交流励磁发电机是一种可以定、转子双边激励、双边参与机电能量转换,转子侧可调速而从定子侧输出恒频交流电能的新型发电机,作为一种可调速发电机在水力发电方面有着十分广阔的应用前景。目前国外仅在电力系统抽水蓄能、调峰填谷方面得到应用。而国内尚处于起步阶段。 本文从我国水电事业的发展需要出发,为更好地开发交流励磁发电机的潜在优势,对交流励磁发电机及其系统的运行性能进行研究。 首先,本文分别从集中参数的角度和时变电磁场的角度建立了交流励磁发电机的时域仿真计算模型及软件。包括, a.将叠层元技术引入到瞬变电磁场的分析中,并提出了二阶叠层元场路耦合仿真计算格式及软件,在该格式中实现了系数矩阵的对称化。 b.提出了高效灵活的叠层元软件单元升级技术,采用该技术可以在一阶三角元网格基础上对场域中的任意指定区域(关心区域或精度敏感区域)自动地进行单元升级,整个过程无须人为干预。 c.给出了系统方程非线性的一种简便处理方法。 d.针对旋转电机的时域分析问题,提出了运动媒质电磁场问题的分域处理方法。 e.改进了气隙元计算格式。 f.建立了交交变频装置的数字仿真模型。该模型计及了六脉冲交交变频器的实际物理结构及运行过程,不仅可以反映输入输出性能的实际情况,而且可以得到内部各晶闸管的实际触发逻辑和电压、电流的变化规律。 g.采用上述方法建立了包括交交变频器、交流励磁发电机及整个系统在内的数字仿真模型及相应的计算软件。此软件不仅可以考虑电机的各种瞬变过程,同时由于它计及了各物理量在电机中的空间分布和系统中的时域变化,还可以考虑电机电压波形中的空间谐波影响,实现对电机波形的全真模拟。 采用上述软件对交流励磁发电机的各种瞬变过程进行了仿真研究,包括: ●对交流励磁发电机动态调节过程的仿真研究表明,采用定子磁链定向的矢量控制技术,交流励磁发电机系统可以实现发电机有功功率、功率因数、转速等各种调节量的快速响应与指令跟踪。这样充分保证了系统在变速恒频发电时的动态性能。 ●对交流励磁发电机样机三相突然短路过程的计算结果为:定子电流最大值达到额定电流的6倍到7倍之间,而转子电流最大值约为其额定电流的3倍到4倍之间。从仿真结果看,在定子突然短路过程中,交交变频器的电压谐波对定子电流的影响不大。 此外,对交流励磁发电机的波形问题,从计算和实验两方面进行了一定的研究。建立了外加谐波磁场的分析方法。从谐波转移阻抗频率特性和波形两个方面,对影响波形的若干因素进行分析,并首次论证并提出了采用阻尼绕组改善交流励磁发电机波形问题的措施(国内外交流励磁发电机的产品尚无采用阻尼绕组的先例)。分析认为: ●从机组效率及变频器容量的角度考虑,交流励磁发电机不宜在高转差下运行。 ●在交流励磁发电机的合理运行范围,加装阻尼绕组不会带来太大的发热问题。