CN100593724C - 同时激发多台汽轮发电机组轴系扭振的同步扭振激励法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在大型火力发电厂的多台汽轮发电机组同时激发出机组轴系扭振的试验方法，公开了一种通过GPS对时实现的基于同步扭振激发装置的多台发电机组同步扭振的激发方法，通过同步扭振激发装置对各台发电机组发出与机组模态相同频率的同步扭振激励信号，作用于汽轮发电机组的励磁系统并通过励磁系统在汽轮发电机组中产生可控电气扭矩，进而同时在多台机组上激发轴系扭振，同时检测各发电机组轴系扭振强度，以确定机组轴系安全。该方法能够准确可控地在多台大型汽轮发电机组同步产生轴系扭振，为研究抑制次同步振荡(SSO)和次同步谐振(SSR)的各种措施的有效性和整定提供了试验手段。

Description

同时激发多台汽轮发电机组轴系扭振的同步扭振激励法
技术领域
本发明涉及电力系统、大型火力发电厂，需要汽轮发电机组的工业领域，与电力系统次同步振荡或次同步谐振相关的电力领域。
背景技术
大型火力汽轮机组技术是我国重大装备的关键设备之一，大功率机组的轴系具有轻质柔性、多支承、大跨距、高功率密度的特征，发电机材料利用系数提高，轴系截面功率密度相对增大，轴系的加长使扭转刚度下降，轴系固有频率谱相对较密，诱发振动的能量较低；同时电力系统的超高压远距离输电大量采用串补电容提高电网输电能力，以及新型采用电力电子元件的输配电和控制技术的应用，这些电网新技术可能导致产生次同步谐振(SSR)或次同步振荡(SSO)，SSR/SSO将可能导致发电机组发生严重的扭振，直至机组轴系断裂。其它可能诱发机组振动的潜在因素也日益增加，这些都使得机组轴系扭振问题越来越严重。
为了保护大型汽轮发电机组(300MW及以上机组)的轴系安全，避免出现大轴断裂等恶性生产事故，采用多种抑制扭振和次同步振荡或次同步谐振的措施，这些措施包括：
1.在发电厂装设阻塞滤波器装置(BF)，该装置能够将来自电网的次同步谐振电流滤波，进而保护发电机组；
2.在发电厂的机组上装设附加励磁阻尼控制器(SEDC)，该装置能够产生大功率的次同步谐振和次同步振荡的电气阻尼，进而降低机组的扭振幅度，保护机组；
3.在发电厂侧装设静止无功补偿器(SVC)，该装置能够产生大功率的无功来补偿电网次同步分量，进而保护机组。
这些抑制措施对保护发电厂机组安全非常重要，这些措施都需要针对具体电厂的实际参数进行整定和设置，如何实现现场试验是正确使用这些抑制措施的关键。
通常大型发电厂由多台型号相同的大型发电机组构成，一般为4台或8台。如何同时在多台发电机组上产生机组扭振和次同步谐振或次同步振荡现象是个关键问题。本发明提出了一种可控可靠地同时在多台大型汽轮发电机组上激发出轴系扭振的同步激励方法，通过专门的同步扭振激发装置和同步对时方法，通过对发电机组励磁系统注入模态激励同步控制信号，在机组轴系产生同步可控电磁力矩，进而模拟发电厂多台机组同步发生机组扭振的情况，模拟当发电厂送出系统(电网)发生次同步振荡或次同步谐振时发电厂各机组的工况。
发明内容
本发明研究了基于GPS时钟的能够同时在多台相同型号汽轮发电机组激发轴系扭振的同步扭振激励法，开发了专门的同步扭振激发装置，结合系统的测试方法，可实现对同一个发电厂的多台发电机组同时激发强度可控的轴系扭振，进而模拟了当电网发生次同步谐振或次同步振荡时发电厂各机组的扭振工况，为发电厂侧抑制次同步谐振、次同步振荡和保护发电机组轴系安全的装置和设备的参数整定设置，提供试验环境和手段。
本发明既适用于300MW及以上的主力大型汽轮发电机组，也同样适用于300MW以下的小型汽轮发电机组。
多台机组的同步扭振激励方法的具体步骤如下：
1)分别在同一发电厂的多台相同型号机组分别通过同步扭振激发装置(CSC-811PT)发出与该型号发电机组模态频率相同的4～20mA正弦电流激励信号，在励磁控制器(AVR)的输入侧将电流激励信号转换为2～10V的电压信号注入发电机励磁系统，进而在励磁系统的电流、电压中产生和注入的激励信号频率相同的信号；
2)分别在各台汽轮发电机组的机头、机尾安装转速测量齿盘和转速传感器，将传感器的转速脉冲信号接入同步扭振激发装置(CSC-811PT)，由同步扭振激发装置(CSC-811PT)实时测量轴系转速信号，并计算轴系的扭振模态大小，从而实现对扭振激发强度的实时监测，CSC-811PT装置将扭振模态的大小和实时曲线在人机界面上显示(HMI)；
3)分别对各台试验机组的同步扭振激发装置(CSC-811PT)接入GPS时钟，各个时钟通过IRIG-B信号或串口+秒脉冲信号为同步扭振激发装置对时，精度为0.1mS。在同步扭振激发装置的HMI中设置扭振激发信号的输出时刻和作用时间，从而控制同步扭振激发装置在试验人员从HMI上输入的准确时刻开始输出激励信号，经预定时间长度的激励后结束激励输出，实现对扭振激励的同步控制；
4)分别在各台试验机组的同步扭振激发装置(CSC-811PT)的HMI中输入一个即将到达的准确时刻，例如2008年6月13日10点30分00秒作为试验开始时间，再输入扭振激励时间，例如30秒。各机组的同步扭振激励装置将同时在该时间到来时激发各自机组的扭振。
附图说明
图1示意了同步扭振激发装置(CSC-811PT)的具体结构和主要对外接线；
图2示意了CSC-811PT装置与发电机励磁系统的接口及励磁系统的内部结构；
图3示意了CSC-811PT装置采集监测发电机组轴系扭振信号和输出扭振激励信号的接线和闭环控制；
图4示意了CSC-811PT装置与GPS时钟的配合，及同步激励4台发电机组扭振的设置接口；
图5示意了同时激励N台机组扭振的系统试验接线。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
同步扭振激发装置(CSC-811PT)，可以实时测量发电机组轴系的扭振模态信号，用于监视扭振激发的强度；可以实时输出指定频率的一个或多个(最多5个)扭振激励信号，作用于励磁系统，产生发电机轴系的电磁扭矩，进而激励发电机组轴系扭振；可以接收GPS时钟的对时信号，经内部锁相分频，实现激励信号的同步输出，时间精度小于0.1ms；可以实现对输出的激励信号AO、测量的轴系转速差信号dw、计算的扭振模态信号dWi的录波。
图1所示为同步扭振激发装置(CSC-811PT)的内部结构。该装置由PI(模态测量单元)、CM(主控单元)、DI(开入单元)、AO(模拟量输出单元)、DO(继电器输出单元)、POW(电源模块)组成，这些模块内部通过高速冗余的时间确定性通信网络构成一个整体。PI模块接收转速传感器的信号，实时计算轴系的扭振模态信号，并通过内部高速冗余网络将各模态实时信息送给CM模块；CM模块可以接收GPS时钟的对时，包括IRIG-B信号和串口+秒脉冲信号对时，CM通过以太网与HMI相连，可以在HMI显示扭振信号和激励信号、设置同步激励的时间；DI、DO、AO模块通过内部高速冗余网络与CM模块交互IO信息，实现DO采集、DO控制和模拟量调节信号的输出。
图2示意了CSC-811PT装置将控制信号注入励磁系统的接口。同步扭振激发装置(CSC-811PT)与机组的励磁控制器(AVR)相连，AVR的作用是通过励磁系统在发电机转子中产生励磁电流，建立旋转磁场，从而使发电机定子中产生工频电流，实现机械能与电能的转换。CSC-811PT发出4-20mA的扭振模态激励电流信号，经屏蔽双绞线输入到AVR，在AVR的输入侧经电阻转化为2-10V电压信号。AVR采集该控制信号，叠加在AVR的控制输出中，输出Uc信号，Uc经励磁系统内部的触发、整流，在励磁电压(Uf)、励磁电流(If)中调制出与输入Usedc相同频率的信号，最终作用在发电机组产生与CSC-811PT装置注入频率相同的扭矩。
图3示意了发电机组的多质量块模型。以一台发电机组为例，由汽轮机高中压合缸HIP、低压缸LAP、低压缸LBP、发电机组成，其中轴系转速传感器安装在机头，由一支或两支转速传感器组成，传感器发出转速脉冲信号，经屏蔽双绞线接入CSC-811PT的PI单元，实时测量轴系的转速差信号dW，并实时计算扭振模态信号dWi，i＝1，2，3，4。HMI上实时监测dW和dWi信号，确保扭振激励在安全范围内。CSC-811PT的扭振激励信号通过AO单元送给AVR，进而在机组轴系产生电磁扭矩。
图4示意了通过GPS时钟可以对多台CSC-811PT同步扭振激发装置对时，并实现扭振激励信号的同步输出。图中以4台相同型号机组为例，通过4套GPS时钟、4台CSC-811PT、4套HMI，输入相同的试验开始时刻，即可以完成4台机组的同步扭振激发。
图5示意了对于N台相同型号机组的同步扭振激励。
本试验方法可实现对同一个发电厂的多台发电机组同时激发强度可控的轴系扭振，进而模拟了当电网发生次同步谐振或次同步振荡时发电厂各机组的扭振工况，为发电厂侧抑制次同步谐振或次同步振荡和保护发电机组轴系安全的装置和设备的参数整定设置，提供试验环境和手段。
以国内某电厂4台600MW空冷汽轮发电机组(目前国内的主力发电机组容量为600MW)为例，该型号发电机组的扭振模态为15.1Hz、26.0Hz、30.5Hz，共3个模态。按照图5所示完成试验系统接线，分别在4台机组的4套HMI上设置CSC-811PT装置输出模态1(15.1Hz)，设置同步激发时刻和激发时间，开始试验，记录模态1(15.1Hz)的激发过程。依次分别激发模态2(26.0Hz)、模态3(30.5Hz)以及3个模态的不同组合，实现4台600MW机组的各种扭振试验。

Claims (4)

1、一种同步激发多台汽轮发电机组轴系扭振的激励方法，该方法包括步骤：
1)在同一发电厂的多台相同型号汽轮发电机组分别通过同步扭振激发装置发出与该多台相同型号汽轮发电机组模态频率相同的激励信号，在励磁控制器AVR的输入侧将电流激励信号转换为电压信号注入发电机励磁系统，进而在励磁系统的电流、电压中产生和注入的激励信号频率相同的信号；
2)分别在各台所述相同型号汽轮发电机组的轴系靠近汽轮机高压缸的一侧安装转速测量齿盘和转速传感器，将传感器的转速脉冲信号接入同步扭振激发装置，由同步扭振激发装置实时测量轴系转速信号，并计算轴系的扭振模态大小，从而实现对扭振激发强度的实时监测，同步扭振激发装置将扭振模态的大小和实时曲线在人机界面上显示；
3)分别对各台所述相同型号汽轮发电机组的同步扭振激发装置接入GPS时钟，各个时钟通过IRIG-B信号或串口加秒脉冲信号为同步扭振激发装置对时，对时精度小于0.1mS，在同步扭振激发装置的人机界面中设置扭振激发信号的输出时刻和作用时间，从而控制同步扭振激发装置在试验人员从人机界面上输入的准确时刻开始输出激励信号，经预定时间长度的激励后结束激励输出，实现对扭振激励的同步控制；
4)分别在各台试验机组的同步扭振激发装置的人机界面中输入一个即将到达的准确时刻作为试验开始时间，再输入扭振激励时间，各机组的同步扭振激励装置将同时在该时间到来时激发各自机组的扭振。
2、根据权利要求1所述的激励方法，其特征为，针对所试验型号的机组的多个模态分别做扭振激励，所述模态为3至5个。
3、根据权利要求1所述的激励方法，其特征为，试验过程中由同步扭振激发装置记录其所发出的扭振激励信号AO、所测量的轴系转速差信号dW、所计算的轴系扭振模态信号dWi，采样率不低于1000Hz。
4、根据权利要求1所述的激励方法，其特征为，同样适用于仅对一台机组激发扭振。
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