300kvar高溫超導(dǎo)調(diào)相機(jī)樣機(jī)多場輸入部件模態(tài)分析

史正軍 梅桂華 宋萌 胡南南 李力

摘? 要：調(diào)相機(jī)在電網(wǎng)運(yùn)行中提供動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償，對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的作用。目前，一臺(tái)300kvar級(jí)高溫超導(dǎo)調(diào)相機(jī)樣機(jī)正在研制，由于其工作轉(zhuǎn)速1500rpm，需要對(duì)各個(gè)重要部件進(jìn)行振動(dòng)分析，以防出現(xiàn)危險(xiǎn)。多場輸入部件是超導(dǎo)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻和強(qiáng)弱電通流的重要結(jié)構(gòu)，文章對(duì)樣機(jī)的多場輸入部件進(jìn)行了振動(dòng)特性分析，在靜止、正常工作、超速工作三個(gè)工況下分別計(jì)算了多場輸入部件的模態(tài)結(jié)果。根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，分析在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中小樣機(jī)是否有進(jìn)入模態(tài)發(fā)生共振的危險(xiǎn)，以及在樣機(jī)實(shí)際工作時(shí)規(guī)避與模態(tài)階數(shù)相近的外界擾動(dòng)，確保小型樣機(jī)能夠正常工作，為未來10Mvar級(jí)調(diào)相機(jī)的研制積累寶貴的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)調(diào)相機(jī);模態(tài)分析;多場輸入部件;多工況分析

中圖分類號(hào)：TU995? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）04-0017-03

Abstract： Synchronous condenser plays an important role in supplementing reactive power in the operation of the grid. At present， a prototype of 300 kvar high-temperature superconducting synchronous condenser is under development. Considering its rotating speed of 1500 rpm， vibration analysis of various important components is required to prevent danger. The multi-field input structure is an important structure for the superconducting machine rotor to cool and the strong and weak current flow. In this paper， the vibration characteristics of the multi-field input structure of the small prototype are analyzed. Under the three conditions of static， normal operation and over speed operation， respectively. The modal results of the multi-field input structure are calculated. According to the simulation calculation results， it is analyzed whether the prototype has the danger of entering the modal resonance during the actual operation， and avoids the external disturbance similar to the modal order when the prototype is actually working， to ensure that the small prototype can work normally. For the future 10 Mvar class HTS condenser， the development of this prototype will accumulate valuable design experience.

Keywords： superconducting synchronous condenser; modal analysis; multi-field input structure; multi-case analysis

1 概述

同步調(diào)相機(jī)是一種在瞬態(tài)、暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)范圍內(nèi)均可向電網(wǎng)提供無功補(bǔ)償?shù)难b置，有望成為我國超高壓電網(wǎng)中動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償設(shè)備的主導(dǎo)力量，特別是在直流換流站將發(fā)揮不可替代的作用[1-5]。

高溫超導(dǎo)材料具有高電流密度，零損耗的特點(diǎn)，應(yīng)用到同步調(diào)相機(jī)的勵(lì)磁線圈后，可極大的減小勵(lì)磁繞組的損耗，延長使用壽命。超導(dǎo)同步調(diào)相機(jī)還可增大氣隙，減小同步電抗，增強(qiáng)電壓支撐能力。此外，超導(dǎo)電機(jī)還具有結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢，可減小占地面積，降低工程建設(shè)成本。因此高溫超導(dǎo)同步調(diào)相機(jī)具有很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。美國、日本已經(jīng)開展了超導(dǎo)同步調(diào)相機(jī)的研發(fā)工作，成功開發(fā)出了Mvar級(jí)工程樣機(jī)，并進(jìn)行了測試和掛網(wǎng)運(yùn)行[6-9]。

目前，南方電網(wǎng)公司正在開展一臺(tái)300kvar高溫超導(dǎo)同步調(diào)相機(jī)樣機(jī)研制，由于超導(dǎo)同步調(diào)相機(jī)的工作轉(zhuǎn)速較高，為1500rpm，高轉(zhuǎn)速下電機(jī)的轉(zhuǎn)速可能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與固有頻率相近或者相同的情況，此時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生共振，使整個(gè)電機(jī)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)[10]。因此，需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就驗(yàn)證好結(jié)構(gòu)的振動(dòng)性質(zhì)，以模態(tài)為主要參考。對(duì)本次研制的超導(dǎo)調(diào)相機(jī)小型樣機(jī)來說，多場輸入部件是出現(xiàn)振動(dòng)的危險(xiǎn)部分，需要進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的仿真分析，才能驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2 多場輸入部件概述

多場輸入部件是超導(dǎo)調(diào)相機(jī)在運(yùn)行過程中負(fù)責(zé)冷氣輸入和強(qiáng)弱電輸入的結(jié)構(gòu)，由于當(dāng)前研制的調(diào)相機(jī)樣機(jī)通過冷氦氣進(jìn)行傳導(dǎo)冷卻，同時(shí)電機(jī)的工作轉(zhuǎn)速較高（1500rpm），因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需注意旋轉(zhuǎn)密封的可靠性和高速旋轉(zhuǎn)下強(qiáng)弱出線端的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)方案中，多場輸入部件采用了近似軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，在中心處進(jìn)行轉(zhuǎn)子的強(qiáng)弱電線路饋穿，氦氣管貫穿整體，且為多層嵌套，最內(nèi)層輸入冷氦氣，外層輸出熱氦氣。如圖1所示，多場輸入部件主要包括了支撐軸、饋穿法蘭、多層氦氣管、電流引線、固定盤等。其中，支撐軸起整體支撐及放置轉(zhuǎn)動(dòng)軸承的作用;饋穿法蘭上安裝航插，進(jìn)行轉(zhuǎn)子強(qiáng)弱電的饋穿;氦氣管內(nèi)層通入冷氦氣，外層導(dǎo)出熱氦氣;電流引線與強(qiáng)電航插連接，進(jìn)行線圈通電;固定盤將電流引線、氦氣管等進(jìn)行固定。此外，多場輸入部件還包括玻璃鋼支撐柱、波紋管、滾動(dòng)軸承等結(jié)構(gòu)件。

為了驗(yàn)證此設(shè)計(jì)方案的合理性，需要對(duì)多場旋轉(zhuǎn)輸入結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。ANSYS軟件提供了七種模態(tài)的提取辦法，本研究中采用剛性臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算的方法，來計(jì)算多場輸入部件的固有頻率[11]。計(jì)算固有頻率的目的是確認(rèn)該部件在工作頻率及以下時(shí)不會(huì)達(dá)到結(jié)構(gòu)的固有頻率，發(fā)生不必要的振動(dòng)危險(xiǎn)。

3 分析準(zhǔn)備

3.1 模型簡化

為了提高計(jì)算效率，同時(shí)提高有限元網(wǎng)格的質(zhì)量，需要在對(duì)可靠性無較大影響的情況下對(duì)模型進(jìn)行一定的簡化，同時(shí)在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)注意網(wǎng)格的疏密度和合理性。在進(jìn)行多場輸入部件的模型簡化時(shí)，由于貫穿的多層液氮管在設(shè)計(jì)方案中是位于旋轉(zhuǎn)軸的正中心，因此在實(shí)際工作時(shí)對(duì)軸向振動(dòng)沒有影響，在進(jìn)行模態(tài)分析前可以直接去掉。同時(shí)，弱電航空插座由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，尺寸較小，同時(shí)在饋穿法蘭上對(duì)模態(tài)結(jié)果沒有明顯影響，也可簡化。

在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用Ansys Workbench的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分方法，最大網(wǎng)格尺寸不超過8mm，優(yōu)先選擇四面體網(wǎng)格，形狀均勻的區(qū)域可以使用六面體網(wǎng)格提高計(jì)算速率。

3.2 邊界條件

對(duì)多場輸入部件邊界條件的確定，主要是通過支撐軸上的兩個(gè)滾動(dòng)軸承來實(shí)現(xiàn)的。軸承的約束不能直接簡化為剛性支撐，應(yīng)考慮彈性的影響，因此需要在軸承軸線方向開放自由度[12]，在ANSYS Workbench中，可直接將滾動(dòng)軸承外側(cè)的兩個(gè)圓面通過Frictionless Support這一約束方式約束住，即確定了由軸承支撐整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式。同時(shí)，電流引線在結(jié)構(gòu)中雖然是端部可以彎曲的，但是實(shí)際運(yùn)行中電流引線端部由于通流的連接會(huì)被約束住，因此模態(tài)計(jì)算中將端面使用Fixed Support約束方式進(jìn)行約束。多場輸入部件中的接觸面均為固結(jié)，因此在模型中對(duì)所有的接觸面定義Bonded接觸條件。

在進(jìn)行模態(tài)計(jì)算時(shí)，分別計(jì)算靜止?fàn)顟B(tài)、轉(zhuǎn)速1500rpm、轉(zhuǎn)速2000rpm三種工況下的模態(tài)結(jié)果，以計(jì)算在電機(jī)靜止、電機(jī)正常工作、電機(jī)超速工作三種情況下的多場輸入部件模態(tài)的狀況。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 結(jié)果概述

通過以上的網(wǎng)格劃分、邊界條件選取、工況確定，最終仿真計(jì)算得到了三種工況下多場輸入部件的模態(tài)結(jié)果。每一種工況的計(jì)算用時(shí)5分鐘，未出現(xiàn)計(jì)算不收斂的情況。在統(tǒng)計(jì)結(jié)果時(shí)，發(fā)現(xiàn)Ansys Workbench在計(jì)算本模型時(shí)，由于一些零件是軸對(duì)稱的，在相似的頻率下雖然計(jì)算出了多個(gè)階數(shù)，但實(shí)際振動(dòng)形式類似，因此需要將計(jì)算模態(tài)的階數(shù)范圍調(diào)至30階，再將相似的頻率合并，最終可以得到前8階的振動(dòng)模態(tài)計(jì)算結(jié)果。

4.2 靜止情況下計(jì)算結(jié)果

靜止情況主要是為了計(jì)算在電機(jī)靜置時(shí)，電機(jī)的固有頻率情況，以規(guī)避危險(xiǎn)的外界擾動(dòng)。結(jié)果表明此工況下多場輸入部件的前四階模態(tài)分別為131Hz、219Hz、227Hz、235Hz。因此在電機(jī)靜置時(shí)需要規(guī)避130Hz左右的擾動(dòng)。由于電機(jī)的正常工作頻率為20-40Hz，因此電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)共振的情況，比較安全。1階模態(tài)下多場輸入部件的危險(xiǎn)點(diǎn)在玻璃鋼柱上，因此實(shí)際裝配時(shí)需要對(duì)玻璃鋼柱的固定進(jìn)行仔細(xì)檢查。

4.3 1500rpm轉(zhuǎn)速下計(jì)算結(jié)果

1500rpm下的工況是模擬電機(jī)正常工作時(shí)多場輸入部件的振動(dòng)性質(zhì)。經(jīng)過計(jì)算，1500rpm下的多場輸入部件模態(tài)與0rpm下的工況計(jì)算結(jié)果相似，沒有較大的變化，在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需要規(guī)避模態(tài)附近頻率的擾動(dòng)。

4.4 2000rpm轉(zhuǎn)速下計(jì)算結(jié)果

此工況是計(jì)算在轉(zhuǎn)速超出了正常工作范圍時(shí)，電機(jī)多場輸入部件的模態(tài)情況。經(jīng)過計(jì)算，模態(tài)結(jié)果和前兩種工況依然類似。圖2為2000rpm工況下235Hz時(shí)多場輸入部件模態(tài)。

5 結(jié)論

小樣機(jī)多場輸入部件的模態(tài)分析主要是為了確認(rèn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的振動(dòng)特性，以預(yù)估該設(shè)計(jì)方案在實(shí)際工作中是否可能存在共振等問題。在計(jì)算中，劃分了三種典型的工況：靜止?fàn)顟B(tài)、正常工作狀態(tài)、超速工作狀態(tài)，以確定在各種不同的工作狀態(tài)下多場輸入部件的模態(tài)是否存在著變化，以及不同工作狀態(tài)下是否會(huì)存在著運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)定的隱患。本文對(duì)300kvar高溫超導(dǎo)調(diào)相機(jī)的小型樣機(jī)多場輸入部件進(jìn)行了振動(dòng)特性分析，得到了以下結(jié)論：

（1）通過三種工況的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)多場輸入部件的模態(tài)并不明顯受到轉(zhuǎn)速的影響，在工作中無論在何種轉(zhuǎn)速下，都要規(guī)避130Hz、219Hz、235Hz等頻率的擾動(dòng)，以免出現(xiàn)危險(xiǎn)。由于電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)是在20-40Hz的范圍，因此多場輸入部件并不會(huì)進(jìn)入任意的共振狀態(tài)，機(jī)器的運(yùn)行是平穩(wěn)的。

（2）通過分析最終計(jì)算得到的云圖，多場輸入部件在一階模態(tài)時(shí)內(nèi)部的玻璃鋼柱是振動(dòng)幅度最大的部位，在其他的高階模態(tài)下，雖然其他部位也會(huì)有振動(dòng)，但是玻璃鋼柱是主要危險(xiǎn)區(qū)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]王雅婷，張一馳，周勤勇，等.新一代大容量調(diào)相機(jī)在電網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2017，41（1）：22-28.

[2]郭一兵，凌在汛，崔一鉑，等.特高壓交直流系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功支撐用大型調(diào)相機(jī)運(yùn)行需求分析[J].湖北電力，2016，40（5）：1-4.

[3]張寧宇，劉建坤，周前，等.同步調(diào)相機(jī)對(duì)直流逆變站運(yùn)行特性的影響分析[J].江蘇電機(jī)工程，2016，35（3）：17-20.

[4]解兵，徐珂，羅凱明，等.大型調(diào)相機(jī)無功調(diào)節(jié)能力試驗(yàn)技術(shù)研究[J].廣東電力，2019，32（6）：123-129.

[5]戴慶忠.同步調(diào)相機(jī)特性及應(yīng)用[J].東方電氣評(píng)論，2016，30：47-51.

[6]楊百雄.目前世界上最大的超導(dǎo)同步調(diào)相機(jī)[J].華北電力技術(shù)，1984（11）：51.

[7]D. Bradshaw. Super Reactive Power for the Power System through SuperVARTM High Temperature Superconductor Dynamic Synchronous Condensers[C]. IEEE Power Engineering Society Meeting， June 2004.

[8]S. S. Kalsi， D. Madura and M. Ingram. Superconductor Synchronous Condenser for Reactive Power Support in an Electric Grid[C]. IEEE Applied Superconductivity Conference， October 2004.

[9]Ross M， Kalsi S. Applications of Superconducting Synchronous Condensers in Wind Power Integration[C]. Transmission and Distribution Conference and Exhibition， 2005/2006 IEEE PES. IEEE， 2006：272-277.

[10]魏忠軒，王益軒，于永積，等.大型汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)分析與仿真[J].紡織高?；A(chǔ)科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，25（02）：217-221.

[11]李貞婷.ANSYS模態(tài)分析在汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算上的應(yīng)用[J].防爆電機(jī)，2009，44（03）：37-38+56.

[12]常利輝.超導(dǎo)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的固有振動(dòng)分析[D].燕山大學(xué)，2015.