抽水蓄能电机的电磁设计、优化和仿真开题报告.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文开题报告学 院 电气与电子工程学院 专 业 电气工程及其自动化 指 导 教 师 本 科 生 毕业设计开始时间 开题报告日期 论 文 题 目 抽水蓄能发电电动机的电磁设计、优化和仿真 说 明一、 开题报告应包括下列主要内容：1、 课题来源及研究的目的和意义；2、 国内外在该方向的研究现状及分析；3、 主要研究内容；4、 研究方案及进度安排，预期达到的目标；5、 预计研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施；6、 主要参考文献（应在15篇以上，其中外文资料不少于3片，参考文献中近五年内发表的文献一般不少于三分之一，且必须有近二年内发表的文献资料）。二、 开题报告字数应在4000字左右。三、 开题报告时间最迟应于第八学期开学一个月内完成。四、 此表不够填写时，可另加附页。一、 课题来源及研究的目的和意义课题来源：抽水蓄能发电电动机是抽水蓄能电站用的一种三相凸极同步电机，在电力系统中可用于调节系统负荷。当系统中电力有多余时，抽水蓄能电机作为电动机运行，带动水泵把下游的水抽入到上水库，将电能转换成水的势能储存起来。当系统出现高峰负荷时，则水库开闸放水，由水轮机带动抽水蓄能电机作发电机运行，把水库中水的势能转化成机械能再转化成电能供给电网。随着电力系统容量的不断增大和火力发电厂与核电站的增加，抽水蓄能电站日益增多，其容量也越来越大。抽水蓄能电站机组的单机容量较大，常采用同步起动方式或用专门的起动电动机起动的方法。随着电力电子技术的发展，在大型抽水蓄能电站机组的同步起动方式中，开始广泛采用晶闸管变频器代替同步发电机。通常把晶闸管变频器和同步电机有机地结合，组成无换向器电动机进行起动。这种变频器结构简单，对晶闸管元件的快速性要求不高。研究的目的和意义：抽水蓄能电站作为一种特殊的电源，由于具有工况转换多、运行方式灵活、反应速度快等优点，近年来在国内得到了相当规模的发展。作为抽水蓄能机组的核心装备，发电电动机的设计制造已经成为电机制造业的重要问题。由于频繁地在静止、发电、抽水和调相四种运行状态之间切换并且能够快速地增减负荷，发电电动机必须具备优良的动态性能与多工况运行的能力。作为蓄能电站核心设备的抽水蓄能机组，无论设计条件还是结构形式都比常规水轮发电机组复杂得多，而我国对抽水蓄能机组技术的开发起步较晚，关键部件和技术大多依赖进口或国外的技术支持1。随着我国大型核电站和风力发电站的集中投入和迅猛发展，电力系统负荷的峰谷差日益增加。为保证系统安全稳定运行，我国正在大力建设抽水蓄能电站2。预计到 2025 年抽水蓄能电站总装机容量达到约 1 亿千瓦，占全国电力总装机的 4%左右3。虽然起步较晚，但是在大力建设抽水蓄能电站的大背景下，通过引进、消化吸收和再创新，我国已具备自主设计、制造抽水蓄能机组成套设备的能力4-5，并向设计制造单机容量更大、转速更高的抽水蓄能机组的目标发起挑战。因此，开展抽水蓄能发电电动机研究有着十分重要的意义。二、 国内外在该方向的研究现状及分析 世界上一些国家已经采用抽水蓄能发电电动机对电网负荷的峰谷值进行调节，取得良好的经济效益和社会效益。上世纪八十年代初，全世界已经投入运行的蓄能电站约有 250 座，总装机容量约 4500 万千瓦，占当时世界已经投入运行水电站总装机容量的10%以上6。目前抽水蓄能电站的总装机容量超过 8000 万千瓦，单机容量最大已超过 38 万千瓦。美国占世界第一位，超过 2500 万千瓦；日本处于第二位，约 2500 万千瓦；东西欧的工业国家，如英国、法国、比利时、原苏联、意大利、瑞士等，投入运行的蓄能机组也超过了 1000 万千瓦7。此外，一些发展中国家，近些年也在建设蓄能电站。由此可见，蓄能电站在世界各国，尤其在 70 年代以后得到了迅猛的发展8。 我国抽水蓄能电站很少，抽水蓄能电站的建设处于起步阶段，不能满足实际需要。60 年代我国引进了一台 1.1 万千瓦蓄能机组，装于岗南电站；70 年代国产二台 1.1 万千瓦机组装于密云电站；80 年代潘家口电站引进三台 9.6 万千瓦蓄能机组。后来又引进了广州、十三陵的蓄能机组和天荒坪蓄能机组，大容量抽水蓄能机组设计制造还是处于起步阶段。抽水蓄能发电电动机一般为高转速电机，容量也有越来越大的趋势，因此设计难度更大9。目前，国外电机制造厂在发电电动机设计制造领域起步早且业绩突出，但发表的与发电电动机本体相关的文献非常少。我国在发电电动机的设计制造领域起步晚，但已具备独立的研发设计与制造能力。国内学者与技术人员发表很多与发电电动机有关的文献，所研究技术问题的范围很广泛。抽水蓄能机组发电电动机与常规水轮发电机的最大差别是过渡过程复杂、工况转换频繁，这对发电电动机的性能提出了很高的要求。在发电电动机本体设计方面，现有文献主要关注于极靴形状设计、电磁设计常用系数计算10、变极绕组设计11和结构设计方法等，除此之外则还关注于电机设计经验的总结12-16。由于发电电动机的稳态与动态性能与电磁参数直接相关，因此深入研究发电电动机的电磁参数问题十分重要。另一方面，在复杂过渡过程中，发电电动机中各绕组的电流剧烈变化，由此引发的端部发热问题不可忽视；由于端部发热是由端部漏磁场引起的，因此研究发电电动机的端部磁场与端部结构件损耗对电机的优化设计十分关键。由于大型发电电动机端部磁场的实验研究是工程技术人员面临的瓶颈问题，特别对大容量发电电动机更加难以进行，因此采用数值法对发电电动机在多工况下的端部磁场与端部结构件损耗进行分析研究已经成为电机设计中的关键环节之一。三、 主要研究内容本文主要进行抽水蓄能发电电动机的电磁设计、优化和仿真。首先利用matlab软件编程进行磁路计算，之后通过改变电机某些参数对电机进行优化，分析电机运行性能、损耗、阻抗等参数得变化，并给出图像。利用软件进行仿真，将最终仿真结果与利用matlab软件编程的结果进行比较验证。最后，根据剩余的时间长短，有选择性的进行温度场的仿真分析，电机损耗运行性能的分析。四、 预计研究过程中可能遇到的困难和问题以及解决的措施1.查找资料了解抽水蓄能发电电动机的基本知识，对电机的结构设计，启动方式，运行工况都进行了解，为接下来的设计打好基础。2.Matlab软件的学习，MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多。通过去图书馆借阅书籍，网上查找论文资料，提前学习好matlab软件编程方法。3.电磁计算：采用三相凸极同步发电机的设计方法和公式，按步骤编程进行计算。首先对三相凸极同步电机知识进行系统复习，复习好电机设计的诸多问题及解决方案，4.仿真软件的学习：利用仿真软件进行温度场，电机有关损耗的仿真，通过仿真对电机性能进行全面细致分析。先找好各仿真软件Ansoft12、Magnet等的指导书，了解好各软件的操作界面，熟悉基本功能栏位置，先对一些简单功能进行学习操作，由浅入深，逐渐学会灵活运用软件进行仿真，由于这些软件属于比较专业的东西，网上资料有限，要找到好的渠道去获取知识，多加一些专业学术论坛去下载资料。另外，在碰到问题时要养成独立思考分析的能力，不要碰到一点困难就马上去问别人，自己不亲自去想去解决问题，光依赖别人，那永远也学不到真知识。 五、 研究方案及进度安排，预期达到的目标进度安排：时间工作内容2017年3月20日前 搜集资料确定题目2017年3月28日前完成开题报告2017年4月1日前完成matlab软件仿真2017年5月28日前完成论文初稿2017年6月15日前论文修改定稿打印答辩预期达到的目标：通过对抽水蓄能发电电动机的电磁设计、优化、软件仿真，充分树立掌握电机设计过程中主要的知识和问题的解决方案，掌握电机设计的流程，掌握发电电动机的一些参数变化对电机性能产生的影响情况，掌握电机在各种工况下的启动和控制方案，对电机进行优化。通过软件仿真能清晰地放映电机的各部分性能，重点放在软件仿真上，通过软件仿真，对比在额定发电与额定抽水工况下端部磁场和端部结构件损耗的分布特点，并将端部结构件损耗作为热源计算了电机的端部温度场，通过与温升实测值的对比间接地验证了端部磁场的计算模型与损耗计算方法的合理性；研究了发电电动机在发电进相运行时的端部磁场与端部结构件损耗随进相深度变化的规律。主要参考文献1 徐立佳 抽水蓄能电站发电电动机的特点及选型设计分析J2005，13(85)：20-29 2 梅祖彦抽水蓄能技术M北京：机械工业出版社，2000：1-163 王璐抽水蓄能电站建设井喷 4000 亿投资开闸N经济参考报，2015(003)4 贺建华，尹国军，陶喜群东方电机抽水蓄能机组技术引进消化吸收回顾J东方电气评论，2010，24(95)：15-195 贺建华，尹国军，陶喜群东方电机抽水蓄能机组技术引进消化吸收回顾J东方电气评论，2010，24(95)：15-196 BelliniA , Francesch ini G, Lorenzani E, etal. Field oriented control of self-excited induction generator for distributed cogeneration plants C / Industry Applications Conference, 2006. 41st IA S Annual Meeting. Tampa Florida, 2006, 4: 1738 - 1744.7 M. A. ArjonaParameter calculation of a turbogenerator during an open-circuit transient excitationJIEEE Transactions on Energy Conversion，2004，19(1)：46-528 李金香, 孙玉田, 蒋宝刚. 超高压发电机短路特性和参数计算J. 大电机技术, 2008, (6): 1-4, 8.9 李桂芬，孙玉田，张春莉抽水蓄能电机静止变频器起动的仿真研究J.大电机技术，2010，(3)：10-1310 戈宝军，于涌源，张淑森具有三段圆弧极靴结构的大型凸极同步电机气隙磁场的分析与计算J大电机技术，1998，(1)：21-26 11 李金香，仲昭阳，王海鹏，等抽水蓄能发电电动机电磁设计若干系数计算 J2010，(5)：6-10，3012 戴庆衷抽水蓄能电站用调速发电电动机J东方电气评论，1995，9(2)：81-9513 刘健俊，郑小康，钱昌燕，等可变速抽水蓄能发电电动机的设计J东方电机，2014，(4)：39-44 14 罗建华，王建刚蒲石河抽水蓄能电站发电电动机设计C抽水蓄能电站工程建设文集 2011，2011，158-163 15 王艳武，王建刚溧阳抽水蓄能电站发电电动机设计C抽水蓄能电站工程建设文集 2014，2014，289-293 16 王艳武，王建刚响水涧抽水蓄能电站发电电动机设计C抽水蓄能电站工程建设文集 2011，2011，164-170