基于有限元方法的水轮发电机电磁状态参数分析程序设计

摘要

作为水力发电企业，对所属水轮发电机电磁状态参数的掌握程度，对机组与电网日常运行、调度保护、检修维护等一系列重要工作，有着关键影响。特别是对机组电磁场分布规律、并网电能质量参数、本体电抗参数、以及电磁损耗参数的掌握程度，不但对机组与电网安全稳定运行水平，起着决定性的作用，更对企业竞争实力，有着重要影响。然而截至目前，多数水力发电企业在设计订货阶段和故障分析阶段，由于缺乏准确可靠的电磁分析软件，致使对关键电磁状态参数，难以进行较为全面准确的仿真计算分析。以致无论是在设计联络会上，还是在故障分析过程中，都难以对机组设计制造单位提供的计算分析报告，提出实质性的指导与评判建议。
　　为克服上述缺陷，本文通过开展以下研究工作，开发出一套水轮发电机电磁状态参数有限元分析软件。主要工作包括:
　　一是基于电机电磁场理论，在全面考虑电磁场时变、铁磁材料饱和、定子斜槽、发电机转动、阻尼条涡流等因素影响的基础上，通过电磁场和电路分析，首先分别建立水轮发电机二维非线性时变运动电磁场边值问题方程组和发电机电路方程组，在此基础上，将二者相结合，建立机组的二维场路耦合分析模型，用于分析机组电磁场状态。与此同时，讨论了有限元网格剖分的Delaunay三角化算法以及线性与非线性有限元方程组求解算法，为软件的设计和编制，奠定了理论基础。
　　二是从业务需求、用户需求、功能需求、非功能需求等四个方面，分析了软件设计的主要需求，进而围绕有限元前处理、有限元方程组求解，有限元后处理等三大功能，设计了相关功能模块，包括网格剖分、材料定义、方程组迭代求解、结果输出等。最终实现了机组电磁状态参数的有限元分析。
　　三是通过图表印证、现场参数测试验证、物理规律印证等多种方式，验证了该软件的各类计算分析功能，测试结果表明，该软件能够较为准确地分析计算机组电磁状态参数，因此能够为机组的运行与检修，提供较为准确合理的参考指导。
　　本文的研究工作，为水轮发电机电磁状态分析，提供了一套准确适用的有限元分析软件，具有一定的学术与工程参考价值。

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摘要

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缩略语对照表

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外现状分析

1．3 论文工作内容

1．4 论文组织结构

第二章 相关技术概述

2．1 电机电磁场理论

2．1．1 Maxwell方程组

2．1．2 矢量磁位A的微分方程

2．1．3 电流密度J的计算

2．1．4 旋转电机非线性时变运动电磁场的控制方程

2．2 水轮发电机二维时变运动电磁场边值问题

2．2．1 求解区域的选择

2．2．2 边值问题的建立

2．3 发电机电路方程

2．3．1 定子负载电路

2．3．2 阻尼绕组电路

2．4 电磁场方程与电路方程的结合

2．4．1 定子绕组区域矩阵方程

2．4．2 转子绕组区域矩阵方程

2．4．3 系统总体场路结合矩阵方程

2．5 有限元网格自动剖分生成技术

2．6 有限元方程组求解技术

2．6．1 大规模稀疏对称线性代数方程组求解技术

2．6．2 非线性代数方程组求解技术

2．7 其他主要技术

2．7．1 有限元后处理技术

2．7．2 计算结果验证测量技术

2．8 本章小结

第三章 水轮发电机电磁状态参数有限元分析系统需求分析

3．1 业务需求与用户需求分析

3．1．1 业务需求

3．1．2 用户需求

3．2 系统功能需求分析

3．2．1 系统功能总体结构

3．2．2 场域几何绘制模块

3．2．3 有限元网格剖分模块

3．2．4 场域材料及边界条件定义模块

3．2．5 有限元方程组求解模块

3．2．6 有限元结果后处理模块

3．3 非功能需求

3．4 本章小结

第四章 水轮发电机电磁状态参数有限元分析系统设计与实现

4．1 系统总体流程设计

4．2 系统功能的设计与实现

4．2．1 场域几何绘制

4．2．2 有限元网格剖分

4．2．3 场域材料与边界条件定义

4．2．4 有限元方程组求解

4．2．5 有限元结果后处理

4．3 针对非功能需求的设计措施

4．4 本章小结

第五章 系统功能测试与分析

5．1 测试环境与测试方法

5．1．2 测试方法

5．2 功能测试

5．2．1 机组场域几何绘制

5．2．2 场域有限元网格剖分功能测试

5．2．3 场域材料特性定义功能测试

5．2．4 有限元方程组求解功能测试

5．2．5 有限元结果后处理功能测试

5．4 测试结论

5．5 本章小结

第六章 结束语

6．1 论文工作总结

6．2 后续工作展望

参考文献

致谢

作者简介