同步发电机机端故障计算的模型

同步发电机的故障类型
同步发电机故障类型
一、电气故障
1、相序故障：指因三相不平衡、相序错误、异步发电机对同步发电机的影响等原因，造成同步发电机的三相在电势上不一致的现象。

2、磁场故障：指因电枢损坏、滞磁或溢磁等原因，变形及强度变化的磁场故障。

3、接地故障：指同步发电机转子定子之间发生接地故障，产生电击或冒烟现象。

4、绝缘故障：指由于发电机的绝缘老化、损坏，导致绝缘结构出现节距变形、晶闸管损坏等现象。

5、启动失效：指因同步发电机的启动控制系统中电路出现故障，导致发电机没有正常启动的现象。

6、励磁故障：指因励磁继电器负荷或故障、励磁电路异常等原因，出现发电机启动或停机后无法恢复快速持续稳定状态引起的故障。

二、机械故障
1、密封故障：指因密封不佳，造成油压下降、油温升高，出现渗漏现象或油质污染，从而影响发电机正常运行的故障。

2、润滑故障：指由于发电机内部润滑剂用量不足、润滑系统没有正确使用或润滑设备本身出现故障等原因，造成发电机内部组件
不足润滑，影响发电机正常运行的故障。

3、调焦故障：指由于发电机内部调焦设备出现故障，导致发电机出现突变现象，影响其正常操作的故障。

4、轴承故障：指因轴承内部损坏或由于环境温度升高、润滑油污染、定子铁芯短路等原因，导致发电机轴承出现热失水、转子不平衡等现象，影响发电机正常运行的故障。

第二章同步发电机的数学模型及机端三相短路分析（回顾）第十六讲三相短路分析及短路电流计算1问题1、什么是发电机的超暂态过程、暂态过程？2、超暂态电抗、暂态电抗、同步电抗?大小关系？3、哪些绕组短路瞬间磁链不突变？4、短路电流计算时如何等值？5、为什么要计算0时刻短路电流？6、短路容量？23§1 三相短路电流的变化规律一、短路电流的组成定子abc 绕组短路电流有哪些成分？交流（周期）分量直流（非周期）分量直流分量交流分量dq0绕组电流6短路电流计算机分析结果（i d 、i q 、i 0）i d 交流分量＋直流分量i q 直流分量为0i 0＝0分析中关心dq0 绕组的直流分量！用标幺派克方程分析三相短路1、只需要考虑d轴方向绕组？2、d绕组直流分量衰减有什么特点？为什么？716t E′22t ′E−t t ′′′′′E E E E E−−29X adX d X f X DX qX QX aq互感为0ad qf fX E X ψ′=各电势的物理含义？磁链不突变353、假设短路前发电机为空载？，即取10=≈U E 假定各发电机内电势相角相同，且均为0，即101=°∠≈E&4、在网络方面，忽略线路对地电容，变压器的励磁回路，在高压网络中忽略电阻。

线路1/2变压器1变压器2F41作业1、比较d轴超暂态电抗、暂态电抗及同步电抗的大小并从物理上解释之。

2、一台汽轮发电机其S r =15MVA,空载额定电压U r =6.3kV，在空载额定电压下发生机端三相突然短路。

已知其参数标幺值如下：s T s T s T X X X a d d d d d162.0,84.0,105.0,86.1,192.0,117.0==′=′′==′=′′设短路瞬间θa (0)=-60°。

（1）试写出三相短路电流的表达式；（2）绘出B相及C相的电流波形；（3）最大冲击电流发生在哪一相？图－3图－442。

同步发电机组戴维南等值模型任洪林;张磊;邬桐;孟斌【摘要】为了解决电网机电暂态仿真中利用高阶发电机实用模型和梯形法而引起的机网方程“维数灾”和迭代求解问题,基于戴维南等值原理,利用梯形积分法建立了线性发电机组的离散时域d-q轴和x-y轴戴维南等值模型.使得在仿真中发电机可以选择高阶实用模型,而不影响机网方程的维数.该模型在一段时间内与原发电机组模型等值,而非一个积分步长,从而减少了修正模型的计算量.功角计算取决于相应变量的过去时间值,从而解决了利用梯形法求解机网方程所造成的迭代求解问题.仿真结果表明,模型具有较高的仿真精度和数值计算稳定性.【期刊名称】《哈尔滨理工大学学报》【年(卷),期】2016(021)001【总页数】4页(P62-65)【关键词】机电暂态仿真;戴维南等值模型;同步发电机组;数值仿真【作者】任洪林;张磊;邬桐;孟斌【作者单位】哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;国网重庆市电力公司经济技术研究院设计中心,重庆401121;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TM712系统的等值方法可以极大地降低仿真方程的维数,减少仿真计算量,在电网暂态仿真中得到了广泛的应用[1-8]．这些方法将包含多台发电机组的外网络等值成一台发电机．其等值精度受到诸如发电机运行方式等因素的影响[4]．根据电网暂态过程的不同阶段,选择不同阶次的发电机模型和网络模型,也是降低仿真方程维数、提高仿真效率的重要方法[9-10]．这一方法的关键问题是如何准确甄别系统暂态过程处于何种阶段以及如何实现各种模型的合理转换．文[11-14]的研究结果表明:选择不同阶次的发电机模型对电网暂态仿真结果有较大的影响;模型阶次越高,暂态仿真结果越接近实际暂态过程．然而高阶发电机模型也可能造成仿真方程的“维数灾”[15-16]．为此,本文利用戴维南等值原理,研究了发电机组的等值问题．在系统小扰动条件下,首先建立发电机机端电压与电流的积分关系式,而后利用梯形积分法建立了发电机组的离散时域d-q轴与x-y轴的戴维南等值模型．与现有的发电机组离散时域等值模型相比[17-19],该模型的变量数少,且在一个时间段内与原发电机组等值,而非一个积分步长．减少了修正模型的计算量．利用该模型对电网进行暂态仿真,可以避免由于采用梯形法带来的机网方程的迭代求解,同时也可以将用于稳态电网分析的等值方法应用于暂态仿真之中．发电机组主要由同步发电机、励磁调节系统、原动机及调速系统组成．选择文 [20]提供的3型五阶发电机模型、1型四阶励磁调速系统模型和1型一阶汽轮机及调速器系统模型为例,讨论发电机组戴维南等值模型的建立方法．若无特殊说明,文中所用符号均采用文 [20]之规定．在系统小扰动时,选择发电机组输入变量xb=[Id,Iq,Vt,Pe]T,输出变量y=[E″q,E″d,δ]T,则发电机组可用下列线性状态方程描述:式中为发电机组内部状态向量;F=[ωref,vref,ωB,Efd0]T为发电机组内部激励源向量;A、Bb、BF和C为状态方程的常系数矩阵．设系统小扰动起始时间为t0=0时刻,则式(1)的解析解可以写成两项和的形式:式中:式(4)中:x(0)为状态变量的初始值．与之相对应,发电机组输出变量y亦表示为两项和的形式:式中:式(8)中:式(6)反映了发电机组外端子输入变量与输出变量的函数关系．因此,式(6)可以视为发电机组的时域戴维南等值模型．利用数值积分法对式(6)进行积分运算,可以建立发电机组离散时域等值模型．取积分步长为T,在时间t=nT时刻,利用梯形积分法对式(6)进行计算,可得:式中:f00(n)=式中:xb(0)为输入变量的初始值．对本文中选择的发电机组模型而言,式(11)有:由式(10)～式(13),可以得:由五阶发电机定子电压方程及式(14)和式(15),可得发电机组机端电压与电流方程为: 式中式(17)即为在nT时刻发电机组的d-q轴离散时域戴维南等值模型．Eq00和Ed00可视为发电机组q轴和d轴等值电势．xqd和xdq可视为发电机组q轴和d轴等值电抗．其等效电路如图1所示．由式(12)和式(16)可见,功角变量δ(n)取决于输入变量xb的过去时间值．对式(17)进行park变换,可得到发电机组x-y轴的离散时域戴维南等值模型,即:式中:式(19)和式(20)可视为发电机组x-y轴的等值阻抗与等值电势．在每一步积分步长的计算中,其等值阻抗与电势需要进行修正．由式(12)可见,利用建立的发电机组等值模型对电网进行暂态仿真时,将涉及卷积计算．随着仿真时间的增大,其计算量将增大．为此,可将仿真时间分成若干段．当完成一段时间的仿真后,可按式(3)重新确定发电机组的初始值,并重新建立发电机组的戴维南等值模型．这一过程称之为修正模型．为减少仿真计算量,可按下式近似选取仿真时间的分割长度T0式中:Nx为发电机组状态变量数．以单机无限大系统为例验证发电机组戴维南等值模型的正确性．线路电导G=0.234 9,电纳B=-3.564 9．发电机组模型选择本文中的文[20]模型．其参数见表1．在初始时刻,发电机处于稳态,其机端电压t=1∠16.135 9,电流=1∠11.86 8．在时间t=3 s时刻,发电机控制参数Vref由1.0改变为1.02．机端电压如图2所示．在图2中,实线为利用PSASP软件的仿真结果,其积分步长T=0.01 s．虚线为利用戴维南等值模型的仿真结果,其积分步长T=0.6 s．图3给出了发电机机端短路的仿真结果．故障发生时间t=3 s,持续时间0.1 s．励磁电压调节器输出上限和下限设为Efdmax=1.5,Efdmin=0.5．在图3中,实线为PSASP仿真结果,其积分步长T=0.01 s．虚线为利用戴维南等值模型的仿真结果,其积分步长T=0.2 s．由图2和图3可见,两种方法的仿真结果基本一致．但利用本文提出的模型仿真,其积分步长远大于利用PSASP软件的积分步长．在上述仿真中,利用PSASP仿真时,在积分步长T=0.1时,仿真结果均发散．基于发电机实用数学模型,利用梯形法,首次提出了发电机组离散时域戴维南等值模型．若发电机组为线性模型,则无论d-q轴还是x-y轴发电机组的离散时域戴维南等值模型为线性模型．提出的发电机组等值模型在一段时间内与原系统等值,而非一个积分步长时间内．这减少了修正模型的计算量．仿真结果表明:模型具有较高的数值计算精度和稳定性．提出的模型建立过程简单,表述形式简洁,具有实用价值．【相关文献】[1] KIM H,JANG G,SONG K.Dynamic Reduction of the Large-scale Power Systems Using Relation Factor [J].IEEE Transactions on Power Systems,2004,1 9(3):1696-1699.[2] OURARI M L, DESSAINT L A, VAN-QUE D. Dynamic Equivalent Modeling of Large Power Systems Using Structure Preservatio n Technique[J]. IEEE Trans on Power Systems, 2006, 21(3): 1284-1295.[3] 胡杰,余贻鑫.电力系统动态等值参数聚合的实用方法[J].电网技术,2006,33(24):26-30.[4] 文俊,刘天琪,李兴源,等.在线识别同调机群的优化支持向量机算法[J].中国电机工程学报,2008, 28(25): 80-85.[5] 黄宇保,王建全.基于ANN和等值发电机模型的快速暂态稳定计算[J].机电工程,2010,27(6):78-82.[6] 李晓辉,罗敏,刘丽霞,等.动态等值新方法及其在天津电网中的应用[J].电力系统保护与控制,2010,38(3):61-66.[7] 翁华,徐政,王兴刚,等.南方电网交直流系统的简化方法[J]. 电网技术, 2012,36(3): 108-112.[8] 宋洪磊,吴俊勇,郝亮亮,等.基于 WAMS 和改进拉普拉斯特征映射的同调机群在线识别[J].电网技术,2013,37(8):2157-2164.[9] 王庆平,陈超英,陈礼义.面向对象的同步发电机自适应暂态模型[J]. 电工技术学报,2002,17(6):87-91.[10]朱旭凯,周孝信,田芳,等.基于电力系统全数字实时仿真装置的大电网机电暂态—电磁暂态混合仿真[J].电网技术,2011,35(3):26-30.[11]吴红斌,丁明,李生虎,等.发电机和负荷模型对暂态稳定性影响的概率分析[J].电网技术,2004,28(1):19-21.[12]许国瑞,王红宇,刘晓芳,等.同步发电机不同实用模型的大扰动特性对比研究[J].中国电机工程学报,2012,32 (24):67-73.[13]许国瑞,汤涌,刘晓芳,等.汽轮发电机不同模型小扰动特性[J].电工技术学报,2013,28(9):302-309.[14]戴家祯.机网暂态过程数值仿真中的同步电机模型[J].电网技术,2000,24(2):25-28.[15]余一平,宋忠鹏,鞠平,等.同步发电机简化模型的等效阻尼系数分析[J].电力自动化设备,2013,33(11):15-20.[16]彭伟,徐泰山.电力系统动态等值中发电机的选择方法[J].电力系统自动化,2010,34(14):48-52.[17]徐英,白雪峰,郭志忠.采用动态多维阶数控制的暂态稳定计算方法[J].中国电机工程学报,2008,28(19):81-85.[18]吴红斌,丁明.用于电力系统暂态稳定仿真的可变步长牛顿法[J].中国电机工程学报,2010,30(7):36-41.[19]江涵, 江全元.一种可变步长的暂态稳定自适应修正牛顿组合算法[J].中国电机工程学报,2011,31(34):105-112.[20]电力统分析综合程序暂态稳定计算用户手册7.0版[M].北京:中国电力科学研究院,2010,6:155-205.。

2.1同步发电机数学模型及运行特性本节主要阐述同步发电机稳态数学模型及运行特性：包括向量图、等值电路与功率方程以及功角特性。

2.1.1 同步发电机稳态数学模型理想电机假设：1）电机铁心部分的导磁系数为常数；2）电机定子三相绕组完全对称，在空间上互差120度，转子在结构上对本身的直轴和交轴完全对称；3）定子电流在空气隙中产生正弦分布的磁势，转子绕组和定子绕组间的互感磁通也在空气隙中按正弦规率分布；4）定子及转子的槽和通风沟不影响定子及转子的电感，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面。

同步电动机是一种交流电机，主要做发电机用，也可做电动机用，一般用于功率较大，转速不要求调节的生产机械，例如大型水泵，空压机和矿井通风机等。

近年由于永磁材料和电子技术的发展，微型同步电机得到越来越广泛的应用。

同步电动机的特点之一是稳定运行时的转速n与定子电流的频率f1之间有严格不变的关系，即同步电动机的转速n与旋转磁场的转速n0相同。

“同步”之名由此而来。

同步发电机是电力系统中的电源，它的稳态特性与暂态行为在电力系统中具有支配地位。

虽然在电机学中已经学过同步电机，但那时侧重于基本电磁关系，而现在则从系统运行的角度审视发电机组。

1.同步发电机的相量图设发电机以滞后功率因数运行，三相同步发电机正常运行时，定子某一相空载电势Eq，输出电压或端电压U和输出电流I间的相位关系如图2-1所示。

δ是Eq领先U的角度，称为功角，是功率因数角，即U与I的相位差， Eq与q轴（横轴或交轴）重合，d为纵轴或直轴。

U和I的d、q分量为：图 2-1电势电压相量图电机学课程中已经讨论过，端电压和电流的分量与Eq间的关系为：（2-3）式中，r为定子每相绕组的电阻，x d为定子纵轴同步电抗，x q为定子横轴同步电抗。

其中空载电势Eq与转子励磁绕组中的励磁电流成正比，其比例系数可从空载试验中得到。

为了便于绘制相量图，令d轴作正实轴，q轴作正虚轴，则各相量可表示为所以（2-7）对于隐极式同步发电机（汽轮发电机），因气隙均匀，直轴和交轴同步电抗相等（x d=x q），上式变为（2-8）此即表示隐极式同步发电机的方程，由此即可作出它的等值电路和相量图，如图2-2所示（a）等值电路（b）矢量图图2-2 隐极式同步发电机等值电路和矢量图凸极式同步发电机（水轮发电机），把电枢反应磁势分解为d轴及q轴两个分量，d轴电枢反应磁势的位置固定在转子d轴上，q轴电枢反应磁势的位置固定在转子q轴上，从而解决了合成磁势遇到的不同气隙宽度的困难。

电力系统稳态分析中的发电机建模方法概述：在电力系统中，发电机是电能转化的关键组成部分。

发电机的建模是电力系统稳态分析的基础，准确的发电机模型可以有效地预测电力系统稳态行为，使电力系统运行更加可靠和稳定。

本文将介绍在电力系统稳态分析中常用的发电机建模方法。

一、同步发电机建模同步发电机是电力系统中常见的发电机类型，其建模方法有多种，常用的包括：1. 线性化模型：将同步发电机抽象为线性模型，通常使用Park转换将其转换到dq坐标系统中，其中dq坐标系相对于三相坐标系更具优势。

线性化模型简化了发电机的复杂动态行为，适用于大规模电力系统稳态分析。

2. 非线性模型：考虑发电机的非线性特性，如饱和、饱和损耗和电机动画线性负载特性等。

非线性模型能更准确地描述发电机在不同工况下的行为，适用于小规模电力系统和特殊场景。

二、永磁同步发电机建模永磁同步发电机是一种使用永磁体进行励磁的同步发电机，具有高效率、轻量化和快速响应等优势。

其建模方法主要包括：1. 百分数定转矩模型：将永磁同步发电机抽象为百分数定转矩模型，通过控制转矩百分比实现功率调节。

该模型简单易用，适用于短期功率调节或小规模电力系统。

2. 细致转子模型：考虑永磁同步发电机的细致转矩特性，包括励磁磁场、转矩控制和电流限制等。

这种模型更适合长期功率调节和大规模电力系统。

三、异步发电机建模异步发电机是另一种常见的发电机类型，其建模方法有以下几种：1. 等效电路模型：将异步发电机抽象为等效的电路模型，包括定子电流、气隙电磁场和转子电流等。

该模型能够较好地描述异步发电机在不同运行模式下的行为。

2. 动态模型：考虑异步发电机的动态响应特性，特别是短路转矩和错轴转矩等。

动态模型能更准确地预测电力系统的暂态行为，适用于系统故障分析和保护策略设计。

总结：发电机建模是电力系统稳态分析的重要组成部分，准确的发电机模型对于电力系统运行的可靠性和稳定性具有重要意义。

常用的发电机建模方法包括同步发电机建模、永磁同步发电机建模和异步发电机建模等。

2.1同步发电机数学模型及运行特性本节主要阐述同步发电机稳态数学模型及运行特性：包括向量图、等值电路与功率方程以及功角特性。

2.1.1 同步发电机稳态数学模型理想电机假设：1）电机铁心部分的导磁系数为常数；2）电机定子三相绕组完全对称，在空间上互差120度，转子在结构上对本身的直轴和交轴完全对称；3）定子电流在空气隙中产生正弦分布的磁势，转子绕组和定子绕组间的互感磁通也在空气隙中按正弦规率分布；4）定子及转子的槽和通风沟不影响定子及转子的电感，即认为电机的定子及转子具有光滑的表面。

同步电动机是一种交流电机，主要做发电机用，也可做电动机用，一般用于功率较大，转速不要求调节的生产机械，例如大型水泵，空压机和矿井通风机等。

近年由于永磁材料和电子技术的发展，微型同步电机得到越来越广泛的应用。

同步电动机的特点之一是稳定运行时的转速n与定子电流的频率f1之间有严格不变的关系，即同步电动机的转速n与旋转磁场的转速n0相同。

“同步”之名由此而来。

同步发电机是电力系统中的电源，它的稳态特性与暂态行为在电力系统中具有支配地位。

虽然在电机学中已经学过同步电机，但那时侧重于基本电磁关系，而现在则从系统运行的角度审视发电机组。

1.同步发电机的相量图设发电机以滞后功率因数运行，三相同步发电机正常运行时，定子某一相空载电势Eq，输出电压或端电压U和输出电流I间的相位关系如图2-1所示。

δ是Eq领先U的角度，称为功角，是功率因数角，即U与I的相位差， Eq与q轴（横轴或交轴）重合，d为纵轴或直轴。

U和I的d、q分量为：图 2-1电势电压相量图电机学课程中已经讨论过，端电压和电流的分量与Eq间的关系为：（2-3）式中，r为定子每相绕组的电阻，x d为定子纵轴同步电抗，x q为定子横轴同步电抗。

其中空载电势Eq与转子励磁绕组中的励磁电流成正比，其比例系数可从空载试验中得到。

为了便于绘制相量图，令d轴作正实轴，q轴作正虚轴，则各相量可表示为所以（2-7）对于隐极式同步发电机（汽轮发电机），因气隙均匀，直轴和交轴同步电抗相等（x d=x q），上式变为（2-8）此即表示隐极式同步发电机的方程，由此即可作出它的等值电路和相量图，如图2-2所示（a）等值电路（b）矢量图图2-2 隐极式同步发电机等值电路和矢量图凸极式同步发电机（水轮发电机），把电枢反应磁势分解为d轴及q轴两个分量，d轴电枢反应磁势的位置固定在转子d轴上，q轴电枢反应磁势的位置固定在转子q轴上，从而解决了合成磁势遇到的不同气隙宽度的困难。