ꎬ可以实现定子绕组㊁转子绕组和阻尼绕组的电感解耦ꎬ目前来说ꎬ通常采用ｄｑ轴坐标进行电机建模ꎮ本文以某电站凸机同步发电机为例ꎬ建立了发电机在ｄｑ轴下的数学模型ꎬ并对此模型进行了Ｍａｔｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真ꎬ最后对仿真波形进行分析ꎬ验证了模型的正确性ꎮ１㊀发电机数学模型１.１㊀ｄｑ坐标系下的电机有名值方程为了建立同步发电机模型ꎬ必须对实际电机作必要的简化假设:１)定子三相绕组结构上完全相同ꎬ在空间上相差１２０ʎ电角度ꎮａｂｃ三相绕组对其轴线而言结构对称ꎮ２)电机转子在结构上是完全对称的ꎮ转子各绕组如果有电流ｉ流过ꎬ只考虑正弦基波分量ꎮ３)对于电机沿直轴或交轴的磁路ꎬ如果磁势波是对称于直轴或交轴正弦分布的ꎬ则磁密波也对称于直轴或者交轴正弦分布ꎬ或者说对于磁密波只计其基波分量[２]ꎮｄｑ坐标系下的电机暂态方程适应转子的旋转和凸极效应ꎬ所以一般选用ｄｑ坐标系建模ꎮ电压和磁链方程如下ꎮ９４水电与新能源２０２０年第１２期电压方程:ｕｄ＝ｐψｄ－ωψｑ－ｒｉｄｕｑ＝ｐψｑ＋ωψｄ－ｒｉｑｕｆ＝ｐψｆ＋ｒｆｉｆ０＝ｐψＤ＋ｒＤｉＤ０＝ｐψＱ＋ｒＱｉＱ(１)式中:ｕｄ㊁ｕｑ㊁ｕｆ分别为ｄｑ轴电压和励磁绕组的电压ꎻψｄ㊁ψｑ㊁ψｆ㊁ψＤ㊁ψＱ分别为各绕组磁链ꎻｉｄ㊁ｉｑ㊁ｉｆ㊁ｉＤ㊁ｉＱ分别为各绕组中流过的电流瞬时值ꎻｒ㊁ｒｆ㊁ｒＤ㊁ｒＱ分别为各绕组电阻ꎻω为转子电角速度ꎻｐ为微分算子ꎬｐ＝ｄｄｔꎮ磁链方程:㊀ψｄψＦψＤæèçççöø÷÷÷＝ＬｄＭｆＭＤＫＭｆＬｆＭＲＫＭＤＭＲＬＤéëêêêêùûúúúú－ｉｄｉｆｉＤéëêêêêùûúúúú㊀ψｑψＱæèçöø÷＝ＬｄＭＱＫＭＱＬＱéëêêùûúú－ｉｄｉＱéëêêùûúú(２)式中:Ｌｄ㊁Ｌｑ分别为ｄｑ同步电感系数ꎻＬｆ㊁ＬＤ㊁ＬＱ分别为励磁和阻尼绕组自感系数ꎻＭＲ为励磁和阻尼Ｄ绕组自感系数ꎻＭｆ㊁ＭＤ㊁ＭＱ分别为定子和转子绕组互感系数幅值ꎮ１.２㊀ｄｑ坐标系下的标幺值方程用有名值来进行同步电机的分析时ꎬ存在量级差异较大的情况ꎬ用归算到自身容量基值下的标幺值表示则更加合理ꎮ因此ꎬ对电机有名值方程还需进行标幺化ꎮ对有名值方程进行规范化的过程就是标幺化的过程ꎬ首先要确定有关变量的基准值ꎮ发电机定子侧基准电压ＵＢ㊁基准电流ＩＢ㊁基准容量ＳＢ㊁基准频率ｆＢ和基准角频率ωＢ为[３]㊀㊀ＵＢ＝２ＵＲ㊀㊀ＩＢ＝２ＩＲ㊀㊀ＳＢ＝ＳＲ＝３ＵＲＩＲ＝３２ＵＢＩＢ㊀㊀ｆＢ＝５０Ｈｚ㊀㊀ωＢ＝２πｆｂ式中:ＵＲ为发电机额定相电压有效值ꎻＩＲ为发电机额定相电流有效值ꎻＳＲ为发电机额定容量ꎮ定子侧绕组基准磁链ψＢ㊁基准自感系数ＬＢ和时间基准值ｔＢ关系为ψＢ＝ＵＢｔＢψＢ＝ＬＢＩＢ转子ｆ㊁Ｄ和Ｑ各绕组变量分别取以下基准值ＵｆＢ＝ＫＦＵＢＵＤＢ＝ＫＤＵＢＵＱＢ＝ＫＱＵＢüþýïïïψｆＢ＝ＫＦψＢψＤＢ＝ＫＤψＢψＱＢ＝ＫＱψＢüþýïïïＩｆＢ＝３２１ＫＦＩＢＩＤＢ＝３２１ＫＤＩＢＩＱＢ＝３２１ＫＱＩＢüþýïïïïïïïＳＦＢ＝ＳＤＢ＝ＳＱＢ＝ＳＲ式中:ＫＦ㊁ＫＤ为励磁和阻尼Ｄ绕组对定子ｄ绕组的等效匝比ꎻＫＱ为阻尼Ｑ绕组对定子ｑ绕组的等效匝比ꎮ经过规范化后的磁链方程为ψｄψＢψｆψｆＢψＤψＤＢæèçççççççöø÷÷÷÷÷÷÷＝ＬｄＬＢＭｆ２３ＫＦＬＢＭＤ２３ＫＤＬＢ２３ＭｆＫＦＬＢＬｆ２３ＫＦ２ＬＢＭＲ２３ＫＤＫＦＬＢ２３ＭＤＫＤＬＢＭＲ２３ＫＦＫＤＬＢＬＤ２３ＫＤ２ＬＢéëêêêêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúúúú－ｉｄＩＢｉｆ３２１ＫＦＩＢｉＤ３２１ＫＤＩＢéëêêêêêêêêêêùûúúúúúúúúúúψｑψＢψｑψＱＢæèççççöø÷÷÷÷＝ＬｑＬＢＭＱ２３ＫＱＬＢ２３ＭＤＫＱＬＢＬＱ２３ＫＱ２ＬＢＬＱéëêêêêêêêêùûúúúúúúúú－ｉｑＩＢｉＱ３２１ＫＱＩＢéëêêêêêêùûúúúúúú(３)由于电感标幺值与电抗标幺值相等ꎬ可以不区分ꎬ上式可改写为ψｄ∗ψｆ∗ψＤ∗æèçççöø÷÷÷＝Ｘｄ∗Ｘａｄ∗Ｘａｄ∗Ｘａｄ∗Ｘｆ∗ＸＲ∗Ｘａｄ∗ＸＲ∗ＸＤ∗éëêêêêùûúúúú－ｉｄｉｆｉＤéëêêêêùûúúúúψｑ∗ψＱ∗æèçöø÷＝Ｘｑ∗Ｘａｑ∗Ｘａｑ∗ＸＱ∗éëêêùûúú－ｉｑｉＱéëêêùûúú(４)电压方程为０５柳呈祥ꎬ等:某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析２０２０年１２月ｕｄ∗＝ｄｄｔ∗(ψｄ∗)－ω∗ψｑ∗－ｒ∗ｉｄ∗ｕｑ∗＝ｄｄｔ∗(ψｑ∗)＋ω∗ψｄ∗－ｒ∗ｉｑ∗ｕｆ∗＝ｄｄｔ∗(ψｆ∗)＋ｒｆ∗ｉｆ∗ｕＤ∗＝ｄｄｔ∗(ψＤ∗)＋ｒＤ∗ｉＤ∗＝０ｕＱ∗＝ｄｄｔ∗(ψＱ∗)＋ｒＱ∗ｉＱ∗＝０(５)由于后续分析的电气量均为标幺值ꎬ将∗省略ꎮ电机参数一般以运算电抗和实用参数给出ꎬ其中ｄｑ轴运算电抗为Ｘｄ(ｐ)＝ψｄ－ｉｄＸｑ(ｐ)＝ψｑ－ｉｑ由式(４)和(５)可求得:㊀㊀Ｘｄ(ｐ)＝Ｘｄ－Ｂ(ｐ)Ａ(ｐ)Ａ(ｐ)＝ｐ２(ＸＤＸｆ－Ｘａｄ２)＋ｐ(ＸＤｒｆ＋ＸｆｒＤ)＋ｒＤｒｆＢ(ｐ)＝ｐ２(ＸＤ＋Ｘｆ－２Ｘａｄ)Ｘａｄ２＋ｐ(ｒｆ＋ｒＤ)Ｘａｄ２㊀㊀Ｘｑ(ｐ)＝Ｘ１＋Ｘａｑ(ＸＱ１＋ｒＱｐ)Ｘａｑ＋(ＸＱ１＋ｒＱｐ)(６)除以上电磁方程ꎬ还有转子运动方程２Ｈｄωｄｔ＝Ｔｍ－ＴｅＴｅ＝ψｄｉｑ－ψｑｉｄ(７)式中:Ｈ为机组惯性时间常数ꎻＴｍ为机械力矩ꎻＴｅ为电磁转矩ꎮ２㊀标幺值选定和仿真参数计算表１为某电站发电机主要电气参数ꎬ由式(４)(５) (７)搭建电机模型需知道发电机定子绕组㊁转子绕组和阻尼绕组的电抗值㊁电阻值ꎬ还需知道机组惯性时间常数ꎮ由于建模采用标幺值系统ꎬ应对发电机电气参数进行标幺化ꎬ本节对发电机标幺值选定和发电机参数进行分析和计算ꎮ定子绕组基准值选择[４－５]ＳａＢ＝ＳＮ＝５８.８ＭＶＡＵａＢ＝２ＵＲ＝２ˑ１０５００/３＝８５７３.２ＶＩａＢ＝２ＩＲ＝４５７４.３Ａ表１　发电机主要电气参数表项目额定工况发电机功率ＰＮ/ＭＷ５０功率因数ｃｏｓφＮ０.８５发电机容量ＳＮ/ＭＶＡ５８.８额定电压ＵＮ/ｋＶ１０.５额定电流ＩＮ/Ａ３２３４.５额定转速ｎＮ/(ｒ ｍｉｎ－１)２７２.７额定频率ｆＮ/Ｈｚ５０直轴同步电抗Ｘｄ(不饱和值)/ｐ.ｕ.１.０５８直轴瞬变电抗Ｘᶄｄ(不饱和值)/ｐ.ｕ.０.３０７直轴超瞬变电抗Ｘᵡｄ/ｐ.ｕ.０.２０３交轴同步电抗Ｘｑ/ｐ.ｕ.０.６７５交轴超瞬变电抗Ｘᵡｑ/ｐ.ｕ.０.２１４定子绕组漏抗Ｘ１/ｐ.ｕ.０.１１９ｄ轴短路暂态时间常数Ｔᶄｄ/ｓ１.９６２ｄ轴开路暂态时间常数Ｔᶄｄ０/ｓ６.７６ｄ轴短路次暂态时间常数Ｔᵡｄ/ｓ０.０４４１ｄ轴开路次暂态时间常数Ｔᵡｄ０/ｓ０.０６６５ｑ轴短路超瞬变时间常数Ｔᵡｑ/ｓ０.０５０２ｑ轴开路超瞬变时间常数Ｔᵡｑ０/ｓ０.１５７９６空载励磁电流Ｉｆ０/Ａ５９３额定励磁电流ＩｆＮ/Ａ１０６７额定励磁电压ＵｆＮ/Ｖ１６４定子绕组电阻Ｒａ/Ω０.００６４５励磁绕组电阻Ｒｆ/Ω０.１３０７飞轮力矩ＧＤ２/ｔｍ２１８５０ｆａＢ＝５０ＨｚωＢ＝２πｆＢ＝３１４.１６ｒａｄ/ｓＺａＢ＝ＲａＢ＝ＸａＢ＝１.８７４２ΩＬａＢ＝ＸａＢ/ωＢ＝５.９６６ˑ１０－３ＨψａＢ＝ＬａＢＩａＢ＝２７.２９Ｗｂ励磁绕组基准值选择ＳｆＢ＝ＳｆＢ＝ＳＮ＝５８.８ＭＶＡＬｄｆ＝ＵＢωＢｉｆ｜ｉｆ＝５９３Ａ＝０.０４６０２ＨＸａｄ∗＝Ｘａｄ∗－Ｘ１∗＝０.９３９ＩｆＢ＝ＸａｄＩＢωＢＬｄｆ＝(Ｘｄ－Ｘ１)ＩＢωＢＬｄｆ＝５５６.８Ａ１５水电与新能源２０２０年第１２期ＵｆＢ＝ＳＢＩｆＢ＝１０５.６ｋＶＺｆＢ＝ＲｆＢ＝ＸｆＢ＝１８９.７ΩＬｆＢ＝ＸｆＢ/ωＢ＝０.６０３８ＨψｆＢ＝ＬｆＢＩｆＢ＝３３６.２Ｗｂ定转子之间的互感基值选择ＬａｆＢ＝２３ＬａＢＬｆＢ＝０.０４９ＨＬｆａＢ＝２３ＬａｆＢ＝０.０７３５Ｈ力矩基值ＴＢ＝ＳａＢωｍＢ＝ｎｐＳａＢωｅＢ＝１１ˑ５８.８ˑ１０６３１４.１６＝２.０６ˑ１０６Ｎ ｍ由电机实用参数可继续求解得到电机模型参数[６](由于模型建立在标幺值基础上ꎬ后续如无特别说明均省略符号∗):Ｘａｄ＝Ｘｄ－Ｘ１＝０.９３９Ｘａｑ＝Ｘｑ－Ｘ１＝０.５５６Ｘｆ＝Ｘａｄ２Ｘｄ－Ｘᶄｄ＝１.１７４ＸＤ＝２.５５９ＸＱ＝０.６７１ｒ＝３.４４１ˑ１０－３ｒｆ＝５.５２８ˑ１０－３ｒＤ＝０.０８６５ｒＱ＝３.１６２ˑ１０－３转动惯量Ｊ＝１４ＧＤ２ˑ１０３＝４６２.５ˑ１０３ｋｇ ｍ２机组惯性时间常数Ｈ＝１２ＪωｍＢ２ＳａＢ＝３.２１ｓ至此ꎬ电机仿真所需所有建模参数均已求得ꎮ３㊀仿真模型３.１㊀模型搭建如图１所示ꎬ按照前面两节的电机电压方程㊁磁链方程㊁功率方程㊁电磁力矩方程和转子运动方程搭建电机模型ꎮ明显地ꎬ当考虑定子绕组㊁转子绕组和励磁绕组的电磁暂态过程以及转子的机械过渡过程时ꎬ发电机为七阶模型ꎬ完整的反映了电机系统的物理特性ꎮ电机模型采用标幺值系统ꎬ与上节的计算和分析对应ꎮ励磁系统采用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ自带的ＥｘｃｉｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍꎬ控制方式为ＰＩＤ＋ＰＳＳ２Ｂꎮ变压器选择Ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅＴｒａｎｓ￣ｆｏｒｍｅｒꎬ容量选择６０ＭＶＡꎬ一二次侧电压为１０.５ｋＶ/３５ｋＶꎮ输电线路选择３－ＰｈａｓｅＳｅｒｉｅｓＲＬＣＢｒａｎｃｈ(电阻０.００３Ωꎬ电感为０.００５Ｈ)ꎮ无穷大系统用３－ｐｈａｓｅＳｏｕｒｃｅ模块(１００００ＭＶＡ３５ｋＶ)和３－ｐｈａｓｅｐａｒａｌｌｅｌＲＬＣｌｏａｄ模块组成ꎮ图１㊀发电机Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型图２５柳呈祥ꎬ等:某电站５０ＭＷ水轮发电机数学建模和仿真分析２０２０年１２月３.２㊀仿真波形搭建好仿真模型后ꎬ可以对电机暂态过程进行模拟仿真ꎮ机械功率输出Ｐｍ＝１(ｐ.ｕ.)ꎬ给定电压Ｖｒｅｆ＝１(ｐ.ｕ.)ꎮ励磁电流Ｉｆ㊁励磁电压Ｕｆ㊁ｄｑ轴电压和电流㊁电磁功率Ｐｅ和输出功率Ｐｅｏ的仿真波形如图２－图４所示ꎮ图２㊀Ｉｆ㊁Ｕｆ㊁Ｕｄ和Ｕｑ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)图３㊀ｉｄ和ｉｑ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)从图中可知ꎬ励磁电压㊁励磁电流随时间趋于稳定并达到额定值ꎮＵｄ和Ｕｑ的稳定值分别为０.６４７(ｐ.ｕ.)和０.７６３(ｐ.ｕ.)ꎮＵｄ２＋Ｕｑ２稳定值刚好趋于图４㊀Ｐｅ和Ｐｅｏ仿真波形图(Ｐｍ＝１ꎬＶｒｅｆ＝１)电压额定值ꎮ电磁功率和电磁输出功率趋于１(ｐ.ｕ.)ꎬ和给定的机械功率平衡ꎬ因为模型中未考虑摩擦转矩作用ꎬ这与理论分析的结果是一致的ꎮ综合以上发电机电气量仿真波形ꎬ本文搭建的发电机模型正确ꎬ可真实反映发电机电气和机械特性ꎮ４㊀结㊀语发电机系统是一个典型非线性㊁强耦合的高阶系统ꎬ动态性能复杂ꎬ所以对发电机的建模力求精确ꎮ本文介绍了建立发电机ｄｑ轴坐标系下数学模型的基本方法ꎬ接着对某电站的电机参数进行了分析和计算ꎬ搭建了基于实际凸机水轮发电机的模型ꎬ最后通过Ｍａｔ￣ｌａｂ/Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真验证了模型的正确性ꎮ参考文献:[１]余贻鑫ꎬ陈礼义.电力系统的安全性和稳定性[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ１９８８[２]黄家裕ꎬ岑文辉.同步电动机基本理论及其动态行为分析[Ｍ].上海:上海交通大学出版社ꎬ１９８９[３]高景德ꎬ张麟征.电机过渡过程的基本理论及分析方法[Ｍ].北京:科学出版社ꎬ１９８２[４]韩富春ꎬ闫根弟.暂态稳定数字仿真中发电机数学模型的研究[Ｊ].太原理工大学学报ꎬ２００５ꎬ３６(１):７５－７８[５]宋宏志.不同工况下大型水轮发电机电磁参数的计算[Ｄ].北京:华北电力大学ꎬ２０１１[６]倪以信ꎬ陈寿孙ꎬ张宝霖.动态电力系统的理论和分析[Ｍ].北京:清华大学出版社ꎬ２００２３５。

水轮机知识1．什么是水力发电?答：水力发电是利用水作为传递能量的介质来发电的。

依据一定的自然条件，或拦河筑坝，抬高上游水位；或采用引水的方式，来集中河段中的自然落差，形成发电所需要的水头。

水头表示单位重量的水体所具有的势能。

当已经形成水头的水经由压力水管流过安装在水电厂厂房内的水轮机而排至水电厂的下游时，水流带动水轮机的转轮旋转，使水能转变为水轮机的旋转机械能。

水轮机转轮带动发电机转子旋转，由于磁场切割导体，从而在发电机的定子绕组上产生感应电动势。

当发电机与外电路接通时，发电机就向外供电了。

这样，水轮机的旋转机械能又通过发电机转变为电能。

这就是水力发电的过程。

为了实现这种能量的连续转换而修建的水工建筑物和所安装的发电设备及其附属设备的总体，就是水电厂(站)。

水电厂(站)安装的设备主要有水轮机、水轮发电机、变压器、开关设备和辅助设备等，还有为保证各种设备正常运行而设置的测量、监视、控制、保护、信号等电气设备。

2．检修前应做好的准备工作有哪些?答：认真做好检修前的各项准备工作，是完成检修任务的首要条件。

(1)人员的组织。

充分做好动员工作，组织好各班组的劳动力，平衡施工进度，编制班组作业计划，组织劳动竞赛。

将工作任务分解，落实到人。

每一个工作面都应由技术比较全面、熟悉设备和系统的人担任工作负责人。

工作负责人不仅应对所担负的工作全面负责，还应是安全监护人。

全体施工人员应在了解全面工作的基础上弄清楚自己应做的工作，即熟悉图纸，熟悉设备，了解自己所检修设备的工作原理、拆装和修理的方法。

(2)工器具准备。

工器具是完成检修工作任务的物质基础。

检修前应根据检修项目，检查专用工具(包括安全用具)是否齐全完好；检查必需的工具是否足够；专用机械、起重设备和其他起重机械有无缺陷，是否可用。

如果有问题应及时处理，必要时还应对起重设备进行一些试验，以确保其完好可用。

(3)物资准备。

做好物资准备，包括材料、备品、安全用具、消防器材等。

第七节机组转速变化的计算一、调节保证计算的任务在水电站的外界负荷突然改变后，调速系统由于惯性作用，不可能将水轮机的导叶或针阀在瞬时内调整到与改变后的负荷相适应的开度，同时，由于水锤压强的限制，这样做也是不允许的。

在开度的调整过程中，水轮机的出力与外界的负荷是不平衡的，此不平衡的能量将转化为机组转速的变化。

例如，在丢弃负荷时，开度调整过程中的剩留能量将转化为机组的动能而使转速升高；反之，在增加负荷时，调整过程中不足的能量将由机组的动能补充而使转速降低。

机组的惯性一般用飞轮力矩表示，G为机组转动部分的重量，D为转动部分的惯性直径。

在一定的情况下，水轮机的开度变化越缓慢（即调整的时间越长），机组的转速变化越大；在开度变化一定的情况下，机组的越大则转速变化越小。

水锤压强的变化与转速变化相反，水轮机的开度变化越迅速，水锤压强越大。

所以，转速变化和水锤压强两者是矛盾的。

加大机组转速的变化不但要增加机组造价而且会影响供电质量；加大水锤压强不但会加大水电站过水系统的投资而且会恶化机组的调节稳定性。

因此，对两者都必须加以限制，使之不超过某一允许值。

协调水锤和机组转速变化的计算一般统称为调节保证计算。

调节保证计算的主要任务可概括为：(1)根据水电站过水系统和水轮发电机组特性，合理地选择水轮机开度的调节时间和调节规律，使水锤压强和机组转速变化均在允许范围之内，并尽可能地减小水锤压强以降低工程投资。

(2)根据给定的机组和调节时间，计算转速变化，检验它是否在允许范围之内；或者相反，在给定转速变化和调节时间的情况下，计算必须的值。

(3)根据给定的调节时间和调节规律进行水锤计算，检验水锤压强是否在允许范围之内；或给定水锤压强，验算水电站有压过水系统是否需要设置调压室等平水设施。

调节时间直接影响机组的转速变化和水锤压强。

调节规律对水锤压强的影响比对转速变化的影响更显著。

合理的调节规律是指在某调节时间内使水锤压强最小而调速系统又能做到的导叶开赓变化规律。

水轮发电机基本知识介绍一. 关于发电机电磁设计水轮发电机电磁设计的任务是按给定的容量、电压、相数、频率、功率因数、转速等额定值和其他技术要求来确定发电机的有效部分尺寸、电磁负荷、绕组数据及性能参数等。

水轮发电机电气参数的选择，主要依据电力系统对电站电气参数和主接线的要求，同时根据《水轮发电机基本技术条件》、《导体和电器设备选择设计技术规定》等相关规范来选择，当然也要根据具体电站的要求。

在电磁设计过程中考核的几个主要参数：磁密，定、转子线圈温升，短路比，主要电抗，效率，飞轮力矩。

二. 电磁设计需要输入的基本技术数据（一）额定容量、有功功率、无功功率和功率因数的关系Φ--发电机输出电流在时间相位上滞后于电压的相位角额定容量S=√3U N I N =22Q P有功功率P=√3U N I N cos φ=S ·cos φ无功功率Q=√3U N I N sin φ=S ·sin φcos φ= SP （二）发电机的电磁计算需要具备以下基本的额定数据：功率/容量，功率因数，电压，转速（极数），频率，相数，飞轮力矩（转运惯量）1. 额定容量（视在功率）或者额定功率（有功功率）S=φcos P （kV A / MV A ） P=水轮机额定出力×发电机效率 （kW / MW ）发电机的容量大小更直接反映发电机的发电能力。

有功功率结合功率因数才能完整反映发电机的输出功率能力。

2. 额定功率因数cos φ发电机有功功率一定时，cos φ的减小，可以提高电力系统稳定运行的功率极限，提高发电机的稳定运行水平；同时由于增大了发电机的容量，发电机造价也增加。

相反，提高额定功率因数，可以提高发电机有效材料的利用率，并可提高发电机的效率。

近年来由于电力系统容量的增加，系统装设同步调相机和电力电容器来改善其功率因数，以及远距离超高压输电系统使线路对地电容增大，发电机采用快速励磁系统提高稳定性，使发电机额定功率因数有可能提高。

水轮发电机转动惯量shullun fodlonl一zhuondong guonl旧ng 水轮发电机转动惯.(rotational inertia of hydrogenerator)水枪发电机转动惯盆是发电机转动部分的重tG与其惯性直径D平方的乘积，用GDZ表示，也称为转动部分的飞轮力矩。

转动惯量表明电力系统出现大干扰时，水轮发电机组转动部分保持原来运动状态的能力，所以对电力系统的暂态过程和动稳定有很大影响。

转动惯t对水轮机调节保证计算也有很大影响，转动惯t大，机组甩负荷后的转速上升率如保持一定值，则可允许较大的压力上升率，从而可以减小引水钢管直径或允许增加钢管长度，甚至不设调压井.但增大转动惯t将增加发电机重量和造价，也延长了机组的起动时间。

当水轮发电机基本尺寸确定后，转动惯量GDZ值可按下列经验公式计算GDZ=kD户·”1. 式中D为定子铁芯内径，m‘l:为定子铁芯长度，m;h 为经验系数，一般可按表选取。

经脸系傲裹┌────────┬────┬────┬────┐ │机纽转迫(r/成.) │<100 │100~375 │>375 │ ├────────┼────┼────┼────┤ │经玻系狱《k) │5 .2~5.5│5.1~5。

3│4.5~5.0 │ └────────┴────┴────┴────┘ 大容量低转速水轮发电机组的转动惯t最大已达450000 tf·mZ(4410 kN·mZ)水轮发电机转动惯量目录1 介绍2 结论1 介绍2 结论水轮发电机转动惯量水轮发电机转动惯量及惯性时间常数较小，故机组甩负荷时的转速上升率月值较大，一般大于45%，飞逸转速可达额定转速的2.5一3.5倍。

水轮发电机转动惯量- 介绍水轮发电机转动惯量与同容量立式水轮发电机相比，水轮机的转轮直径可缩小，因此灯泡式机组额定转速可提高1。

%以上.发电机内径可减少25%以上，整个机组的重量(包括水轮机)可减轻25%，是较经济合理的一种机型，多用于工作水头范围为3一25m的低水头水电站。

水轮发电机组惯性比率对调节系统稳定性的影响摘要：水轮机调节系统是由水轮机控制系统和被控制系统组成的闭环系统,其稳定性始终是一个重要问题。

在水轮机调节系统中,水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta 的比值称为水轮发电机组惯性比率R1,可综合反映系统水流惯性与机组机械惯性之间的相关特性。

通过统计分析Ta /Tw,指出Tw、Ta的比值是调速器参数设计的重要依据,也是影响调节系统动态特性的重要参数,并提出混流式机组的Ta /Tw>2.0~2.5;通过分析统计资料,指出《水轮机调速器与油压装置技术条件》(JB627-79)中的相关要求偏严,建议PI 型调速器的Tw不大于2.5s,PID调速器的Tw不大于4.0s,Tw /Ta不大于0.4,我国后续颁布的相关标准和规范大多采用Tw/Ta不大于0.4的规定。

随着水轮机调速器技术的不断进步,其适用范围不断扩大,与调速器相关的国家标准的适用范围也进一步提升,《水轮机调速系统技术条件》(GB/T9652.1-2019)将适用条件改为机组惯性比率R1不大于1.2。

目前,常规类型的水电站机组在电网中仍占很大比重,这些类型的水电站机组的惯性比率往往不会太大,而机组惯性比率又是影响调节系统动态特性的重要参数。

因此,本文针对水轮发电机组惯性比率对水轮机调节系统稳定性的影响,选取了一种加速度PID 型水轮机调节系统的数学模型,通过研究不同机型和不同水流惯性时间常数下水轮机调节系统的稳定性,分析水电站合理的机组惯性比率,并给出电站设计的相关建议。

关键词：水轮发电机组；惯性比率；调节系统稳定性引言水轮机的转轮作为水轮机的重要核心部件，其性能的优劣一方面决定机组的效率，另一方面也对机组稳定性具有关键性的作用。

早期由于制造技术的发展限制，转轮上冠、下环与叶片制造以手工铸造铲磨为主，由于叶片与上冠、下环结构过渡区是转轮力学性能上的薄弱区域，因此在机组运行中此区域极易出现裂纹问题。

机组运行参数
1水轮发电机组技术参数
1.1水轮机技术参数
1.2发电机技术参数
1.2.2水轮发电机各部温度整定
1推力轴承双螺杆泵及高压减载装置基本参数
3发电机中性点接地变参数
2调速器系统主要技术参数
2.1调速柜设备主要参数：
2.2调速器技术参数
4主变技术参数
1.1.主变技术参数
1.1.1.主变主要技术参数
1.1.
2.冷却条件变化时负载特性表
1.1.3.主变分接开关技术参数。

1.1.4.主变冷却器主要技术参数
1.2.18kV 干式变主要技术参数1.2.1.18kV 干式变额定值
5.1快速闸门
5.2 快速闸门液压系统见表1－2
6压缩空气系统主要技术参数
7技术供水减压阀
7.2泄压安全阀
7.3滤水器主要参数
8、10kV 干式变参数
1.2.3.10kV 干式变额定值
1.2.4.干式变压器过负荷能力。

1.2.5.干式变线圈温度与风机运行状态关系表
1.2.6.照明变有载调压装置主要技术参数
1设备主要技术参数
1.1500kV GIS设备主要参数。

1.1.1SF6气室中含水量PPM参数（见表1）：
1.1.2500kV GIS组合电器设备参数（见表3）：
1.1.3隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、SF6/空气出线套管性能参数（见表3～表6）
1.2发电机出口断路器GCB主要技术参数
1.3封闭母线IPB。

机组运行参数
1水轮发电机组技术参数
1.1水轮机技术参数
1.2发电机技术参数
1.2.2水轮发电机各部温度整定
1推力轴承双螺杆泵及高压减载装置基本参数
3发电机中性点接地变参数
2调速器系统主要技术参数
2.1调速柜设备主要参数：
2.2调速器技术参数
4主变技术参数
1.1.主变技术参数
1.1.1.主变主要技术参数
1.1.
2.冷却条件变化时负载特性表
1.1.3.主变分接开关技术参数。

1.1.4.主变冷却器主要技术参数
1.2.18kV 干式变主要技术参数1.2.1.18kV 干式变额定值
5.1快速闸门
5.2 快速闸门液压系统见表1－2
6压缩空气系统主要技术参数
7技术供水减压阀
7.2泄压安全阀
7.3滤水器主要参数
8、10kV 干式变参数
1.2.3.10kV 干式变额定值
1.2.4.干式变压器过负荷能力。

1.2.5.干式变线圈温度与风机运行状态关系表
1.2.6.照明变有载调压装置主要技术参数
1设备主要技术参数
1.1500kV GIS设备主要参数。

1.1.1SF6气室中含水量PPM参数（见表1）：
1.1.2500kV GIS组合电器设备参数（见表3）：
1.1.3隔离开关、检修接地开关、快速接地开关、电压互感器、电流互感器、SF6/空气出线套管性能参数（见表3～表6）
1.2发电机出口断路器GCB主要技术参数
1.3封闭母线IPB。

一调理系统参数1水流惯性时间常数 T w水流惯性时间常数是指在额定工况下，表征过水管道中水流惯性的特色时间，其表达式22LV为T a J r GD n r T w Q r LM r3580N r gH r S gH r式中 T w为水流惯性时间常数，Q r为水轮机设计流量，H r为水轮机设计水头，S为每段过水管道的截面面积，L为相应每段过水管道的长度，V为响应每段过水管道的流速，G为重力加快度T w表示过水管道水流的惯性，它是水轮机主动力矩变化存在滞后的主要原由，也是造成调理系统不稳固和动向质量恶化的主要要素。

在其余条件不变时，T w越大，水流惯性越大，水击作用越显着，则调理过程的振幅越大，振荡次数越多，调理时间越长，以致最后高出稳固范围。

2机组惯性时间常数机组惯性时间常数是指机组在额定转速时的动量矩与额定转矩之比。

其表达式为式中 T a为机组惯性时间常数，Jωr为额定转速机遇组的动量矩，2GD为机组飞轮力矩，M r为机组额定转矩，N r为发电机额定功率，n r为机组额定转速T a的物理意义是：在与发出额定功率相当的额定转矩下，机组由静止达到额定转速所需要的时间。

T a越大，越有益于调理系统的稳固，并且在调理过程中能够奏效转速的偏差和减缓转速的变化，但有可能使调理时间变长。

若T a过小，将使调理系统难以稳固。

3 永态转差系数b p、永态调差系数e p调理系统的静特征有两种状况：图1（ a）为无差静特征，表示机组卖力无论为什么值，调理系统均保持机组转速n0，即静态偏差为零。

图1（ b）为有差静特征，当机组卖力增大时，调理系统将保持较低的机组转速，即静态偏差不为零，永态调差系数e p定义为调速系统静特征曲线图上某一规定点的斜率的负数。

（反应为功率反应）图 1（ c）也为有差静特征，它以接力器行程Y 为横坐标，以机组转速n 为纵坐标（反应为导叶反应）。

永态转差系数b p为x f x fb p e p0 1.0y=Y/Y max0 1.0p=P/P r图1（b）有差静特征图1（c）有差静特征永态转差系数b p 是电力系统各机组负荷分派的重点参数，依据电厂在系统的作用不一样，各电厂调速器的b p 有所不一样。