关键词：抽水蓄能；发电电动机；电磁设计；性能分析
Design and Analysis of in Liyang Generator-motor
LIU Xintian，QIAO Zhaowei，XIAO Xianzhao
（Harbin Electric Machinery Company Limited，Harbin 150040，China）
Abstract：The rated capacity of Liyang Generator-motor is 250 MW，and the rated speed is 300r/min. In this paper，the electromagnetic scheme of hydro-generator is determined after analyzing the main size，parallel circuits number，slot current，linear current density and slot number. Then，the voltage distortion，subharmonic vibration，stable and transient performance of damp winding，stator bar transposition，out of phase synchronization，ending electromagnetic force and short-circuit current are analyzed，which shows the reasonable and reliable of scheme. The operation results show that the performance of Liyang hydro-generator is better than the applicable codes and standards.
Key words：Pump storage；generator-motor；electromagnetics design；performance analysis
0 前言
溧阳抽水蓄能电站地处江苏省西南部的溧阳市境内，工程区（下水库）经天目湖镇平桥至溧阳市公路里程约32km。溧阳市地处苏南经济发达区，电站对外交通方便，距常州市、南京市公路里程分别为94km、137km。安装6台250MW可逆式水泵水轮发电机组。为保证溧阳发电电动机各次性能指标，本文主要从电磁方案的选型和主要性能的分析计算出发，对该发电电动机的参数选择的合理性和主要电磁性能指标进行分析。
1 方案选择与主要电磁参数
1.1 额定值
溧阳发电电动机需按以下基本参数进行方案选型计算：
发电工况额定容量/功率：277.8MVA/250MW
电动工况额定功率（轴输出）：269MW
发电工况额定功率因数：0.9（滞后）
电动工况额定功率因数：0.975（吸收有功，发送感性无功）
额定电压：15.75kV
额定频率：50Hz
相数：3
额定转速：300r/min
飞逸转速：475r/min
GD2：9000t•m2
1.2 方案选择
1.2.1 主要尺寸确定
电机的主要尺寸是指定子铁心内径Di（或极距τ）及铁心长度lt，选择和确定Di和lt时应考虑下列问题[1-4]：
（1）电负荷和磁负荷应在合理的取值范围内，并使Xd、Xd等参数满足要求；
（2）选择的主要尺寸应使转子磁轭在正常的宽度和允许应力下，自然满足所要求的GD2值；
（3）由主要尺寸所决定的定子和转子等大部件的尺寸应满足运输条件的要求；
（4）满足电机本身通风冷却的要求；
（5）机组总体结构布置合理。
铁心内径和长度与额定容量及额定转速有下述关系：
式中：
SN─额定容量，kVA；
Di─铁心内径，m；
lt─铁心长度，m；
nN─额定转速，r/min；
C ─利用系数，KVA•m3•r/min；
K ─常数，K=1.35×10-6；
A ─定子电负荷，A/cm；
Bδ─气隙磁密，G。
综合考虑，溧阳发电电动机的定子铁心内径为6350 mm，铁心长度为2550 mm。
1.2.2 支路数与槽电流
对于20个磁极的发电电动机，为满足绕组完全对称的条件，可选的支路数包括1、2、4、5、10、20，发电电动机额定功率为250MW，额定电压为15.75kV，对应不同支路数时的支路电流与槽电流见表1。
表1 不同支路数对应的支路电流与槽电流
对于250MW的发电电动机，槽电流最好控制在4000~6000A左右，因此，最优的支路数为4，此时槽电流为5091A。
1.2.3 电负荷与定子槽数的选择
电负荷A是发电电动机的主要技术、经济参数之一，它对电机的主要尺寸、电抗和绕组温度等有直接影响。为控制电机的主要尺寸，必须尽量提高电机的利用系数，其表达式为：
（KVA•m3•r/min）
A值的大小决定了定子内圆单位表面积所产生的绕组铜损的大小，因而直接影响温升和效率的高低。在定子铁心内径确定的前提下，选择不同的槽数可决定不同的A值，电机定子槽数与电负荷的对应关系见表2。
表2 定子槽数与电负荷对应关系
2 主要性能指标
2.1 电压波形畸变系数分析计算
应用运动网格时变电磁场有限元对溧阳发电机的空载线电压全谐波进行计算，结果如下：
空载线电压全谐波因数：0.205%。
空载磁场分布如图1所示。
图1 空载磁场分布
2.2 次谐波电磁振动分析计算
定子槽数为312，发电电动机选用每极每相槽数q＝5+1/5的分数槽。分数c/d为1/5（q＝b＋c/d）的分数槽，其主要优点为发电电动机电压波形较好，绕组接线容易。分数槽绕组产生的磁动势中常会有一系列分数次谐波，在某些情况下，他们和主极磁场相互作用可能产生一系列干扰力，当某些干扰力的频率（倍频）和机座固有振动频率重合时，将发生共振，引发定子铁心振动。经有限元分析计算，定子铁心的振幅值为0.00617mm，频率远避开电网倍频。
2.3 阻尼绕组稳态和瞬态特性分析计算
应用专用软件程序对溧阳发电电动机的阻尼系统进行全面分析
计算。分析计算表明，对应额定容量长期不对称负荷运行工况，当负序电流的标么值为9%时，阻尼绕组的最高温升和温度值分别为44.1K和97.1℃。
在瞬态短路工况，阻尼系统的负荷能力按I22 t≥40考虑，对应额定容量相间不对称突然短路的最高温升和温度值分别为64.3K和117.3℃；单相对地不对称突然短路的最高温升和温度值分别为57.6K和110.6℃。
在长期不对称负荷和突然不对称短路工况下，溧阳发电电动机的阻尼绕组温升计算值在运行实践和经验范围内，并具有一定的裕度，满足安全可靠运行要求。
2.4 定子线棒特殊换位分析计算
通常发电电动机有3种换位方式：360°换位、不完全换位和空换位。为使定子绕组中环流引起的热损耗和发热量最小，以减小股线在槽部漏磁场中不同位置产生环流引起的附加损耗和股线间温差，应用电磁场有限元程序对不同的换位方式进行分析计算并计及集肤效应和电流密度的变化。结果表明，定子线棒采用的最佳换位方式为315°不完全换位。
2.5 发电机误同期并网分析计算
应用仿真软件程序对发电电动机120°及180°误同期并网时的U.V.W三相电流及电磁转矩瞬态过程进行全面分析计算。并计及发电电动机和水轮机机械系统及饱和的影响，以求计算结果更准确。计算结果见表4及图2。
表4 误同期并网计算结果
图2 120°误同期最大力矩随时间变化曲线
图3 180°误同期最大力矩随时间变化曲线
2.6 定子绕组端部电动力分析计算
发电电动机发生短路故障工况时，定子电流激增，定子绕组端部受到电动冲击力，严重时致使绕组变形，对绝缘产生破坏[5]。应用计算软件对6种工况的定子绕组端部电动力进行分析计算，详见表5。从表5可知，180º误同期工况定子绕组端部承受的电动力最大。端部固定结构据此进行设计和核算，以满足机组安全可靠稳定运行要求。
表5 定子绕组端部电动力计算结果
图3 三相突然短路电流随时间变化曲线
2.8 SFC起动
应用专用计算软件对发电电动机进行静止变频器（SFC）起动仿真计算，发电电动机励磁电流给为1.0（p.u.），励磁控制方式为恒励磁电流调节方式。起动过程为压水起动，计算中考虑了各种损耗对电机产生的阻力矩，包括水轮机的水导轴承损耗、推力轴承损耗、主轴密封损耗、转轮在空气中旋转的损耗、发电机的上导轴承损耗、下导轴承损耗、推力轴承损耗、通风损耗、铁芯损耗、定转子绕组铜耗及
杂散损耗等等[6，7]。另外，静止变频器的容量为18MW。计算结果，电机的加速时间为176秒左右，即机组从静止状态加速到额定转速的时间（不包括同步并网的时间）见图4。
图4 转速随时间变化曲线
2.9 已经运行的类似机组
目前已经运行同转速的抽水蓄能电站有山东泰安250MW、浙江桐柏300MW、湖南黑麋峰300MW。主要电磁设计参数见表7。
表7 主要电磁设计参数
3 结论
本文分析了溧阳发电电动机的容量、电压、支路数及槽电流等参数的选择与匹配问题，确定了发电电动机电磁选型方案。通过对电压波形畸变系数、次谐波电磁振动、阻尼绕组稳态和瞬态特性、定子线棒换位、误同期并网、定子绕组端部点动力、短路电流、SFC起动等相关电气特性进行分析，表明溧阳发电电动机设计方案可靠，设计参数均在运行经验范围内。通过与类似容量运行机组比较，溧阳发电电动机运行安全可靠、稳定域宽、功率裕度大、易于调节及维护检修和操作。目前根据电站运行反馈情况，6台机组已发电，运行良好。
参考文献：
[1][发电机设计与计算]第二章 电磁设计白延年 机械工业出版社-1982-9
[2][抽水蓄能电站发电电动机的特点及选型设计分析]徐立佳 《水力发电》-2010（7）
[3][抽水蓄能发电电动机电磁设计若干系数计算]李金香等 《大电机技术》-2010（5）
[4][电动及发电工况下抽水蓄能发电电动机的电磁特性分析]张宇娇等 《水电能源科学》-2016（6）
[5][利用等效电路法计算发电机定子绕组端部电动力]廉涛 《大电机技术》-2007（6）
[6][抽水蓄能电站发电电动机起动仿真计算研究]李阳 《东方电机》-2006（1）
[7][抽水蓄能电动发电机组背靠背起动过程仿真研究]骆林等 《大电机技术》-2005（6）
论文作者:刘新天1,乔照威1,肖先照2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/4/1
标签：定子论文; 电动机论文; 绕组论文; 溧阳论文; 电流论文; 工况论文; 电磁论文; 《电力设备》2018年第29期论文;