專利名稱：汽輪發(fā)電機(jī)組軸系次同步振蕩機(jī)械阻尼并網(wǎng)測量解耦計算方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于汽輪發(fā)電機(jī)組軸系機(jī)械阻尼測量計算技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種汽輪發(fā)電機(jī)組軸系 次同步振蕩機(jī)械阻尼并網(wǎng)測量解耦計算方法。
背景技術(shù)：
應(yīng)用于次同步振蕩分析計算的汽輪發(fā)電機(jī)組軸系機(jī)械阻尼參數(shù)，是一項重要參數(shù)。首先，軸系機(jī)械阻尼是表征軸系自身阻尼特性的唯一參數(shù)，它與電氣阻尼的大小對比關(guān)系，最終決定了次同步振蕩的穩(wěn)定性。其次，軸系機(jī)械阻尼與電氣阻尼的共同作用，決定了次同步振蕩的衰減特性，也就決定了振蕩導(dǎo)致的軸系壽命損傷的積累值?，F(xiàn)有的機(jī)械阻尼參數(shù)的獲得方法主要有兩種其一，由汽輪機(jī)制造廠商根據(jù)制造材料、尺寸等估算機(jī)械阻尼，這種方法誤差較大。另一種方法為脫網(wǎng)測試方法，其基本原理為將并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)進(jìn)行脫網(wǎng)甩負(fù)荷操作，對軸系造成沖擊擾動，使軸系振蕩只在自身機(jī)械阻尼的作用下衰減，通過分析振蕩衰減過程中的次同步模態(tài)分量，計算阻尼系數(shù)。該方法的不足在于一方面，對軸系造成了很大沖擊，帶來壽命損失；另一方面，該方法只能測量到發(fā)電機(jī)脫網(wǎng)的軸系機(jī)械阻尼，即空載阻尼。由于汽輪發(fā)電機(jī)軸系機(jī)械阻尼隨發(fā)電機(jī)不同工況(主要是出力水平等)而變化，并且空載阻尼到滿載阻尼的變化范圍達(dá)到十倍以上， 所以脫網(wǎng)方法不能測量發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時可能出現(xiàn)的任意實際工況下的機(jī)械阻尼。本發(fā)明提出了一種能對任何實際工況下軸系機(jī)械阻尼進(jìn)行測量的并網(wǎng)測量解耦計算方法。由于該方法在原理上是將汽輪發(fā)電機(jī)阻尼與外部系統(tǒng)解耦分析，因此只需要汽輪發(fā)電機(jī)組的電氣參數(shù)和軸系參數(shù)，而不需要外部系統(tǒng)參數(shù)，所以避免了對外部系統(tǒng)中直流控制器、可控串聯(lián)補(bǔ)償?shù)葟?fù)雜非線性系統(tǒng)參數(shù)的依賴，具備重要的工程實用價值。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提出一種汽輪發(fā)電機(jī)組軸系次同步振蕩機(jī)械阻尼并網(wǎng)測量解耦計算方法，用于克服現(xiàn)有的機(jī)械阻尼參數(shù)的獲得方法存在的缺陷。技術(shù)方案是，一種汽輪發(fā)電機(jī)組軸系次同步振蕩機(jī)械阻尼并網(wǎng)測量解耦計算方法，其特征是所述方法包括步驟1 將一臺發(fā)電機(jī)組連接到電網(wǎng)，計算全系統(tǒng)次同步振蕩特征值；步驟2 將與步驟1中的發(fā)電機(jī)組參數(shù)完全相同的另一臺發(fā)電機(jī)組也連接到電網(wǎng)， 使兩臺發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行，計算全系統(tǒng)次同步振蕩特征值；步驟3 根據(jù)所述特征值，確定兩臺參數(shù)相同的發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行時，只能產(chǎn)生模式為共模振蕩或異模振蕩的次同步振蕩；步驟4:判定兩臺發(fā)電機(jī)組發(fā)生異模振蕩模式的次同步振蕩時，次同步振蕩與外部系統(tǒng)解耦，即異模振蕩模式下，電氣阻尼和總阻尼與外部系統(tǒng)參數(shù)無關(guān)；步驟5 確定在兩臺發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)施加反相位的模態(tài)頻率的正弦信號激發(fā)時，產(chǎn)生異模振蕩；步驟6 在任意實際運(yùn)行工況下，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異模振蕩時，求取發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行步驟7 依據(jù)發(fā)生異模振蕩時發(fā)電機(jī)組與外部系統(tǒng)解耦的結(jié)論，將外部系統(tǒng)代之以等值電源，并保證采用等值電源后發(fā)電機(jī)組在相同的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點，計算異模振蕩模式下不包含機(jī)械阻尼的純電氣阻尼；步驟8 測量異模振蕩的總阻尼，并根據(jù)總阻尼等于電氣阻尼與機(jī)械阻尼的和，計算機(jī)械阻尼。所述次同步振蕩特征值包括振蕩角頻率和振型相量。本發(fā)明的效果在于，應(yīng)用特征值理論分析并列運(yùn)行的相同參數(shù)汽輪發(fā)電機(jī)組次同步振蕩的兩種不同振蕩模式，證明了發(fā)生異模振蕩時汽輪發(fā)電機(jī)阻尼特性與電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)等外部系統(tǒng)的解耦性，并依據(jù)此結(jié)論進(jìn)行汽輪發(fā)電機(jī)組軸系機(jī)械阻尼的并網(wǎng)測量解耦計算，解決了常用的機(jī)械阻尼參數(shù)的獲得方法存在的問題。本發(fā)明提供了可以測量計算發(fā)電機(jī)任意實際工況下機(jī)械阻尼的方法，并且此方法不依賴于可控串聯(lián)補(bǔ)償、直流控制器等復(fù)雜非線性外部系統(tǒng)的參數(shù)，實現(xiàn)了次同步振蕩機(jī)械阻尼與外部系統(tǒng)的解耦計算。
圖1是汽輪發(fā)電機(jī)組軸系次同步振蕩機(jī)械阻尼并網(wǎng)測量解耦計算方法流程圖；圖2是參數(shù)完全相同的兩臺發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的次同步振蕩分析示意圖；圖3是參數(shù)完全相同的兩臺發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的次同步振蕩模式圖；其中，(a)是共模振蕩模式圖，(b)是異模振蕩模式圖；圖4是參數(shù)完全相同的兩臺發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的電氣網(wǎng)絡(luò)圖；圖5是共模振蕩模式次同步振蕩分析用線性化等值系統(tǒng)圖；圖6是異模振蕩模式次同步振蕩分析用線性化等值系統(tǒng)圖；圖7是伊敏電廠、呼倫貝爾電廠經(jīng)串補(bǔ)和直流混合通道送出系統(tǒng)圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細(xì)說明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。圖1是汽輪發(fā)電機(jī)組軸系次同步振蕩機(jī)械阻尼并網(wǎng)測量解耦計算方法流程圖。圖 1中，汽輪發(fā)電機(jī)組軸系次同步振蕩機(jī)械阻尼并網(wǎng)測量方法包括下列步驟1 將一臺發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)，計算全系統(tǒng)次同步振蕩特征值。步驟2 將與步驟1中的發(fā)電機(jī)參數(shù)完全相同的另一臺發(fā)電機(jī)也連接到電網(wǎng)，使兩臺發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行，計算全系統(tǒng)次同步振蕩特征值。步驟3 根據(jù)所述特征值，確定兩臺參數(shù)相同的發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行時，只能產(chǎn)生模式為共模振蕩或異模振蕩的次同步振蕩。圖2是參數(shù)完全相同的兩臺發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的次同步振蕩分析示意圖。圖2中， 以IEEE次同步諧振第一標(biāo)準(zhǔn)算例的軸系參數(shù)為例，將汽輪發(fā)電機(jī)組軸系劃分為六個軸段， 每個軸段分別視為一個等值的剛性集中質(zhì)量塊，各質(zhì)量塊之間通過無質(zhì)量的彈簧連接，以模擬軸段之間的力矩傳遞關(guān)系。一號和二號汽輪發(fā)電機(jī)組的參數(shù)完全相同。其中HP、MP、 LP1、LP2、GEN和EX分別表示一號汽輪發(fā)電機(jī)組高壓缸、中壓缸、低壓缸1、低壓缸2、發(fā)電機(jī)和勵磁機(jī)質(zhì)量塊；HP，、MP，、LP1，、LP2，、GEN，和EX，分別表示二號汽輪發(fā)電機(jī)組高壓缸、中壓缸、低壓缸1、低壓缸2、發(fā)電機(jī)和勵磁機(jī)質(zhì)量塊。T為升壓變壓器，Rp和X^為線路電阻和電抗，X。為串聯(lián)補(bǔ)償容抗，Rs和Xs為等值電源的電阻和電抗。
當(dāng)只有一臺發(fā)電機(jī)組連接到電網(wǎng)時，計算全系統(tǒng)次同步振蕩特征值。對每一個次同步振蕩模態(tài)，可以求得特征值o+jco及其右特征相量V，分別為該模式下的振蕩角頻率 ω和振型相量。當(dāng)兩臺參數(shù)完全相同的發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行時，計算全系統(tǒng)次同步振蕩特征值， 則對每一個次同步振蕩模態(tài)，可以求得兩個特征值及其右特征相量。其中一個特征值及其右特征相量與原只有一臺機(jī)組時相同，為σ+jco及其特征相量V。對應(yīng)角頻率為ω，振型為ν的振蕩模式。另外求得一個特征值ο ’ +j ω ’及其右特征相量V’。其中σ ’ > σ，ω ’ 稍大于ω。由特征相量分析可知當(dāng)發(fā)生較低頻率ω的振蕩時，兩臺機(jī)組對應(yīng)質(zhì)量塊振蕩位置相同，稱為共模振蕩模式。當(dāng)發(fā)生較高頻率ω’的振蕩時，兩臺機(jī)組對應(yīng)質(zhì)量塊振蕩位置相反，稱為異模振蕩模式。步驟4:判定兩臺發(fā)電機(jī)組發(fā)生異模振蕩模式的次同步振蕩時，次同步振蕩與外部系統(tǒng)解耦，即異模振蕩模式下，電氣阻尼和總阻尼與外部系統(tǒng)參數(shù)無關(guān)。圖3是參數(shù)完全相同的兩臺發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的次同步振蕩模式圖。其中，(a)是共模振蕩模式圖，此時兩臺機(jī)組對應(yīng)質(zhì)量塊振蕩位置相同。(b)是異模振蕩模式圖，此時，兩臺機(jī)組對應(yīng)質(zhì)量塊振蕩位置相反。圖4是參數(shù)完全相同的兩臺發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的電氣網(wǎng)絡(luò)圖。對于圖4所示的兩臺相同參數(shù)機(jī)組并列運(yùn)行的工況，由特征相量分析可知當(dāng)發(fā)生共模振蕩時，兩臺機(jī)組對應(yīng)質(zhì)量塊振蕩位置相同，共同與電網(wǎng)發(fā)生電氣耦合，此時可以將兩臺機(jī)組合并為一臺處理。由此得到共模振蕩模式次同步振蕩分析用線性化等值系統(tǒng)圖，如圖5所示。當(dāng)發(fā)生異模振蕩時，兩臺機(jī)組對應(yīng)質(zhì)量塊振蕩位置相反，并且振蕩只發(fā)生在兩臺機(jī)組之間，振蕩以并聯(lián)母線為振蕩平衡點，與外部系統(tǒng)沒有電氣耦合。由此得到異模振蕩模式次同步振蕩分析用線性化等值系統(tǒng)圖，如圖6所示。步驟5 確定在兩臺發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)施加反相位的模態(tài)頻率的正弦信號激發(fā)時，產(chǎn)生異模振蕩。由于外部擾動(如線路故障)只能激發(fā)共模振蕩，內(nèi)部擾動(如勵磁激發(fā))在不同的激發(fā)模式下，既可以激發(fā)共模振蕩，也可以激發(fā)異模振蕩，還可以同時激發(fā)共模和異模振蕩。當(dāng)在兩臺發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)施加同相位的模態(tài)頻率的正弦信號激發(fā)時，產(chǎn)生共模振蕩； 當(dāng)在兩臺發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)施加反相位的模態(tài)頻率的正弦信號激發(fā)時，產(chǎn)生異模振蕩；當(dāng)只在其中一臺勵磁系統(tǒng)施加模態(tài)頻率的正弦信號激發(fā)時，同時產(chǎn)生共模振蕩和異模振蕩。步驟6 在任意實際運(yùn)行工況下，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異模振蕩時，求取發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點ο由于在異模振蕩模式下，兩機(jī)組間的相互振蕩與外部系統(tǒng)無關(guān)。所以，在異模振蕩模式下，次同步振蕩與外部系統(tǒng)是解耦的，即異模振蕩模式電氣阻尼與外部系統(tǒng)參數(shù)無關(guān)。 因此，在求取發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點時，可以將外部系統(tǒng)(TCSC，HVDC等)省略掉，代之以等值電源，只要保證等值后發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點與等值前相同。由于異模振蕩線性化等值系統(tǒng)只包含發(fā)電機(jī)，而發(fā)電機(jī)參數(shù)通常是可以精確得到的；同時，待測量機(jī)械阻尼所處工況的電氣量也容易測量。因此可以求得發(fā)電 機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點，此穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點就是應(yīng)用于線性化分析的初始條件。步驟7 依據(jù)發(fā)生異模振蕩時發(fā)電機(jī)組與外部系統(tǒng)解耦的結(jié)論，將外部系統(tǒng)代之以等值電源，并保證采用等值電源后發(fā)電機(jī)組在相同的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點，計算異模振蕩模式下不包含機(jī)械阻尼的純電氣阻尼；依據(jù)發(fā)生異模振蕩時發(fā)電機(jī)與外部系統(tǒng)解耦的結(jié)論，在異模振蕩等值系統(tǒng)參數(shù) (只包含汽輪發(fā)電機(jī)組和等值電源參數(shù))全部已知的情況下，無論采用仿真或計算的方法， 都很容易計算出不包含機(jī)械阻尼的純電氣阻尼。步驟8 測量異模振蕩的總阻尼，并根據(jù)總阻尼等于電氣阻尼與機(jī)械阻尼的和，計算機(jī)械阻尼。在兩臺發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)施加反相位的模態(tài)頻率的正弦激勵信號，產(chǎn)生異模振蕩， 并測量總阻尼。由于總阻尼等于電氣阻尼與機(jī)械阻尼的和，所以要求得機(jī)械阻尼，只要將現(xiàn)場測量的異模振蕩的總阻尼減去計算得到的異模振蕩的純電氣阻尼。實際算例以伊敏電廠、呼倫貝爾電廠經(jīng)過串聯(lián)補(bǔ)償線路及呼遼直流線路交直流混合通道送出系統(tǒng)為例，測量計算伊敏電廠二期汽輪發(fā)電機(jī)組模態(tài)2(21HZ)機(jī)械阻尼。圖7是伊敏電廠、呼倫貝爾電廠經(jīng)串補(bǔ)和直流混合通道送出系統(tǒng)圖。圖7中，伊敏電廠現(xiàn)有一期2臺500麗發(fā)電機(jī)組、二期2臺600麗發(fā)電機(jī)組，三期2臺600麗發(fā)電機(jī)組， 經(jīng)過伊敏_馮屯雙回線路至馮屯，再經(jīng)馮屯——大慶三回線路至大慶，送入系統(tǒng)。伊敏_馮屯線路固定串補(bǔ)的串補(bǔ)度30%，可控串聯(lián)補(bǔ)償?shù)拇a(bǔ)度15%。呼倫貝爾電廠經(jīng)過呼倫貝爾_巴彥托海雙回線路，再經(jīng)過巴彥托海_伊敏換流站雙回線路，連接到呼遼直流換流站。 呼遼直流額定電壓為士 500kV，額定輸送功率為3000MW。
算例1 伊敏電廠二期汽輪發(fā)電機(jī)組2機(jī)并網(wǎng)，經(jīng)過可控串補(bǔ)送出。伊敏電廠與呼遼直流斷開。已知模態(tài)2(21HZ)機(jī)械阻尼系數(shù)為0. 0621。首先，在兩臺發(fā)電機(jī)勵磁繞組分別施加模態(tài)2頻率(21.47HZ)的反相正弦電壓，測量勵磁電壓撤去后的高壓缸轉(zhuǎn)速差對數(shù)衰減率。此衰減率即為總阻尼系數(shù)。由上述數(shù)據(jù)計算得到總的阻尼系數(shù)為0. 12217。其次，將伊敏電廠二期機(jī)組軸系機(jī)械阻尼參數(shù)置為0，再在兩臺發(fā)電機(jī)勵磁繞組分別施加模態(tài)2頻率(21.47HZ)的反相正弦電壓，測量勵磁電壓撤去后的高壓缸轉(zhuǎn)速差對數(shù)衰減率。此衰減率即為純電氣阻尼系數(shù)。由上述數(shù)據(jù)計算得到純電氣阻尼系數(shù)為 0.057586。由此計算得到機(jī)械阻尼=總阻尼-電氣阻尼=0. 12217-0. 057586 = 0. 064584。 而已知機(jī)械模態(tài)阻尼為0. 0621，誤差為4%。
算例2 伊敏電廠一期2機(jī)、二期2機(jī)、三期2機(jī)并網(wǎng)，馮屯至大慶三回線，伊敏至馮屯雙回線，經(jīng)過可控串補(bǔ)送出。呼倫貝爾電廠1#、2#機(jī)組并網(wǎng)，呼遼直流輸送功率3000MW。已知模態(tài)2(21HZ)機(jī)械阻尼系數(shù)為0. 0621。首先，在伊敏二期兩臺發(fā)電機(jī)勵磁繞組分別施加模態(tài)2頻率(21. 47HZ)的反相正弦電壓，測量勵磁電壓撤去后的高壓缸轉(zhuǎn)速差對數(shù)衰減率。此衰減率即為總阻尼系數(shù)。由上述數(shù)據(jù)計算得到總的阻尼系數(shù)為0. 1193。其次，將伊敏電廠二期機(jī)組軸系機(jī)械阻尼參數(shù)置為0，再在兩臺發(fā)電機(jī)勵磁繞組分別施加模態(tài)2頻率(21.47HZ)的反相正弦電壓，測量勵磁電壓撤去后的高壓缸轉(zhuǎn)速差對數(shù)衰減率。此衰減率即為純電氣阻尼系數(shù)。由上述數(shù)據(jù)計算得到純電氣阻尼系數(shù)為 0.056953。由此計算得到機(jī)械阻尼=總阻尼-電氣阻尼=0. 1193-0. 056953 = 0. 062347。而已知機(jī)械模態(tài)阻尼為0. 0621，誤差為0. 4%。兩個算例計算結(jié)果匯總?cè)缦卤?br>
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的總阻尼電氣阻尼機(jī)械阻尼機(jī)械阻尼
權(quán)利要求
1.一種汽輪發(fā)電機(jī)組軸系次同步振蕩機(jī)械阻尼并網(wǎng)測量解耦計算方法，其特征是所述方法包括步驟1 將一臺發(fā)電機(jī)組連接到電網(wǎng)，計算全系統(tǒng)次同步振蕩特征值； 步驟2 將與步驟1中的發(fā)電機(jī)組參數(shù)完全相同的另一臺發(fā)電機(jī)組也連接到電網(wǎng)，使兩臺發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行，計算全系統(tǒng)次同步振蕩特征值；步驟3 根據(jù)所述特征值，確定兩臺參數(shù)相同的發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行時，只能產(chǎn)生模式為共模振蕩或異模振蕩的次同步振蕩；步驟4:判定兩臺發(fā)電機(jī)組發(fā)生異模振蕩模式的次同步振蕩時，次同步振蕩與外部系統(tǒng)解耦，即異模振蕩模式下，電氣阻尼和總阻尼與外部系統(tǒng)參數(shù)無關(guān)；步驟5 確定在兩臺發(fā)電機(jī)組勵磁系統(tǒng)施加反相位的模態(tài)頻率的正弦信號激發(fā)時，產(chǎn)生異模振蕩；步驟6 在任意實際運(yùn)行工況下，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異模振蕩時，求取發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點； 步驟7:依據(jù)發(fā)生異模振蕩時發(fā)電機(jī)組與外部系統(tǒng)解耦的結(jié)論，將外部系統(tǒng)代之以等值電源，并保證采用等值電源后發(fā)電機(jī)組在相同的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點，計算異模振蕩模式下不包含機(jī)械阻尼的純電氣阻尼；步驟8 測量異模振蕩的總阻尼，并根據(jù)總阻尼等于電氣阻尼與機(jī)械阻尼的和，計算機(jī)械阻尼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種汽輪發(fā)電機(jī)組軸系次同步振蕩機(jī)械阻尼并網(wǎng)測量解耦計算方法，其特征是所述次同步振蕩特征值包括振蕩角頻率和振型相量。
全文摘要
本發(fā)明公開了汽輪發(fā)電機(jī)組軸系機(jī)械阻尼測量技術(shù)領(lǐng)域中的一種汽輪發(fā)電機(jī)組軸系次同步振蕩機(jī)械阻尼并網(wǎng)測量方法。包括將一臺發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)，計算全系統(tǒng)次同步振蕩特征值；將與前述發(fā)電機(jī)參數(shù)完全相同的發(fā)電機(jī)也連接到電網(wǎng)并列運(yùn)行，計算全系統(tǒng)次同步振蕩特征值；確定兩臺發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行時只能產(chǎn)生共模振蕩或異模振蕩；判定兩臺發(fā)電機(jī)組發(fā)生異模振蕩模式時，次同步振蕩與外部系統(tǒng)解耦；并確定產(chǎn)生異模振蕩的條件；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生異模振蕩時，求取發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點；獲取不包含機(jī)械阻尼的純電氣阻尼；測量異模振蕩的總阻尼，后計算機(jī)械阻尼。本發(fā)明解決了常用的機(jī)械阻尼參數(shù)的獲得方法存在的問題。
文檔編號H02J3/38GK102157953SQ20111000328
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月7日
發(fā)明者張鵬, 楊奇遜, 畢天姝, 肖仕武, 薛安成 申請人:華北電力大學(xué)