專利名稱：用于附加勵(lì)磁阻尼控制器的發(fā)電機(jī)組軸系扭振模態(tài)的檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩和火力發(fā)電廠發(fā)生汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振 的監(jiān)測(cè)、分析、保護(hù)和控制。
背景技術(shù)：
次同步振蕩(SSO)是電力系統(tǒng)的一種危害極大的特殊振蕩方式，其振蕩頻率為2 48Hz。產(chǎn)生次同步振蕩的原因較為復(fù)雜，通常包括發(fā)電廠經(jīng)長(zhǎng)距離輸電線路向電網(wǎng)供 電，輸電線路采用串聯(lián)補(bǔ)償技術(shù)(包括可控串補(bǔ)TCSC)提高輸送功率、發(fā)電廠經(jīng)交直流 混合輸電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電以及采用電力電子技術(shù)的輸電系統(tǒng)中。次同步振蕩的危害表現(xiàn)為發(fā)電廠側(cè)發(fā)生機(jī)電暫態(tài)振蕩，機(jī)械能與電能在發(fā)電機(jī)軸系產(chǎn) 生扭振，恰恰由于扭振發(fā)生的頻率和發(fā)電機(jī)組軸系的機(jī)械頻率十分接近，導(dǎo)致在發(fā)電機(jī)組 軸系機(jī)械特性的頻率發(fā)生諧振，對(duì)發(fā)電機(jī)組軸系產(chǎn)生巨大危害，最終導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組軸系扭 斷的重大安全事故。目前國(guó)內(nèi)發(fā)電廠和電力系統(tǒng)沒(méi)有專門安裝識(shí)別檢測(cè)次同步振蕩或軸系扭振(電網(wǎng)次同 步振蕩在發(fā)電廠的表現(xiàn)為機(jī)組軸系扭振)的裝置或技術(shù)手段，在國(guó)內(nèi)已經(jīng)發(fā)生多起不明原 因的汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭斷的事故。次同步阻尼控制器SSODC是抑制發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)發(fā) 生次同步振蕩(SSO)的有效手段之一。目前只有美國(guó)GE公司和中國(guó)四方公司擁有該項(xiàng) 產(chǎn)品。SSODC能夠通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的控制，提高發(fā)電機(jī)組在發(fā)生次同步振蕩時(shí)的電氣 阻尼，從而抑制激發(fā)出來(lái)的次同步振蕩，達(dá)到保護(hù)發(fā)電機(jī)軸系的目的。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明介紹了一種有效適用于次同步阻尼控制器(SS0DC)的模態(tài)檢測(cè)方法，該 技術(shù)能夠從發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)中實(shí)時(shí)、可靠提取出發(fā)電機(jī)組軸系扭振模態(tài)，并具有自 適應(yīng)的線性相移特性和理想的可靠性，并且能夠簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明釆用如下技術(shù)方案在發(fā)電機(jī)組軸系頭部或尾部安裝轉(zhuǎn)速傳感器，當(dāng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)速脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化信號(hào)dw;將所述發(fā)電機(jī)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化信號(hào)dw，依次通過(guò)其它模態(tài)的窄帶阻波器、50HZ窄帶阻波器和待求模態(tài)的具有線性相移和寬帶通特性的帶通濾波器組即主濾波器，獲得線性相移的模態(tài)輸出信號(hào)dwk;將所述發(fā)電機(jī)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化信號(hào)dw，依次通過(guò)其它模態(tài)的窄帶阻波器、 50HZ窄帶阻波器和待求模態(tài)的具有窄帶通特性的帶通濾波器組即啟動(dòng)濾波器，獲得 幅值可靠的模態(tài)輸出信號(hào)dwkqd;實(shí)時(shí)將前述的幅值可靠的模態(tài)輸出信號(hào)dwkqd的幅值與設(shè)定的啟動(dòng)值比較，當(dāng)所 述幅值可靠的模態(tài)輸出信號(hào)dwkqd的幅值大于所述啟動(dòng)值時(shí)，認(rèn)為線性相移的模態(tài)輸 出信號(hào)dwk信號(hào)計(jì)算有效，所述線性相移的模態(tài)輸出信號(hào)dwk信號(hào)將作為次同步阻尼 控制器(SS0DC)的控制輸入，在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中產(chǎn)生與機(jī)械扭矩相反的電磁扭矩， 進(jìn)而抑制扭振的發(fā)生。本發(fā)明給出了一種應(yīng)用于次同步阻尼控制器(SSODC)的次同步振蕩模態(tài)檢測(cè)方法， 該方法采用組合濾波器組同時(shí)獲得線性相移特性和高可靠性。該方法用于SSODC裝置， 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的扭振模態(tài)計(jì)算，作為SSODC的調(diào)節(jié)輸入信號(hào)，通過(guò)SSODC的控制作用于發(fā) 電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)，產(chǎn)生抑制發(fā)電機(jī)組軸系扭振的電氣阻尼，保證了發(fā)電機(jī)組在發(fā)生小擾動(dòng) 下激發(fā)扭振的機(jī)組安全性，同時(shí)提高了發(fā)電廠的功率送出能力，節(jié)省了數(shù)以億計(jì)的發(fā)電廠 功率送出的建設(shè)投資。


圖1示意了典型600麗汽輪發(fā)電機(jī)組軸系集中質(zhì)量模型及轉(zhuǎn)速傳感器和SSODC裝 置的接線示意圖；圖2示意了從機(jī)組軸系轉(zhuǎn)速變化信號(hào)dw中分解3個(gè)模態(tài)頻率的示意圖；圖3示意了具有線性相移特性的帶通濾波器的幅頻/相頻特性，其中上圖是幅頻 特性、下圖是相頻特性；圖4示意了具有窄帶通特性的帶通濾波器的幅頻/相頻特性，其中上圖是幅頻特 性、下圖是相頻特性；圖5示意了采用主濾波器、啟動(dòng)濾波器、窄帶阻波器相結(jié)合的3個(gè)模態(tài)計(jì)算的處 理流程。
具體實(shí)施方式
以下根據(jù)說(shuō)明書附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說(shuō)明。本發(fā)明介紹了一種有效適用于次同步阻尼控制器(SSODC)的模態(tài)檢測(cè)方法，該 技術(shù)能夠從發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)中實(shí)時(shí)、可靠提取出發(fā)電機(jī)組軸系扭振模態(tài)，并具有自 適應(yīng)的線性相移特性和理想的可靠性，作為次同步阻尼控制器(SSODC)的控制輸入，在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中產(chǎn)生與機(jī)械扭矩相反的電磁扭矩，進(jìn)而抑制扭振的發(fā)生并且能夠 簡(jiǎn)單方便的實(shí)現(xiàn)。1. 模態(tài)及模態(tài)濾波模態(tài)是指汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的固有頻率。當(dāng)發(fā)生汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振時(shí)，扭振 能量主要集中于軸系的幾個(gè)固有頻率上。2. 汽輪發(fā)電機(jī)組軸系模型和傳感器汽輪發(fā)電機(jī)組軸系模型和傳感器的安裝如圖l所示以我國(guó)目前的主力發(fā)電機(jī)組 60簡(jiǎn)W汽輪發(fā)電機(jī)組為例，汽輪發(fā)電機(jī)組由高中壓合缸、低壓缸A、低壓缸B、發(fā)電 機(jī)共4個(gè)集中質(zhì)量塊構(gòu)成，有3段軸連接上述4個(gè)集中質(zhì)量塊，依次為高中合缸和低 壓缸A的軸段、低壓缸A和低壓缸B的軸段、低壓缸B和發(fā)電機(jī)的軸段。測(cè)量模態(tài)的 傳感器安裝在軸系的頭部(高中合缸側(cè))或尾部(發(fā)電機(jī)側(cè))。在汽輪發(fā)電機(jī)組軸系的頭部或尾部安裝轉(zhuǎn)速測(cè)量齒盤，國(guó)內(nèi)通常為60齒或134 齒。本專利選擇安裝霍爾傳感器，為了加強(qiáng)信號(hào)采集和特征提取的可靠性，可以安裝 冗余的兩支傳感器。當(dāng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，傳感器將發(fā)出脈沖，而每個(gè)脈沖的到來(lái)時(shí)刻(上 升沿時(shí)刻)反映了軸系的轉(zhuǎn)速情況，包括了角速度相對(duì)于同步轉(zhuǎn)速的變化情況。3. 模態(tài)求解過(guò)程軸系扭振的模態(tài)特征可以從傳感器的轉(zhuǎn)速信號(hào)中求解，算法如下1) 實(shí)時(shí)采集計(jì)算傳感器發(fā)出的每個(gè)脈沖上升沿時(shí)刻，U,t2,t3, ...,tk...;2) 實(shí)時(shí)計(jì)算軸系轉(zhuǎn)速的變化dw， dwl, dw2， dw3, dwk...;3) 實(shí)時(shí)計(jì)算dw中的模態(tài)分量。以國(guó)內(nèi)典型的600匿汽輪發(fā)電機(jī)組為例，該類型 機(jī)組軸系可以等效為由4個(gè)集中質(zhì)量塊和3段軸系組成的集中質(zhì)量模型，4 個(gè)集中質(zhì)量塊的軸系通常有3個(gè)模態(tài)，圖2示意了 dw經(jīng)過(guò)3個(gè)特殊帶通濾波 器組分解得到模態(tài)l、模態(tài)2、模態(tài)3的瞬時(shí)值dwl(k)， dw2(k)， dw3(k)。4. 設(shè)計(jì)模態(tài)濾波器組的原則1) 高可靠性。發(fā)電機(jī)組和電網(wǎng)發(fā)生次同步振蕩是小概率事件。汽輪發(fā)電機(jī)組的 工作環(huán)境有強(qiáng)大的電磁干擾，包括發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁大功率電氣環(huán)節(jié)，必需保證 計(jì)算扭振模態(tài)的濾波器組有良好的選頻特性，能夠?yàn)V除干擾的影響，也能夠 有效防止不同模態(tài)信號(hào)之間的泄漏和混疊。2) 線性相移。模態(tài)信號(hào)將作為次同步阻尼控制器(SSODC)的控制輸入，次同步 阻尼控制器(SSODC)根據(jù)各模態(tài)的相位關(guān)系輸出控制信號(hào)，從而快速在發(fā)電 機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中產(chǎn)生與機(jī)械扭矩相反的電磁扭矩，進(jìn)而抑制扭振的發(fā)生。3) 模態(tài)頻率誤差的影響。軸系扭振模態(tài)的確定一般采用現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)組做小擾動(dòng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)扭振信號(hào)的模態(tài)，通常存在一定誤差(0.1Hz以內(nèi))；另外，發(fā)電機(jī)組 在不同工況下軸系自身的固有頻率有微小變化。這些都要求模態(tài)濾波器組對(duì) 模態(tài)頻率微小變化有一定的適應(yīng)能力。 5.設(shè)計(jì)具有良好線性相移特性和寬帶通特性的帶通濾波器組作為主濾波器1) 寬帶通特性濾波器的幅頻、相頻特性如圖3所示(以中心頻率為16Hz為例)， 此濾波器設(shè)計(jì)的效果能夠保證在中心頻率附近由于頻率的微小波動(dòng)而引起的 相位誤差處于一個(gè)合理的范圍內(nèi)，這一點(diǎn)對(duì)于SS0DC基于采樣數(shù)據(jù)的調(diào)節(jié)很 關(guān)鍵，直接影響了 SSODC輸出的調(diào)節(jié)效果。2) 通過(guò)窄帶帶阻濾波抑制其它模態(tài)的泄漏。3) 對(duì)所計(jì)算的模態(tài)頻率做帶通濾波，對(duì)其它模態(tài)頻率和50Hz做帶阻濾波處理。4) 下面給出一個(gè)帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法 濾波器的選擇以巴特沃思濾波器為條件(1) 確定數(shù)字通帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)。fpl:通帶低頻率(Hz); fp2:通帶高頻率(Hz);fsl:阻帶低頻率(Hz); fs2:阻帶高頻率(Hz); fs:采樣頻率(Hz); 求數(shù)字角頻率指標(biāo) Wpl = 2*pi* fpl/fs/ Wp2 = 2*pi* fp2/fs,' Wsl = 2*pi* fsl/fs', Ws2 = 2*pi* fs2/fs,'(2) 將數(shù)字帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為模擬帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo) 采用雙線性變換法Q = 2*fs*tan (w/2) 分別用下面的公式求出對(duì)應(yīng)的模擬角頻率Qpl = 2*fs*tan(Wpl/2)/ Qp2 = 2*f s*tan (Wp2/2) Qsl = 2*fs*tan (Wsl/2) Qs2 = 2*f s*tan (Ws2/2),. QLp = l'.OLs = (Qs2*Qs2-Qpl*Qp2)/((Qp2-Qpl〉* Qs2);(3) 由指定的阻帶邊緣增益dB確定阻帶邊緣增益5s;(4) 確定所需濾波器階數(shù)NN》lg(l/(5s*5s) - 1)/2* lg(QLs/QLp)(5) 根據(jù)N確定巴特沃思模擬低通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H (S)(6) 轉(zhuǎn)換成模擬帶通濾波器的系統(tǒng)函數(shù)H1 (S)(7)把上式z變換進(jìn)行離散化。6. 設(shè)計(jì)具有良好的窄帶通特性的帶通濾波器作為啟動(dòng)濾波器 窄帶帶通濾波器具有很好的頻率免疫性能?？煽啃愿?。從圖4窄帶帶通濾波器的幅頻和相頻特性進(jìn)行可以看出，濾波器的通帶范圍為左右0. lHz，超出范圍衰減很快。 使用這樣的濾波器可以有效的阻止其他頻率的干擾信號(hào)通過(guò)，從而作為啟動(dòng)條件大大 提高模態(tài)識(shí)別、特征提取的可靠性，這一點(diǎn)對(duì)于投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的設(shè)備來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵的。1) 窄帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法和上面的帶通濾波器設(shè)計(jì)方法一致，但是對(duì)于濾 波器的阻尼系數(shù)要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷?。然后再進(jìn)行仿真分析幅頻、相頻特性， 直到選取的參數(shù)合適為止。2) 對(duì)所計(jì)算的模態(tài)頻率做帶通濾波，對(duì)其它模態(tài)和50Hz做帶阻濾波處理。7. 應(yīng)用組合濾波器組的模態(tài)計(jì)算方法綜合考慮模態(tài)計(jì)算的可靠性和線性相移特性，本發(fā)明的模態(tài)計(jì)算方法采用下面的 組合濾波器組實(shí)現(xiàn)(如圖5所示)1) 從dw信號(hào)中，通過(guò)寬帶通特性的主濾波器和其它模態(tài)的窄帶阻波器配合，獲 得線性相移的模態(tài)輸出信號(hào)dwk;2) 從dw信號(hào)中，通過(guò)窄帶通特性的啟動(dòng)濾波器和其它模態(tài)的窄帶阻波器配合， 獲得幅值可靠的模態(tài)輸出信號(hào)dwkqd;3) 在dwkqd幅值超過(guò)設(shè)定門檻時(shí)，認(rèn)為dwk信號(hào)計(jì)算有效，dwk作為模態(tài)參與 SSODC的控制。8. 對(duì)于dw原始數(shù)據(jù)的處理要達(dá)到如前所述濾波器的設(shè)計(jì)效果，F(xiàn)IR濾波器的階次比較高，在微處理器上實(shí)現(xiàn)不 現(xiàn)實(shí)，所以使用的濾波器都是釆用IIR濾波器?？紤]到巴特沃思濾波器的衰減時(shí)滯性，必 須對(duì)于濾波器的輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，特別是對(duì)于一些突變干擾數(shù)據(jù)，因?yàn)闆_激響應(yīng)的頻 帶是通帶，所以本發(fā)明基于模態(tài)信息對(duì)于dw的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，處理的措施包括1) 針對(duì)實(shí)際情況下發(fā)電機(jī)軸系在各個(gè)模態(tài)下的最大扭角，chv信號(hào)進(jìn)行限幅措施，如 果越限，認(rèn)為該數(shù)據(jù)為干擾數(shù)據(jù)，剔除該數(shù)據(jù)。2) 為了提高判斷的準(zhǔn)確性，基于各個(gè)模態(tài)對(duì)于dw的變化率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別比 較采樣間隔數(shù)據(jù)的變化特征，以此來(lái)剔除干擾數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1、一種檢測(cè)汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振模態(tài)用于控制同步阻尼控制器抑制扭振的方法，該方法包括步驟1)在發(fā)電機(jī)組軸系頭部或尾部安裝轉(zhuǎn)速傳感器，當(dāng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)速脈沖實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)電機(jī)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化信號(hào)(dw)；2)將所述發(fā)電機(jī)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化信號(hào)(dw)，依次通過(guò)其它模態(tài)的窄帶阻波器、50HZ窄帶阻波器和待求模態(tài)的具有線性相移和寬帶通特性的帶通濾波器組即主濾波器，獲得線性相移的模態(tài)輸出信號(hào)(dwk)；3)將所述發(fā)電機(jī)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化信號(hào)(dw)，依次通過(guò)其它模態(tài)的窄帶阻波器、50HZ窄帶阻波器和待求模態(tài)的具有窄帶通特性的帶通濾波器組即啟動(dòng)濾波器，獲得幅值可靠的模態(tài)輸出信號(hào)(dwkqd)；4)實(shí)時(shí)將前述的幅值可靠的模態(tài)輸出信號(hào)(dwkqd)的幅值與設(shè)定的啟動(dòng)值比較，當(dāng)所述幅值可靠的模態(tài)輸出信號(hào)(dwkqd)的幅值大于所述設(shè)定的啟動(dòng)值時(shí)，判斷線性相移的模態(tài)輸出信號(hào)(dwk)信號(hào)計(jì)算有效，所述線性相移的模態(tài)輸出信號(hào)(dwk)信號(hào)將作為次同步阻尼控制器(SSODC)的控制輸入，在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中產(chǎn)生與機(jī)械扭矩相反的電磁扭矩，進(jìn)而抑制扭振的發(fā)生。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的方法，其特征為，基于模態(tài)信息對(duì)于所采集的發(fā)電機(jī)軸系轉(zhuǎn) 動(dòng)角速度的變化信號(hào)(clw)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理針對(duì)實(shí)際情況下發(fā)電機(jī)軸系在各個(gè)模態(tài)下的最大扭角，對(duì)所述轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化信號(hào) (dw)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行限幅，如果越限，則判斷該數(shù)據(jù)為千擾數(shù)據(jù)，剔除該數(shù)據(jù)；基于各個(gè)模態(tài)對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化信號(hào)(dw)的變化率對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別比 較采樣間隔數(shù)據(jù)的變化特征，以此來(lái)剔除干擾數(shù)據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及發(fā)電廠和電力系統(tǒng)發(fā)生次同步振蕩(SSO)時(shí)的從發(fā)電機(jī)組側(cè)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和計(jì)算次同步振蕩模態(tài)的方法，公開(kāi)了通過(guò)主濾波器、啟動(dòng)濾波器和窄帶阻波濾波器組相結(jié)合得到汽輪發(fā)電機(jī)組軸系扭振模態(tài)的方法，該方法通過(guò)安裝在發(fā)電機(jī)組軸系的轉(zhuǎn)速傳感器的轉(zhuǎn)速脈沖計(jì)算出發(fā)電機(jī)軸系的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的變化(dw)，經(jīng)過(guò)主濾波器和窄帶阻波濾波器相結(jié)合的寬帶濾波器組算法計(jì)算獲得具有線性相移的發(fā)電機(jī)組軸系扭振各模態(tài)的瞬時(shí)值；將dw信號(hào)經(jīng)過(guò)啟動(dòng)濾波器和窄帶阻波濾波器相結(jié)合作為模態(tài)啟動(dòng)條件。該方法用于能夠抑制次同步振蕩(SSO)的汽輪發(fā)電機(jī)組次同步阻尼控制器(SSODC)中。
文檔編號(hào)G01M7/00GK101221085SQ20081005573
公開(kāi)日2008年7月16日 申請(qǐng)日期2008年1月8日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月8日
發(fā)明者常富杰, 濤 張, 徐振宇, 焦邵華 申請(qǐng)人:四方電氣(集團(tuán))有限公司;北京四方博能自動(dòng)化設(shè)備有限公司