06核电厂励磁系统经验交流研讨会议郝亮亮.

核电机组励磁机及旋转整流系统的电磁暂态仿真平台及应用北京交通大学郝亮亮2016-8-170、交流大纲本次报告从以下四个方面展开：•1、个人情况简介•2、主流的电力系统仿真软件介绍•3、基于ANSYS/Maxwell+Simplorer的电磁暂态仿真平台•4、电磁暂态仿真平台的应用1、个人简介•1986年3月出生于黑龙江省黑河市，祖籍山东烟台。•2003年9月考入湖南大学电气与信息工程学院，2007年6月本科毕业。•2007年9月进入清华大学电机系直接攻读博士学位，2012年6月毕业获得博士学位。•2012年7月进入北京交通大学任职讲师，并进入博士后科研流动站。•2014年7月博士后出站，破格晋升副教授。1、个人简介•一直从事电气主设备保护及监测的研究和开发工作，主要包括：大型发电机绕组内部故障保护与监测、双馈风力发电机的运行监测、机电特征融合的发电机电气故障在线诊断。在电机及其系统暂态分析、电磁场数值计算以及发电机振动分析等方面具有较好的基础和经验。•近两年来，还主要开展柔性直流输电技术（主要是建模和保护）及电力系统储能方面的应用研究。常用主流的电力系统仿真软件•PSCAD•MATLAB/SIMULINK•PSASP图1包括励磁机及旋转整流系统的核电无刷励磁系统示意图2、主流的电力系统仿真软件介绍旋转部分G主发电机PTCT励磁调节器...12345639383736...2、主流的电力系统仿真软件介绍2.1PSCAD（PowerSystemComputerAidedDesign）•主要优点：采用EMTDC内核，仿真效率高，对电磁暂态过程的仿真很准确，界面纯净。它是目前最主流的电磁暂态仿真软件，适合于研究各种交直流电力系统问题，又能完成电力电子仿真及其非线性控制。•主要缺点：应用程序接口缺乏面向对象扩展能力。•应用经验：DSTATCOM的控制仿真及模型封装、组合级联式锂电池储能系统及其在光伏电站的应用、双端MMC柔性直流输电系统。•类似软件：EMTP（Electro-MagneticTransientProgram），包括各种版本：ATP-EMTP、EMTP-RV等。2.2MATLAB/SIMULINK•主要优点：面向对象扩展能力强，拥有极其丰富的基本元件库，仿真复杂控制系统的能力极强。•主要缺点：仿真速度较EMTDC内核要慢，电力电子器件级仿真精度不如EMTDC。•应用经验：双端MMC柔性直流输电系统的控制策略;基于SIMULINK/RT-LAB实时暂态仿真的柔性直流输电继电保护装置测试。2、主流的电力系统仿真软件介绍2.3PSASP（PowerSystemAnalysisSoftwarePackage）•主要优点：我国具有自主知识产权；主要用来进行电力系统(输电、供电和配电系统)的各种计算分析，仿真速度快，方便导入电网基本数据库，支持灵活的用户自定义模型。•主要缺点：本质上是面向电力系统的机电暂态仿真程序。(非电磁暂态)•应用经验：高速铁路对河南电网稳定性的影响分析。•类似软件：BPA（BonnevillePowerAdministration）。2、主流的电力系统仿真软件介绍2.4核电励磁机及旋转整流系统电磁暂态仿真需考虑的特殊需求图2核电无刷励磁系统示意图•必须基于实际参数（电机尺寸、绕组形式等）准确建立发电机和励磁机的物理模型，这是准确计算电机内部暂态过程（尤其是故障期间）的基础。•发电机的计算模型应能够正确反映故障期间内部气隙磁场（包括谐波磁场）的变化，只有这样才能客观的反映故障期间电机内部发生的暂态过程。•对旋转整流器的仿真必须考虑二极管实际的导通和关断条件。目前电力系统常用的电磁暂态仿真软件均很难同时做到以上三点。2、主流的电力系统仿真软件介绍GPTCT励磁调节器电磁部分电磁部分电路部分边界1边界2...12393833.1ANSYS/Maxwell电磁场仿真分析软件•ANSYS/Maxwell是业界最顶级的电磁场仿真分析软件，可以帮助人们完成电磁设备与机电设备的三维/二维有限元仿真分析。Maxwell使用有限元算法，可以完成静态、频域以及时域磁场与电场仿真分析。在进行电机暂态分析时，Maxwell根据电机实际物理模型的几何形状、尺寸、材料属性进行建模，外电路和电机内部电磁场的耦合能够准确反映电气量和磁场之间的相互作用，能满足上述电磁暂态仿真中对电机模型的关键需求。•ANSYS/Maxwell另外一个优势在于它可以生成基于有限元算法的高保真，降阶模型，上述模型可用于ANSYSSimplorer系统仿真分析，能满足电磁暂态仿真中对旋转整流器模型的关键需求。3、基于ANSYS/Maxwell+Simplorer的电磁暂态仿真平台3.2ANSYS/Maxwell+Simplorer进行电磁+电路系统建模•Simplorer是ANSYS的多物理域系统集成软件，具有强大的建模功能和多模块协同仿真技术。它可以将复杂的电路分析与Maxwell精确有限元仿真分析集成在一起，用于电气、电磁、电力电子、控制等机电一体化系统的建模、设计、仿真分析。•采用ANSYS/Maxwell生成的发电机模型联合Simplorer中准确的整流器模型，能够仿真包括励磁机旋转电枢、整流器及励磁机励磁绕组在内的整个系统。GPTCT励磁调节器电磁部分电磁部分电路部分图3多相无刷励磁系统的电路部分和电磁部分3、基于ANSYS/Maxwell+Simplorer的电磁暂态仿真平台3.3ANSYS/Maxwell+Simplorer建模仿真实例——三相无刷励磁系统图4在Simplorer中建立的简单三相无刷励磁系统模型励磁机主发电机机端整流桥旋转整流器同轴的机械连接3、基于ANSYS/Maxwell+Simplorer的电磁暂态仿真平台3.3ANSYS/Maxwell+Simplorer建模仿真实例——三相无刷励磁系统图5在Maxwell中建立的励磁机模型3、基于ANSYS/Maxwell+Simplorer的电磁暂态仿真平台3.3ANSYS/Maxwell+Simplorer建模仿真实例——三相无刷励磁系统图6ANSYS/Maxwell+Simplorer联合仿真计算出的励磁机内磁场3、基于ANSYS/Maxwell+Simplorer的电磁暂态仿真平台3.3ANSYS/Maxwell+Simplorer建模仿真实例——三相无刷励磁系统图7ANSYS/Maxwell+Simplorer联合仿真计算出励磁机端电压3、基于ANSYS/Maxwell+Simplorer的电磁暂态仿真平台3.3ANSYS/Maxwell+Simplorer建模仿真实例——三相无刷励磁系统图8ANSYS/Maxwell+Simplorer联合仿真计算出旋转整流器输出电压（主发电机励磁电压）3、基于ANSYS/Maxwell+Simplorer的电磁暂态仿真平台3.3ANSYS/Maxwell+Simplorer建模仿真实例——三相无刷励磁系统图9ANSYS/Maxwell+Simplorer联合仿真计算出旋转整流器输出电流（主发电机励磁电流）3、基于ANSYS/Maxwell+Simplorer的电磁暂态仿真平台3.3ANSYS/Maxwell+Simplorer建模仿真实例——三相无刷励磁系统图10ANSYS/Maxwell+Simplorer联合仿真计算出励磁机转矩3、基于ANSYS/Maxwell+Simplorer的电磁暂态仿真平台4、电磁暂态仿真平台的应用（1）4.1应用实例1——同步发电机转子匝间故障仿真图11同步发电机转子匝间故障示意图同步发电机同步发电机的稳压励磁电源SGDM直流电动机励磁电枢380V～6RA701723456K5K1K2380V～K3三相调压器ABCABCK0三相对称电阻K4励磁绕组抽头1（始端）抽头2（10匝）P1P2P3P4P5P6抽头3（20匝）抽头4（61匝）抽头5（382匝）抽头6（394匝）抽头7（末端）1'2'3'1234、电磁暂态仿真平台的应用（1）4.1应用实例1——同步发电机转子匝间故障仿真图12物理模型的建立4、电磁暂态仿真平台的应用（1）4.1应用实例1——同步发电机转子匝间故障仿真图13定子回路电路模型的建立4、电磁暂态仿真平台的应用（1）4.1应用实例1——同步发电机转子匝间故障仿真图14阻尼回路电路模型的建立4、电磁暂态仿真平台的应用（1）4.1应用实例1——同步发电机转子匝间故障仿真图15故障后定子分支电流暂态过程的实验和仿真结果对比-0.10.00.10.20.30.40.5-15-10-5051015Ia3/At/s-0.10.00.10.20.30.40.5-15-10-5051015Ia3/At/s（a）实验波形（b）仿真波形4、电磁暂态仿真平台的应用（1）4.1应用实例1——同步发电机转子匝间故障仿真图16故障后定子分支电流稳态波形的实验和仿真结果对比（a）实验波形（b）仿真波形1.001.021.041.061.081.101.12-15-10-5051015Ia3/At/s1.001.021.041.061.081.101.12-15-10-5051015Ia3/At/s4、电磁暂态仿真平台的应用（1）4.1应用实例1——同步发电机转子匝间故障仿真表1故障后定子分支电流的稳态电流各次谐波仿真与实验的对比1/3次谐波0.040.490.526.122/3次谐波0.202.622.44−6.87基波4.104.574.29−6.134/3次谐波0.023.093.03−1.945/3次谐波0.071.301.18−9.237/3次谐波0.080.230.244.35各次谐波故障前/A故障后/A仿真/A偏差/%4、电磁暂态仿真平台的应用（1）4.1应用实例1——同步发电机转子匝间故障仿真图17故障后励磁电流暂态过程的实验和仿真结果对比（a）实验波形（b）仿真波形-0.10.00.10.20.30.40.5345678t/sIf/A-0.10.00.10.20.30.40.5345678t/sIf/A4.2应用实例2——正常运行的多相无刷励磁系统仿真4、电磁暂态仿真平台的应用（2）4.2应用实例2——正常运行的多相无刷励磁系统仿真4、电磁暂态仿真平台的应用（2）图18主发电机的定子绕组连接图图19主发电机的物理模型及有限元网格剖分4.2应用实例2——正常运行的多相无刷励磁系统仿真4、电磁暂态仿真平台的应用（2）4.2应用实例2——正常运行的多相无刷励磁系统仿真4、电磁暂态仿真平台的应用（2）4.2应用实例2——正常运行的多相无刷励磁系统仿真4、电磁暂态仿真平台的应用（2）图20励磁机的定子绕组连接图图21励磁机的物理模型及有限元剖分4.2应用实例2——正常运行的多相无刷励磁系统仿真4、电磁暂态仿真平台的应用（2）图2239相旋转整流器模型4.2应用实例2——正常运行的多相无刷励磁系统仿真4、电磁暂态仿真平台的应用（2）励磁机二极管发电机励磁绕组及反电势图23正常运行时的发电机励磁电流仿真结果4.2应用实例2——正常运行的多相无刷励磁系统仿真4、电磁暂态仿真平台的应用（2）051015202530050010001500200025003000350040004500igf/At/ms某电力科学研究院提供的《XX核电站1号机励磁参数测试及建模报告》：励磁机额定励磁电流为113.2A，额定电流为6375A。励磁机的励磁电流与发电机励磁电流（即励磁机负载电流）成正比。由此可估算：当励磁机励磁电流为72.5A时，发电机励磁电流约为4083A。4.2应用实例2——正常运行的多相无刷励磁系统仿真4、电磁暂态仿真平台的应用（2）根据励磁机额定参数推算的当前工况发电机励磁电压稳态值约为325V，发电机励磁电压的稳态仿真值约为320V。计算的结果基本合理。0510152025300.20.30.40.50.60.70.80.9Vgf/kVt/ms图24正常运行时发电机励磁电压仿真结果4.2应用实例2——正常