發電機組次同步阻尼控制器的制作方法

專利名稱：：發電機組次同步阻尼控制器的制作方法
技術領域：
：本發明涉及電力系統、大型發電廠，需要汽輪發電機組、水輪發電機組或有勵磁裝備的其他機組的次同步振蕩的抑制應用，尤其涉及一種發電機組次同步阻尼控制裝置。
背景技術：
：隨著電力工業的發展，大容量電源和遠距離輸電技術得到越來越多的應用。為了節省輸電走廊和建設投資，大容量發電廠遠距離向區域電網供電越來越多采用串聯補償技術提高輸送能力。另一方面，直流輸電系統在我國得到廣泛應用，交直流混合輸電技術正在成為三峽送出系統、華中、南方電網的主要高壓輸電網絡。在串聯補償技術和交直流混合輸電技術應用的同時，由于LC諧振和電力電子非線性元件導致的次同步(頻率在2Hz48Hz)振蕩問題成為危害電網和發電機組運行安全的新問題和新焦點。如何增加控制措施和控制設備減少乃至消除次同步振蕩對電網和發電廠的危害是當前電力行業的重大技術課題之一。在發電機組穩定運行過程中，汽輪機的機械驅動扭矩與發電機的電磁制動扭矩保持平衡。在發生機電擾動時，汽輪機驅動轉矩和發電機電磁制動轉矩之間失去平衡，造成機電系統耦合。次同步諧振是機電系統的一種自激振蕩狀態，即電網在低于系統同步頻率的一個或幾個頻率下與汽輪發電機進行能量交換。設電網的電氣振蕩頻率為/:，電網的同步頻率為/w，軸系機械系統的某階扭振固有頻率為/,。若/,=厶—,，電氣系統將出現負阻尼的振蕩狀態，軸系頻率厶所對應的主振型的振幅將逐漸放大，最終使轉子損傷，甚至造成毀機。次同步機電共振產生的主要原因在于感應發電機效應、機電扭矩之間相互作用以及作為上述兩種作用疊加結果的暫態扭矩放大。因此消除和預防可能產生次同步機電共振的上述三個原因是抑制次同步機電共振的關鍵。本專利申報材料介紹一種發電機組次同步阻尼控制裝置SSODC。測量機端角速度變化量，對其進行帶通濾波分離后分別進行比例移相后，疊加輸入勵磁調節器，調節發電機的勵磁電壓、電流，以增加對SSO的阻尼。應用此方案抑制扭振相對于加設阻塞濾波器或改進發電機與系統結構等方案最直接也最經濟。
發明內容本發明涉及一種發電機組次同歩阻尼控制裝置，可實現對發電機組次同步機電共振的抑制，避免振蕩對發電機組軸系造成的損傷。裝置通過采集的次同步sso信號，經過控制處理，轉變為勵磁繞組的勵磁電壓控制信號，通過勵磁繞組產生相應的勵磁電流，形成次同步頻率下的電磁轉矩，通過這個轉矩對次同歩振蕩起到抑制作用。通過產生發電機電磁阻尼扭矩實現抑制汽輪發電機組軸系扭振的裝置，包括一個脈沖量輸入模塊PI、一個主控模塊CM和模擬量輸出模塊AO;所述脈沖量輸入模塊PI用來檢測機端角速度變化量，并通過濾波環節得到次同步模態信號；所述主控模塊CM用于接收脈沖量輸入模塊PI的輸出信號并對各模態信號分別進行并行處理，再疊加生成控制信號；所述模擬量輸出模塊AO用于接收主控制模塊CM的控制信號，將其轉化為420mA的電流信號，并將該信號注入發電機勵磁系統從而產生次同步頻率電磁扭振，通過產生的所述的電磁扭振這個轉矩實現對次同歩振蕩的抑制作用。1、PI模塊檢測機端角速度變化量在本裝置中，采用發電機軸速度與標準轉速差的標幺值作為發電機組次同步阻尼控制裝置的反饋信號，稱為機端角速度變化量，用Affl表示。應用非接觸傳感器感應隨軸轉動的齒輪產生的脈沖信號，將脈沖信號解調得到機端角速度變化量，機端角速度變化量Aw中含有多個頻率的振動分量。2、PI模塊模態濾波器次同步諧振SSO是外加激勵扭矩的頻率與軸系的某階固有扭振頻率合拍而產生共振，使主軸的扭轉振動迅速增大，從而導致主軸的剪切損壞。所以為了抑制汽輪發電機組軸系的扭轉共振，就需要對次同步諧振頻率信號進行抑制。這需要先對機端角速度變化量Aw進行濾波，得到與轉子的固有扭振頻率相應的振動分量。濾波環節包括一個低通濾波器、一個高通濾波器和對各個次同步模態信號分別進行濾波的帶通濾波器。低通濾波器傳遞函數為1十Ww,.+(6'/<^〉高通濾波器傳遞函數為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>帶通濾波器傳遞函數為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>分離出各個扭振模態信息后，可進而實施獨立模態控制。以上濾波器方案在模態頻率由一定的測量誤差和波動范圍時，能較好的濾出所關注的模態頻率信號，有效的組織其他模態信號和噪聲通過，產生的相位偏移適當且在模態頻率波動時變化不大。3、各模態轉速信號控制處理比例移相是決定SSODC控制效果的關鍵環節，SSODC控制規律由主控模塊CM實現。主控模塊的控制規律采用分離模態控制，通過對發電機實際轉速進行采樣、濾波，得到相應SSO模態下的轉速信號后，對各模態轉速信號分別進行處理，將所有處理后的信號疊加得到SSODC控制號。主控模塊CM中控制規律的實現分為以下四點1)、對各模態SSO信號的比例移相處理。2)、對各模態SSO信號進行比例移相處理后，分別限值。對模態一SSO信號，通過限幅1環節進行處理，對模態二SSO信號，通過限幅2環節進行處理，對模態三SSO信號，通過限幅3環節進行處理，其中，對各個單一模態的限值作用為可選。3)、將各模態SSO信號進行比例、移相、限值處理后進行疊加。SSODC的控制作用是由各模態信號線性疊加共同實現。4)、疊加生成的SSODC信號進行輸出限值。4、控制參數的自適應措施系統運行方式的多變導致一些對SSO有關鍵影響的參數，如軸系機械阻尼、總串補度等有較大的變動范圍。為了實現控制參數的自適應性，把握SSODC的阻尼控制效果與運行方式參量(機組出力、串補度、重要線路的投切等)及對應的最佳比例移相環節參數之間的關系特征。將各模態的比例移相環節參數K、Tl、T2、T3、T4作為定值，放入主控模塊(CM)的不同定值區，根據SSODC的阻尼控制效果與運行方式參量的對應關系，取得目前機組的運行情況信息，自動切換到相應的定值區。參數經過優化設計，可達到在考慮勵磁頂值、對常規勵磁功能的影響、控制參數范圍的魯棒性等約束條件下，使得SSODC控制參數能在所涵蓋的運行方式下盡量提高模態阻尼，保證各個扭振模態具有足夠的穩定裕度。5、控制信號輸出模擬量輸出模塊(AO)輸出控制信號送往勵磁系統，疊加到勵磁調節器的原控制信號上。對于晶閘管控制的整流橋勵磁系統，控制量為晶閘管的開關角度，SSODC的輸出刻意轉換這個調度，控制整流橋在勵磁繞組上產生次同歩頻率電壓和電流，進而形成次同歩頻率的電磁轉矩，對軸系的SSO起到阻尼作用。SSODC產生的附加控制信號可根據實際情況在AVR輸出處或在PSS接入處與原有控制信號進行組合。該裝置能夠實時、準確測量并解調出汽輪發電機組的模態扭振信號，通過控制信號作用到勵磁系統，增加發電機組的次同步阻尼。隨著大容量汽輪發電機組和遠距離大容量輸電技術的應用，在機組和電網中發生次同步振蕩SSO的情況越來越嚴重，發電機組次同步阻尼控制裝置是抑制次同歩振蕩的一個有效手段。本裝置實現了對發電機組次同步阻尼的控制，對解決發電廠和電網的次同步振蕩問題具有重大意義。圖l.l、圖1.2、圖1.3示意了機端傳感器測量的脈沖信號及經解調得到的機端角速度變化量Aw信號，其中圖1.1為轉子做勻速轉動時，傳感器輸出的均勻脈沖波；圖1.2為轉子存在振動時，傳感器輸出為疏密相間的脈沖波；圖1.3為將脈沖量解調得到機端角速度變化量A^;圖2為PI模塊模態濾波示意圖；圖3為主控模塊CM控制規律實現示意圖；圖4為CM中實現控制規律的邏輯圖；圖5.1、圖5.2和圖5.3示意了在外加激勵信號，激發機組扭振，未施加SSODC作用，檢測解調得到各個模態的采樣值。其中圖5.1為模態一機端角速度變化值A^1;圖5.2為模態二機端角速度變化值A^2;圖5.3為模態三機端角速度變化值A^3;圖6.1、圖6.2和圖6.3示意了在外加激勵信號，激發機組扭振，施加SSODC作用，檢測解調得到各個模態的采樣值，其中圖6.1為模態一機端角速度變化值A^1;圖6.2為模態二機端角速度變化值A^2;圖6.3為模態三機端角速度變化值A^3;圖7為SSODC抑制效果對比示意圖；圖8為SSODC裝置結構示意圖；圖9為發電機組次同步阻尼控制裝置接線示意圖。具體實施方式下面根據附圖表和實施例對本發明做進一步詳細說明。本裝置的工作過程為采集機端角速度變化量,通過模態濾波解調出機端各模態角速度變化瞬時值，獲取各個扭振模態的振蕩分量。經過比例移相處理和通道限幅后，得到相應模態的控制信號，相加后形成總的控制輸出，經總的限幅后疊加到勵磁調節器的原控制信號上，控制整流橋在勵磁繞組上產生次同步頻率電壓和電流，進而形成次同步頻率的電磁轉矩，通過這個轉矩對次同步振蕩起到抑制作用。裝置結構如圖8所示，裝置實際應用接線如圖9所示。1、PI模塊檢測機端角速度變化量應用非接觸傳感器感應隨軸轉動的齒輪產生的脈沖信號。每個齒經過傳感器時，產生一個脈沖信號。當轉子做勻速轉動時，脈沖串位置反映了各齒在齒輪圓周上的排列位置。傳感器輸出的為均勻的脈沖波，其基本頻率為S申N(S為轉速頻率，N為齒輪齒數)，如圖1.1。當轉子存在振動時，各脈沖的位置發生了變化，振動使得脈沖信號發生了相位移，輸出為疏密相間的脈沖波，如圖1.2。提取這種相位移，就得到振動的一組采樣值，上面的脈沖串攜帶了軸旋轉運動的全部信息。應用以下公式，則可將脈沖量解調得到機端角速度變化量。100*;r*t/,+A/3000+Aw*&=0其中dt為實測齒輪兩齒間形成的脈沖周期與標準脈沖周期之差。Aw即為機端角速度變化量。脈沖波解調后獲得角速度變化量如圖1.3所示。設轉子發生單一頻率的簡諧扭振時,某一截面的角位移為式中a為振動角頻率，a和e為該截面處的振幅和初相位。如果以穩定轉速工作的轉子,當其受到周期性激振力矩時,轉子的扭振包含不同頻率和幅值的簡諧分量，這時有--0)=+IXsinKf+《)軸旋轉運動的角速度為軸的平均角速度與扭振角速度的迭加w=+X!4%cos(^y+《)則機端角速度變化量A=J]4acos(J+A)k式中分別表示第K個振動分量的對應參數。機端角速度變化量Aw中含有多個頻率的振動分量。次同步諧振SSO是外加激勵扭矩的頻率與軸系的某階固有扭振頻率合拍而產生共振，使主軸的扭轉振動迅速增大，從而導致主軸的剪切損壞。所以為了抑制汽輪發電機組軸系的扭轉共振，就需要對次同步諧振頻率信號進行抑制。這需要先對機端角速度變化量Aw進行濾波，得到與轉子的固有扭振頻率相應的振動分量。4、PI模塊模態濾波器由1得軸旋轉運動的機端角速度變化量為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>對于多模態SSO，采用模態濾波器從Aw信號中分離出各個扭振模態信息，濾波器如圖2所示。其中低通濾波器傳遞函數為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>高通濾波器傳遞函數為外)=^^帶通濾波器傳遞函數為=_^￡__l+(由別)2__l+0/)2分離出各個扭振模態信息后，可進而實施獨立模態控制。以上濾波器方案在模態頻率由一定的測量誤差和波動范圍時，能較好的濾出所關注的模態頻率信號，有效的組織其他模態信號和噪聲通過，產生的相位偏移適當且在模態頻率波動時變化不大。5、各模態轉速信號控制處理比例移相是決定SSODC控制效果的關鍵環節，SSODC控制規律由主控模塊(CM)實現。主控模塊的控制規律采用分離模態控制，通過對發電機實際轉速進行采樣、濾波，得到相應SSO模態下的轉速信號后，對各模態轉速信號分別進行處理，將所有處理后的信號疊加得到SSODC控制號。如圖3所示。CM中控制規律的實現分為以下四點1)、對各模態SSO信號的比例移相處理。增益/移相環節傳遞函數為1+7>(1+7>J對模態一角速度變化量Awl，通過增益/移相環節1進行處理，對模態二角速度變化量A2，通過增益/移相環節2進行處理，對模態三角速度變化量A份3，通過增益/移相環節3進行處理，其中K為比例系數Tl為超前時間常數T3為超前時間常數T2為滯后時間常數T4為滯后時間常數2)、對各模態SSO信號進行比例移相處理后，分別限值。對模態一SSO信號，通過限幅l環節進行處理，對模態二SSO信號，通過限幅2環節進行處理，對模態三SSO信號，通過限幅3環節進行處理，其中，對各個單一模態的限值作用為可選。3)、將各模態SSO信號進行比例、移相、限值處理后進行疊加。SSODC的控制作用是由各模態信號線性疊加共同實現。4)、疊加生成的SSODC信號進行輸出限值。4、控制參數的自適應措施系統運行方式的多變導致一些對SSO有關鍵影響的參數，如軸系機械阻尼、總串補度等有較大的變動范圍。為了實現控制參數的自適應性，把握SSODC的阻尼控制效果與運行方式參量(機組出力、串補度、重要線路的投切等)及對應的最佳比例移相環節參數之間的關系特征。將各模態的比例移相環節參數K、Tl、T2、T3、T4作為定值，放入主控模塊(CM)的不同定值區，根據SSODC的阻尼控制效果與運行方式參量的對應關系，取得目前機組的運行情況信息，自動切換到相應的定值區。參數經過優化設計，可達到在考慮勵磁頂值、對常規勵磁功能的影響、控制參數范圍的魯棒性等約束條件下，使得SSODC控制參數能在所涵蓋的運行方式下盡量提高模態阻尼，保證各個扭振模態具有足夠的穩定裕度。6、控制信號輸出模擬量輸出模塊(AO)輸出控制信號送往勵磁系統，疊加到勵磁調節器的原控制信號上。對于晶閘管控制的整流橋勵磁系統，控制量為晶間管的開關角度，SSODC的輸出刻意轉換這個調度，控制整流橋在勵磁繞組上產生次同步頻率電壓和電流，進而形成次同歩頻率的電磁轉矩，對軸系的SSO起到阻尼作用。SSODC產生的附加控制信號可根據實際情況在AVR輸出處或在PSS接入處與原有控制信號進行組合。以國內某電廠600MW汽輪發電機組為例。已知汽輪發電機組機電系統特征頻率如下:<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>PI模塊采集機端角速度變化值Aw，經模態濾波，得到三個次同步模態A"1、A"2、模態濾波過程如圖2所示，低通濾波器參數設置為％=2;r40高通濾波器參數設置為=2;r10帶通濾波器1的參數設置為《,,=2;r.l6，wfll=2;r.26，^2=2tt-30帶通濾波器2的參數設置為w=2;r.26，wfll=2;r.l6，wS2=2;r-30帶通濾波器3的參數設置為％=2;r'30，^^2;r.16，％2=2^26為驗證SSODC的抑制效果，對汽輪機組軸系外加一激勵信號，使其產生次同歩振蕩，不施加SSODC控制作用。激勵信號為26.1HZ,幅值相當于30%額定勵磁電壓，持續時間10s。經PI模塊檢測濾波后，得到三個模態的角速度變化值如圖5.1、圖5.2、圖5.3所示。其中圖5.1為模態一A"1采樣值；圖5.2為模態二A^2采樣值;圖5.3為模態三Aw3采樣值；橫坐標為時間，記錄時間為60S。縱坐標為角速度變化值的標幺值。由圖可知，26.1HZ模態扭振信號幅值最大，其他兩個模態扭振信號可基本忽略不計。將各個扭振模態的振蕩分量經過比例移相處理和通道限幅后，得到相應模態的控制信號，控制規律示意圖如圖3所示。圖4為主控模塊(CM)中實現控制規律的邏輯圖。其中比例/移相1的參數設置為k=120,T1=T3=-0.01928,T2=T4=0.01928比例/移相2的參數設置為k=-200,T1=T3=-0.002852,T2=T4=0.002852比例/移相3的參數設置為:k=150,T1=T3=-0.01270,T2=T4=0.01270對汽輪機組軸系外加一激勵信號，使其產生次同步振蕩，同時施加SSODC控制作用。激勵信號為26.1HZ,幅值相當于30。/。額定勵磁電壓，持續時間10s。激勵信號結束后加入SSODC的控制作用，持續時間10s.經PI模塊檢測濾波后，得到三個模態的角速度變化值如圖6.1、圖6.2、圖6.3所示。其中圖6.1為模態一Aw!采樣值；圖6.2為模態二A"2采樣值；圖6.3為模態三AW3采樣值；橫坐標為時間，記錄時間為60S。縱坐標為角速度變化值的標幺值。由于施加的外激信號為26.1HZ,26.1HZ模態扭振信號幅值最大，其他兩個模態扭振信號可基本忽略不計。所以暫不考慮模態一、模態三，對比在施加SSODC控制作用之前，與施加控制作用之后，模態二26.1HZ的抑制效果。如圖7所示。可以明顯看出有SSODC作用時的A"值曲線包絡線比沒有SSODC作用時的Aw值曲線包絡線的收斂性質好，即軸系扭振的抑制效果好。由以上實施方式，可知本發明能夠實時、準確測量并解調出汽輪發電機組的模態扭振信號，通過控制信號作用到勵磁系統，增加發電機組的次同歩阻尼。隨著大容量汽輪發電機組和遠距離大容量輸電技術的應用，在機組和電網中發生次同步振蕩SSO的情況越來越嚴重，發電機組次同步阻尼控制裝置是抑制次同步振蕩的一個有效手段。本裝置實現了對發電機組次同步阻尼的控制，對解決發電廠和電網的次同步振蕩問題具有重大意義。權利要求1、一種通過產生發電機電磁阻尼扭矩實現抑制汽輪發電機組軸系扭振的裝置，包括一個脈沖量輸入模塊(PI)、一個主控模塊(CM)和模擬量輸出模塊(AO)；其特征為，所述脈沖量輸入模塊(PI)用來檢測機端角速度變化量，并通過濾波環節得到次同步模態信號；所述主控模塊(CM)用于接收脈沖量輸入模塊(PI)的輸出信號并對各模態信號分別進行并行處理，再疊加生成控制信號；所述模擬量輸出模塊(AO)用于接收主控制模塊(CM)的控制信號，將其轉化為4～20mA的電流信號，并將該信號注入發電機勵磁系統從而產生次同步頻率電磁扭振，通過產生的所述的電磁扭振這個轉矩實現對次同步振蕩的抑制作用。2、根據權利要求1所述的通過產生發電機電磁阻尼扭矩實現抑制汽輪發電機組軸系扭振的裝置，其特征為，采用發電機軸速度與標準轉速差的標幺值作為發電機組次同步阻尼控制裝置的反饋信號，稱為機端角速度變化量，用Aw表示，所述的脈沖量輸入模塊(PI)檢測機端角速度變化量Aw的過程采用非接觸測齒原理，將傳感器的脈沖信號解調為扭角位移信號。3、根據權利要求1所述的通過產生發電機電磁阻尼扭矩實現抑制汽輪發電機組軸系扭振的裝置，所說脈沖量輸入模塊(PI)的濾波環節包括一個低通濾波器、一個高通濾波器和對各個次同歩模態信號分別進行濾波的帶通濾波器。4、根據權利要求1所述的通過產生發電機電磁阻尼扭矩實現抑制汽輪發電機組軸系扭振的裝置，在主控制模塊(CM)中，所述的對各模態信號分別進行處理是通過增益/移相環節對各模態信號分別進行比例移相處理，其中，比例移相的控制參數可在線修改，具有自適應性。5、根據權利要求1所述的通過產生發電機電磁阻尼扭矩實現抑制汽輪發電機組軸系扭振的裝置，在主控制模塊(CM)中，對各模態信號分別進行比例移相處理后得到的值進行線性疊加，并對疊加后的信號進行高低限值處理，生成SSODC控制信號。6、根據權利要求1所述的通過產生發電機電磁阻尼扭矩實現抑制汽輪發電機組軸系扭振的裝置，其特征為，所述模擬量輸出模塊(AO)輸出控制信號送往勵磁系統，疊加到勵磁調節器的原控制信號上，對于晶閘管控制的整流橋勵磁系統，控制量為晶閘管的開關角度，SSODC控制信號的輸出轉換這個調度，控制整流橋在勵磁繞組上產生次同步頻率電壓和電流，進而形成次同歩頻率的電磁轉矩，對軸系的SSO起到阻尼作用，對次同步振蕩起到抑制作用。全文摘要本發明涉及一種發電機組次同步阻尼控制裝置。包括對機端角速度變化量進行檢測并進行濾波處理的脈沖量輸入模塊(PI)，檢測并解調出各次同步模態SSO信號；對各模態轉速信號進行分別處理，再疊加生成控制信號的控制模塊(CM)；輸出控制信號送往勵磁系統的模擬量輸出模塊(AO)。裝置通過采集的SSO信號，經過控制處理，轉變為勵磁繞組的勵磁電壓控制信號，通過勵磁繞組產生相應的勵磁電流，形成次同步頻率下的電磁轉矩，通過這個轉矩對次同步振蕩起到抑制作用。文檔編號H02J3/38GK101277018SQ200810057039公開日2008年10月1日申請日期2008年1月29日優先權日2008年1月29日發明者濤張,李元盛,李國寶,李英偉,梁新艷,焦邵華,謝小榮,郭錫玖申請人:北方聯合電力有限責任公司;四方電氣(集團)有限公司;清華大學