Powerformer故障仿真、保护及相关的电力系统稳定问题

论文摘要

Powerformer是一种高压发电机,可以直接和高压母线直接连接而无需升压变压器进行升压。和常规发电机相比,Powerformer有望提高系统可靠性、提升转换效率、减少电厂占地面积和系统稳定。由于Powerformer发明的时间不长,其内外部故障的形成机理及其对保护特性的影响,包括Powerformer运行特性与电力系统稳定性的关系,都需要深入研究。论文具体内容如下:研究了Powerformer定子绕组的分割方法,以计算相应子绕组的等效匝数和磁轴的正方向,该方法可推广应用于其他大型同步发电机。建立了Powerformer的定子绕组内部相间故障和接地故障分析的数学模型。该模型以直接相量法为依据,同时考虑了定子绕组对地电容的影响。为准确地仿真内部故障时的情形,计算了各个故障分支磁轴的正方向。模型建立了转子和定子的电流方程、电压方程、磁链方程和运动方程,并且给出了接地故障和相间故障等各种故障类型下的仿真结果。利用该模型可以对Powerformer的保护方案进行有效的验证,或为新原理的研究提供可信的数据。该方法可推广应用于其他大型同步发电机。内部故障仿真求解是典型的非线性刚性微分方程问题,需采用变步长的适合求解刚性问题的算法。在比较了刚性微分方程数值积分几种典型算法后,采用适用于求解刚性微分方程的数值积分方法Gear法作为仿真软件的基本算法。以一个75MVA/150kV的新型的电缆绕制高压同步发电机（Powerformer）为例,利用该模型仿真了一系列内部故障时的情况,并且给出了单相接地故障、两相接地故障和相间短路故障的波形。针对具有双定子绕组（对称分布或非对称分布）的同步发电机（Powerformer具有双定子）,建立了正常运行或外部故障的仿真模型,并且给出了稳态和故障情况下的仿真结果。提出了一种能够自适应补偿Powerformer定子电容电流的新方法,提高Powerformer差动保护的灵敏度。Powerformer定子绕组为分级绝缘,电容电流分布不均匀。论文根据Powerformer正常运行时产生的电容电流自适应地确定一个分布系数,用该分布系数将绕组总电容以集中电容的形式分割成2个电容,分布在机端和中性点用于计算各种状态下的电容电流。在此基础上,采用线路差动保护的补偿方式进行电容电流补偿,则无论Powerformer处于何种运行状态（正常运行、外部故障、内部故障）,差动电流中的电容电流都可以被完全补偿,从而提高了保护的灵敏度。提出了确定系统具有相同或相似RRB的耦合节点组的算法。当用Powerformer替代常规发电机组时,利用该算法可以确定最佳替换地点,从而增大关键节点或弱节点的负荷裕度。以单机-无穷大系统为例,分析了Powerformer机端电压控制提高系统稳定性的机理,从Powerformer阻抗的补偿作用和系统阻尼的改善两个方面论证了Powerformer机端电压控制对系统静态和动态稳定性的影响。通过对具体算例的特征值分析和时域仿真,验证了理论分析的正确性。论文最后对上述研究结果进行了总结,提出了进一步研究的方向。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 Powerformer 的设计特点
• 1.2.1 绕组设计
• 1.2.2 冷却系统
• 1.2.3 Powerformer 对系统侧的支持
• 1.2.4 Powerformer 构成电站与常规电站的效益对比性分析
• 1.3 发电机定子绕组内部故障分析方法综述
• 1.4 Powerformer 保护新方案简介
• 1.4.1 选相式的 100%定子接地保护
• 1.4.2 补偿式发电机差动保护
• 1.4.3 带断路器单相粘联检测的断路器失灵保护
• 1.4.4 用于并列运行于同一母线的电机过电压保护
• 1.5 Powerformer 保护和相关系统稳定问题的研究现状
• 1.6 Powerformer 与电压稳定问题的关系
• 1.7 论文的主要研究内容和章节安排
• 2 Powerformer 定子绕组分割
• 2.1 背景
• 2.2 简介
• 2.3 外子绕组分割方法
• 2.4 内子绕组分割方法
• 2.5 分割后子绕组电感的自感和互感
• 2.6 分割方法的验证
• 2.7 举例计算
• 2.8 小结
• 3 大型同步发电机内部故障数学模型
• 3.1 引言
• 3.2 内部单相接地短路
• 3.2.1 电压方程
• 3.2.2 磁链方程
• 3.2.3 运动方程
• 3.3 内部两相接地短路
• 3.4 内部相间短路
• 3.5 小结
• 4 动态仿真的数值方法
• 4.1 引言
• 4.2 刚性系统求解的实质
• 4.3 仿真的数值方法
• 4.3.1 四阶定步长Runge-Kutta 算法及其实现
• 4.3.2 四阶五级Runge-Kutta-Felhberg 算法
• 4.3.3 Gear 方法
• 4.4 数值算法实验
• 4.4.1 四阶定步长Runge-Kutta 算法
• 4.4.2 四阶五级FRK 算法
• 4.4.3 多步Gear 算法
• 4.5 小结
• 5 内部故障仿真试验与结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 仿真程序的实现
• 5.3 内部故障仿真
• 5.4 小结
• 6 双绕组Powerformer 外部故障仿真模型
• 6.1 引言
• 6.2 正常运行时的模型
• 6.3 仿真的端口约束条件
• 6.4 仿真结果
• 6.5 小结
• 7 Powerformer 定子电容电流自适应补偿差动保护方案
• 7.1 引言
• 7.2 Powerformer 电缆电容电流等效计算电路
• 7.3 自适应补偿差动保护
• 7.4 仿真验证
• 7.5 小结
• 8 基于灵敏度方法分析Powerformer 最佳安装位置
• 8.1 引言
• 8.2 背景理论
• 8.3 耦合节点组算法
• 8.4 北欧测试系统
• 8.5 Powerformer 替代常规发变组对节点负荷极限的影响
• 8.6 小结
• 9 Powerformer 电压控制改善系统的功角稳定性研究
• 9.1 引言
• 9.2 Powerformer 机端电压控制
• 9.2.1 机端电压控制对稳定性的影响
• 9.2.2 机端电压控制对阻尼力矩的影响
• 9.3 单机-无穷大系统仿真计算
• 9.3.1 特征值计算
• 9.3.2 时域仿真
• 9.4 小结
• 10 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录
• 附录2 作者在攻读博士学位期间主要参与的科研工作
• 附录3 Powerformer 内部故障仿真绕组参数计算公式
• 附录4 北欧测试系统数据