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五、开题报告结束后,评议小组要填写《硕士学位论文开题报告评议结果》报院研究生教学秘书备案。
六、此表不够填写时,可另加附页。
1.课题来源及研究的目的和意义
1.1课题来源
本课题是国家自然科学基金项目“能量变换器运行机理的基础研究”的一部分,项目编号为:
50577012。
以研究能量变换器进相运行的深度和稳定性为主要内容。
1.2课题研究目标
本课题以一台能量变换器样机为研究对象,预期达到下述目标:
1.应用有限元软件ANSYS和Matlab软件分别应用有限元法和simulink仿真对能量变换
器进行进相运行深度的分析,找出进相运行时功角、定子电流、定子电压、功率因数以及有功、无功等的变化规律;
2.对能量变换器进行定有功静态稳定性分析,找出稳态
、
曲线,并对影响其因素进行分析研究。
1.3课题研究意义
1.3.1研究大型发电机进相运行的意义
1.国内外发电机进相运行概况
50年代初期,国外即开始研究并实施发电机进相运行,较好地解决了电网电压的质量问题。
例如,1954年美国对一台129.375MVA的发电机作了进相运行实验。
60年代末和70年代初期,随着大机组的投入和电网发展与运行需要,许多国家对发电机进相运行做了大量有成效的试验研究工作。
例如,日本首次进相试验是1961年在一台容量为224MVA的发电机上完成的。
既后,又对五井1号机(169.6MVA)、新江别2号机(160MVA)、新名古屋4号机(281.6MVA)、富山1号机(192MVA)等完成进相运行试验并发表了研究结果。
原苏联于70年代曾先后对间接和直接冷却式的大型发电机,例如,
型、
型等开展进相运行试验研究并发表了研究成果。
国外一些电机制造厂的产品技术条件中,对发电机进相运行的范围作出了明确的规定。
一些国家还依据有关的运行经验,作出一些具体规定,其内容归纳如下。
(1)原苏联、美国、意大利规定:
发电机应能在额定有功功率时,具有在
(超前)进相运行的能力。
(2)日本规定:
所有汽轮发电机必须具备在额定容量时,能够在
(滞后)长期运行的能力;
在
时所吸收的无功功率能达到0.5倍额定容量的能力。
(3)法国规定:
汽轮发电机必须具备在额定有功功率时,吸收的无功功率能达到0.35倍额定容量的能力。
50年代后期,国内一些电网鉴于运行的需要,开展过发电机进相运行试验工作并应用于实践。
但是,无论在运行部门或电机制造部门,对此问题都未作过具体的规定。
70年代以来,国产大型汽轮发电机陆续制造成功,根据用户需要,一些制造厂在其产品技术条件中增添了有关发电机进相运行的条款,并在大型发电机的型式鉴定试验时,实测其进相运行能力。
1982年水电部在福州召开的全国第三次电机专业会议上,确定“发电机进相运行”项目为运行技术攻关课题之一,促进了发电机进相运行的研究工作迅速发展。
目前单机容量为50~300MW和600MW的汽轮发电机组与部分大中型水轮发电机组完成了进相运行的实测工作,获得了大量数据,为在生产实践中广泛应用发电机进相运行技术提供了依据。
1989年12月原能源部在第五次全国电机专业会议上,对发电机进相运行技术作出总结和评价,并要求各电网在总结经验的基础上提出运行导则、完善检测手段。
会议还指出调度部门应根据电网需要,将发电机进相运行调压作为一种必要的运行手段。
实践也表明,发电机进相运行时大电网发展过程中改善电压质量的必要手段。
其社会效益和经济效益,显示了它对电网运行的重要作用。
2.进相运行的意义
随着电力系统的不断发展,大型发电机组日益增多,同时输电线路的电压等级越来越高,输电距离越来越长,加之许多配电网络使用了电缆线路,从而引起了电力系统电容电流的增加,增大了剩余无功功率。
尤其是在节假日、午夜等低负荷情况下,由线路引起的剩余无功功率,就会使电网的电压上升,以致超过允许的范围。
过去一般采用并联电抗器或利用调相机来吸收此部分剩余无功功率,但有一定的限度,且增加了设备投资[1~4]。
因此早在50年代国外就开始试验研究大容量发电机进相运行以吸收无功功率,进行电压调整。
近些年我国也广泛的开展了进相运行的试验研究。
实践说明,进相运行是一项切实可行的办法,不需要额外增加设备投资,就可吸收无功功率,进行电压调整。
当前,对发电机的进相运行,虽然尚未正式制定出国际或国家标准,但根据大量的试验结果及运行经验,已得出一个结论性的建议,即所有短路比不小于0.4的发电机在额定有功功率的条件下,吸收功率因数为0.95的无功功率是可行的。
利用发电机进相运行方式作为一种调压手段,因无需增加任何设备,有其简单易行、安全经济的特点,尤其是具有可连续调节的独特优点,而逐渐得到应用。
但在采用该方式时,必须科学地确定其进相运行的能力,以确保进相运行方式下的安全运行。
3.发电机进相运行时的限制条件
发电机进相仍属同步运行方式,但由于它是在欠励情况下运行,可能带来稳定裕度低、定子端部结构件温度高、机端电压低(并导致厂用点电压低)等一系列的问题,因此发电机在进相运行时,要受到某些条件的限制,应根据限制条件确定其进相运行能力。
发电机进相运行时的限制条件为:
(1)发电机在电网中的运行稳定性,按相关规程规定,静稳裕度不得低于1.1。
(2)发电机定子端部结构件温度不超过规定值。
(3)其他:
发电机定子电流不得超过额定值;
发电机定子电压不得低于额定值;
厂用电母线电压不得低于规定值;
系统母线电压不得低于规定值。
当进相运行时,在输出有功功率一定的条件下,随着励磁电流的减小,功角就要增大,从而使静稳定性降低[27]。
而且在实际的电力系统中,发电机经变压器、线路接到系统,所以需要计及这些元件的电抗(统称为外部电抗
)。
此时静态稳定性将进一步降低[14~19]。
1.3.2研究能量变换器稳定性的意义
能量变换器是一种不需要升压变压器便可以直接和现代电网相联接的高压发电机,这样传统发电厂中的普通发电机、发电机侧的开关、母线和升压变压器可全部由一台能量变换器代替,如图1-1所示[27~30]。
能量变换器展现了电厂的一种全新理念,打破了一个世纪以来电厂中的发电机加升压变压器的传统模式。
图1-1传统发电系统和能量变换器系统
(1-发电机,2-发电机侧断路器,3-电涌放电器,4-升压变压器,5-线路侧断路器)
Fig.1-1Schematicdiagramofaconventionalplantwithstep-uptransformer(a)andaplantwithPowerformer(b).
能量变换器的核心技术是以高压交联聚乙烯(XLPE)电缆代替传统发电机以云母带、环氧或聚酯树脂浸渍为主绝缘的长方形截面导体作为定子绕组,如图1-2、图1-3、图1-4所示。
从而突破了传统发电机端电压不能超过30~35kV的界限,如图1-5所示。
能量变换器绕组的革新设计引起定子铁心和冷却系统较传统发电机都有了明显的不同,如图1-6、1-7所示。
能量变换器的革新设计使其与传统电机有很多不同[5~13]。
如为了获得机端的高电压,能量变换器的槽要做的很深,这样其定子外径比传统发电机要大,还有其端部绕组也与传统发电机有所不同,这些都必然引起能量变换器自身参数发生显著的变化,而这些不同必将影响到其运行性能的变化[31~35]。
由于国外对能量变换器的研究也为了企业的需要仅局限于宏观结果,没有对能量变换器运行的基础稳定理论做深入探讨。
因此,本课题的研究为以后能量变换器的设计、运行提供相关的理论参考。
图1-2电缆结构
(1-分股导体,2-内部半导体层,3-硅电介质(交联聚乙烯),4-外部半导体层)
Fig.1-2ThecylindricalstatorwindingofPowerformerismadeupofaconductor
(1),aninnersemi-conductinglayer
(2),aninsulationlayer(3)andanoutersemi-conductinglayer(4).
图1-3传统发电机线棒图1-4能量变换器电缆绕组
Fig.1-3ThestatorbarofconventionalFig.1-4Thestatorcable-windingof
generatorsPowerformer
图1-5传统发电机定子线棒的电场和能量变换器电缆绕组的电场
Fig.1-5Theelectricalfiledofthestatorbarofconventionalgeneratorsandstatorcable-windingofPowerformer
图1-6定子铁心叠片图1-7定子铁心的水冷系统
Fig.1-6ThestatorlaminationFig.1-7Water-coolingpipesinthestatorcore
2.拟采用的设计思路和解决方案
2.1大型发电机的研究方法通常有:
解析法和数值法。
1.解析法通常是把电机的基本方程进行线性化处理后,得到一组线性化后的方程组,通过对这组线性化方程组的处理即可找出有功和无功的功角特性关系。
2.数值法即为数字仿真。
数字仿真是利用数字计算机为工具对实际系统的数学模型进行求解分析的方法。
数字仿真过程可分为4个步骤:
实际系统的数学模型建立、仿真模型建立、编制和调试仿真程序、仿真结果分析和验证。
这种研究方法由于具有经济性、安全性、灵活性以及方便性等优点,所以这是本课题采用主要方法。
2.2设计思路
1.首先利用ANSYS创建电机的有限元分析模型,并进行相关参数的求解。
2.利用Matlab/simulink软件中的电力系统仿真元件库中的模块搭建单机无穷大网络仿真模型。
3.利用已经算出的参数和已知参数对仿真模型进行设置,并进行调适。
4.得出能量变换器进相运行时定子电压、电流,功角,功率因数及有功和无功的变化规律。
5.利用仿真数据对能量变换器的进相深度及稳定性进行分析。
得出结论,论证方法的可行性和实用性。
2.3解决方案
在建模和仿真的过程中会涉及到模型的一些简化和等效,并且在simulink仿真中对器件参数数值也需要按经验值设置,虽可能与实际值略有差别,但力求准确。
3.课题所需的设备、场所、方式
1.计算机一台及相关软件;
2.能量变换器样机的数据及相关技术资料;
3.有限元软件及相关的技术资料;
4.进行实验所需的仪器设备。
4.课题的进度计划
本课题的进度作如下的时间安排:
1.2007.9──2007.12查阅相关资料,并进行基本理论及相关软件的学习,明确研究思路与方法,完成开题报告和文献综述,并通过开题答辩;
2.2008.1──2008.3完成课题的整体分析及基础知识准备工作;
3.2008.3──2008.5根据能量变换器样机数据建立数学模型与物理模型,完成参数进行计算工作;
4.2008.5──2008.7在所求参数的基础上对能量变换器的进相运行的深度进行分析研究;
5.2008.9──2008.10对能量变换器的静稳定性进行分析研究;
6.2008.11──2008.12撰写硕士毕业论文;
7.2009.1──2009.3准备答辩。
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硕士学位论文开题报告评议结果
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