第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
能源是驱动社会与经济发展的要素之一，不仅关乎民生更是国家战略层面的重要一环。我国能源问题面临着国内与国际、环境与资源多方面的制约，改善能源问题任重道远，推进能源生产与利用方式转变、优化调整能源结构势在必行。 增强能源科技创新能力、着力提高新能源和可再生能源比重、加强智能电网建设是能源产业改革的方向。在大力发展智能电网的今天，抽水蓄能电站在储能、调峰填谷、电网稳定运行等方面发挥的重要性日益体现[1,2]。此外，随着风电、太阳能等装机容量不断提高，在应对风电、太阳能等间歇式能源的随机性、不确定性方面，风电-抽水蓄能联合优化逐渐成为新的趋势，电网对风电的消纳能力得到了大幅提升[3-6]；核电-抽水蓄能联合运行减小了电力系统调峰的压力，经济性大大提高[7-9]。 发电电动机作为抽水蓄能电站的核心设备，具有运行工况多、转换频繁、过渡过程复杂等特点，其安全稳定运行成为技术人员及学者关注的热点[10]。阻尼绕组是大型电机的必不可少结构之一，在应对电机负荷突变、短路故障、不对称运行等恶劣运行工况时，阻尼绕组中感应出的电流产生的附加磁场能够有效降低电机转子受到的影响[11,12]。阻尼绕组损坏源于焊接、振动疲劳等，阻尼绕组受力包括电磁力、热应力及离心力，前两者均与阻尼绕组中感应出的电流相关。电机在不对称运行时，负序磁场在阻尼绕组产生过大的损耗将会造成阻尼条温升过高以致变形，阻尼条在离心力的作用下被从槽口挤出甚至甩出、断裂，阻尼绕组损坏的发生在国内外屡见不鲜，如湖南高滩电站等[13]。 抽水蓄能电站在电网中的作用决定了发电电动机起停频繁、双向旋转的工作方式，因此，发电电动机的阻尼绕组面临着更多的问题，需要引起更多的关注。阻尼绕组温升过高等问题在电机设计之初便应当予以重视，通过对阻尼绕组的优化设计，减小阻尼绕组中感应电流的大小，以降低不必要的损耗。阻尼绕组对于电机稳定运行至关重要，然而阻尼绕组电流及空载电压畸变率往往不能同时满足最优，在保证阻尼绕组电流或损耗较小的同时，需要保证畸变率小于国标规定值[14]。
............
1.2 国内外研究现状
在电机实际运行过程中，阻尼条中电流的测量通常是借助于装设其上的电流霍尔传感器完成的。1960 年国外专家学者提出了解析方法计算阻尼条电流，此后解析方法在电机不同运行工况及故障状态下阻尼绕组电流的计算中得以运用。然而，解析方法无法计及结构因素、铁心饱和等的影响，有限元方法的引入解决了这一问题，研究工作有了历史性突破。 哈尔滨电工学院学者李哲生从直轴、交轴回路以及磁导入手对阻尼绕组中感应出的电流进行了解析法计算，并推导得出由感应电流产生的附加磁动势的解析算式[15]。 浙江大学学者王毓东等提出了齿谐波电势、齿频电流的解析计算方法，并在此基础上研究了阻尼绕组中各次谐波电流所产生的附加磁场，及其在定子绕组中感应出的齿谐波[16]。 国外学者 Liwschitz-Garik 深入研究了定子绕组及阻尼绕组中谐波次数及其幅值，采用解析法得出了阻尼绕组及电枢绕组产生的谐波磁势表达式，并研究了阻尼绕组电流的分布[17,18]。 瑞士联邦理工学院学者 Banyai 等提出了阻尼绕组电流多回路解析方法及等效电路简化的解析算法，得出阻尼条电流及其分布，与数值方法计算结果进行对比表明前者更为准确[19]。 华中理工大学学者李朗如等运用多回路法计算了同步电动机负荷突变时不同阻尼条数目、直径、阻尼节距下在阻尼绕组中产生的瞬态电流以及损耗，通过对阻尼绕组结构的优选，使功角振荡得以减小，系统的稳定性得以增加[20]。 克拉克森理工大学学者 Jovanovski 将等效电路法运用于同步电机异步运行时阻尼条电流计算并进行实验，得出在不同转差率时阻尼条电流变化规律[21]。
..........
第2章 发电电动机阻尼绕组电流计算分析
2.1 引言
阻尼绕组是发电电动机必不可少的结构之一，在应对电机负荷突变、短路故障、不对称运行等恶劣运行工况时，阻尼绕组中感应出的电流产生的附加磁场能够有效降低电机转子受到的影响。然而感应出的电流会引起阻尼绕组的附加损耗。此外，附加磁场在定子绕组中感应出谐波磁势，使得电机电压波形恶化、电势畸变率增加[39]。 抽水蓄能发电电动机因其特殊的工作模式，具有运行工况多、转换频繁、过渡过程复杂等特点，在不同运行工况及工况转换过程中[40]，阻尼绕组中感应出的电流及其谐波次数各异，产生的附加磁场就更为复杂。本章采用时步有限元法对发电电动机不同运行工况下阻尼绕组电流及谐波分布进行计算分析。
.........
2.2 电机空载运行阻尼绕组电流
选取 SFD250-24/8500 发电电动机、SFD150-30/8100 发电电动机作为研究对象，其中前者极靴形状为三段圆弧极靴，后者极靴形状为单圆弧极靴。两台发电电动机参数如表 2-1 所示。空载运行时各阻尼槽壁磁密平均值如图 2-5b）所示，极靴两侧的阻尼槽壁磁密更大，靠近磁极中心的阻尼槽壁磁密较小。两侧的阻尼槽靠近极靴部位，磁力线处较为集中，故该处磁密较大。 将阻尼条沿顺时针方向依次标记，1 号阻尼条电流波形及谐波分解如图 2-6 所示。由于转过定子槽的先后，阻尼绕组电流相位依次滞后，滞后角度由前文所述的阻尼条间所夹机械角计算得到。电机空载运行时，阻尼条电流主要成分为齿谐波，电机每对极定子槽数为1Z/ p =30 ，因此电流中主要成分为 30 次的齿频电流。此处采用电机设计方案取值，即槽距比为 1，对齿谐波削减作用较弱，且定子绕组为整距绕组，气隙磁场中除了基波以外还有 5 次、7 次等空间谐波，谐波磁场在阻尼绕组中感应出谐波磁势，故有 6n 次谐波电流的存在，如图 2-7 所示。阻尼节距取值为适当时，感应出的电流则仅有齿频电流。
...........
第 3 章 发电电动机阻尼绕组电流谐波 ..........20
3.1 引言 .........20
3.2 阻尼节距对阻尼绕组电流的影响 .........20
3.2.1 极靴类型的影响 ......20
3.2.2 阻尼条数目的影响 ..........23
3.3 磁性槽楔对阻尼绕组电流的影响 .........25
3.4 阻尼条直径对阻尼绕组电流的影响 .....29
3.5 阻尼绕组中心偏移对阻尼绕组电流的影响 .........31
3.6 小结 .........32
第 4 章 发电电动机空载电压波形分析研究 ..........34
4.1 引言 .........34
4.2 电机空载试验 .........34
4.3 阻尼节距对电压畸变率的影响 .....37
4.4 阻尼绕组中心偏移对电压畸变率的影响 .....41
4.5 阻尼条直径对电压畸变率的影响 .........44
4.6 本章小结 .........45
第4章 发电电动机空载电压波形分析研究
4.1 引言
大型电机作为发电设备之一，其电压波形的好坏直接关系到机组及电网的安全稳定运行。电压谐波不但会在定转子回路及铁心中产生不必要的附加损耗，还会带来噪声、温升等危害[41]。发电电动机作为黑启动电源之一，在电网恢复供电中发挥着重要作用，电压等电能指标的好坏至关重要。此外，在电机设计阶段阻尼绕组电流及空载电压畸变率往往不能同时满足最优，因此需要对结构优化设计以满足两者的要求。阻尼绕组以及极靴形状是影响空载电压畸变率的重要因素[42]，本章针对发电电动机半阻尼结构下极靴形状以及不同阻尼参数如阻尼节距、数目、直径、阻尼绕组中心偏移等结构因素对电压波形畸变率的影响进行分析，以及电压谐波分布及规律等进行研究。
..........
结论
阻尼绕组是发电电动机重要结构，阻尼绕组电流及产生的附加磁场不仅关系电机稳定运行，也与电压波形畸变率密切相关，针对阻尼绕组结构进行研究有重要的理论意义与工程实用价值。本文对发电电动机不同工况下阻尼绕组电流与阻尼槽磁密分布规律、结构因素对阻尼绕组电流及阻尼槽壁磁密分布规律的影响，以及其对空载电压畸变率及电压主要谐波影响规律进行了研究，取得结论如下：
1．建立了阻尼绕组电流及各次谐波计算数学模型，分析并揭示了磁场对阻尼绕组感应电流的影响。得出了发电电动机不同运行工况下阻尼绕组电流、谐波特性以及阻尼槽壁磁密的分布规律，提出从阻尼结构优化、定子谐波磁动势等方面削减阻尼绕组电流。
2．通过时步有限元法计算了发电电动机空载工况下阻尼绕组电流、各次谐波以及阻尼槽壁磁密，并得出其分布特性，揭示了阻尼节距、阻尼条数目、阻尼条直径、阻尼绕组中心偏移、磁性槽楔等一种或多种因素对阻尼绕组电流及谐波分布规律的影响，确定了各因素影响下最优取值。得出了结构因素对阻尼槽壁磁密分布影响特性。
3．通过电机空载试验测得发电电动机电压谐波，计算得出了空载电压波形畸变率，并与有限元计算结果进行对比，验证了计算结果的正确性。采用时步有限元法计算了发电电动机结构因素改变时的电压波形，分析并给出了槽距比、阻尼条数目、直径、阻尼绕组中心偏移等结构因素对电压波形畸变率的影响规律，获得了空载电压波形中主要谐波随结构参数变化的规律，指出了最优方案，为发电电动机电压波形优化提供参考。
.........
参考文献(略)