CN102157953B - 汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量解耦计算方法 - Google Patents
汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量解耦计算方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了汽轮发电机组轴系机械阻尼测量技术领域中的一种汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量方法。包括将一台发电机连接到电网，计算全系统次同步振荡特征值；将与前述发电机参数完全相同的发电机也连接到电网并列运行，计算全系统次同步振荡特征值；确定两台发电机组并列运行时只能产生共模振荡或异模振荡；判定两台发电机组发生异模振荡模式时，次同步振荡与外部系统解耦；并确定产生异模振荡的条件；当系统发生异模振荡时，求取发电机的稳态运行点；获取不包含机械阻尼的纯电气阻尼；测量异模振荡的总阻尼，后计算机械阻尼。本发明解决了常用的机械阻尼参数的获得方法存在的问题。
Description
技术领域
本发明属于汽轮发电机组轴系机械阻尼测量计算技术领域，尤其涉及一种汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量解耦计算方法。
背景技术
应用于次同步振荡分析计算的汽轮发电机组轴系机械阻尼参数，是一项重要参数。首先，轴系机械阻尼是表征轴系自身阻尼特性的唯一参数，它与电气阻尼的大小对比关系，最终决定了次同步振荡的稳定性。其次，轴系机械阻尼与电气阻尼的共同作用，决定了次同步振荡的衰减特性，也就决定了振荡导致的轴系寿命损伤的积累值。
现有的机械阻尼参数的获得方法主要有两种：其一，由汽轮机制造厂商根据制造材料、尺寸等估算机械阻尼，这种方法误差较大。另一种方法为脱网测试方法，其基本原理为将并网运行的发电机进行脱网甩负荷操作，对轴系造成冲击扰动，使轴系振荡只在自身机械阻尼的作用下衰减，通过分析振荡衰减过程中的次同步模态分量，计算阻尼系数。该方法的不足在于：一方面，对轴系造成了很大冲击，带来寿命损失；另一方面，该方法只能测量到发电机脱网的轴系机械阻尼，即空载阻尼。由于汽轮发电机轴系机械阻尼随发电机不同工况（主要是出力水平等）而变化，并且空载阻尼到满载阻尼的变化范围达到十倍以上，所以脱网方法不能测量发电机正常运行时可能出现的任意实际工况下的机械阻尼。
本发明提出了一种能对任何实际工况下轴系机械阻尼进行测量的并网测量解耦计算方法。由于该方法在原理上是将汽轮发电机阻尼与外部系统解耦分析，因此只需要汽轮发电机组的电气参数和轴系参数，而不需要外部系统参数，所以避免了对外部系统中直流控制器、可控串联补偿等复杂非线性系统参数的依赖，具备重要的工程实用价值。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量解耦计算方法，用于克服现有的机械阻尼参数的获得方法存在的缺陷。
技术方案是，一种汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量解耦计算方法，其特征是所述方法包括：
步骤1：将一台发电机组连接到电网，计算全系统次同步振荡特征值；
步骤2：将与步骤1中的发电机组参数完全相同的另一台发电机组也连接到电网，使两台发电机组并列运行，计算全系统次同步振荡特征值；
步骤3：根据步骤2计算得到的全系统次同步振荡特征值，确定两台参数相同的发电机组并列运行时，只能产生模式为共模振荡或异模振荡的次同步振荡；
步骤4：判定两台发电机组发生异模振荡模式的次同步振荡时，次同步振荡与外部系统解耦，即异模振荡模式下，电气阻尼和总阻尼与外部系统参数无关；
步骤5：确定在两台发电机组励磁系统施加反相位的模态频率的正弦信号激发时，产生异模振荡；
步骤6：在任意实际运行工况下，当系统发生异模振荡时，求取发电机的稳态运行点；
步骤7：依据发生异模振荡时发电机组与外部系统解耦的结论，将外部系统代之以等值电源，并保证采用等值电源后发电机组在相同的稳态运行点，计算异模振荡模式下不包含机械阻尼的纯电气阻尼；
步骤8：测量异模振荡的总阻尼，并根据总阻尼等于电气阻尼与机械阻尼的和，计算机械阻尼。
所述次同步振荡特征值包括振荡角频率和振型向量。
本发明的效果在于，应用特征值理论分析并列运行的相同参数汽轮发电机组次同步振荡的两种不同振荡模式，证明了发生异模振荡时汽轮发电机阻尼特性与电网结构、参数等外部系统的解耦性，并依据此结论进行汽轮发电机组轴系机械阻尼的并网测量解耦计算，解决了常用的机械阻尼参数的获得方法存在的问题。本发明提供了可以测量计算发电机任意实际工况下机械阻尼的方法，并且此方法不依赖于可控串联补偿、直流控制器等复杂非线性外部系统的参数，实现了次同步振荡机械阻尼与外部系统的解耦计算。
附图说明
图1是汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量解耦计算方法流程图；
图2是参数完全相同的两台发电机并列运行的次同步振荡分析示意图；
图3是参数完全相同的两台发电机并列运行的次同步振荡模式图；其中，(a)是共模振荡模式图，(b)是异模振荡模式图；
图4是参数完全相同的两台发电机并列运行的电气网络图；
图5是共模振荡模式次同步振荡分析用线性化等值系统图；
图6是异模振荡模式次同步振荡分析用线性化等值系统图；
图7是伊敏电厂、呼伦贝尔电厂经串补和直流混合通道送出系统图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
图1是汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量解耦计算方法流程图。图1中，汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量方法包括下列：
步骤1：将一台发电机连接到电网，计算全系统次同步振荡特征值。
步骤2：将与步骤1中的发电机参数完全相同的另一台发电机也连接到电网，使两台发电机并列运行，计算全系统次同步振荡特征值。
步骤3：根据所述特征值，确定两台参数相同的发电机组并列运行时，只能产生模式为共模振荡或异模振荡的次同步振荡。
图2是参数完全相同的两台发电机并列运行的次同步振荡分析示意图。图2中，以IEEE次同步谐振第一标准算例的轴系参数为例，将汽轮发电机组轴系划分为六个轴段，每个轴段分别视为一个等值的刚性集中质量块，各质量块之间通过无质量的弹簧连接，以模拟轴段之间的力矩传递关系。一号和二号汽轮发电机组的参数完全相同。其中HP、MP、LP1、LP2、GEN和EX分别表示一号汽轮发电机组高压缸、中压缸、低压缸1、低压缸2、发电机和励磁机质量块；HP’、MP’、LP1’、LP2’、GEN’和EX’分别表示二号汽轮发电机组高压缸、中压缸、低压缸1、低压缸2、发电机和励磁机质量块。T为升压变压器，RL、和XL为线路电阻和电抗，XC为串联补偿容抗，RS和XS为等值电源的电阻和电抗。
当只有一台发电机组连接到电网时，计算全系统次同步振荡特征值。对每一个次同步振荡模态，可以求得特征值σ+jω及其右特征相量v，分别为该模式下的振荡角频率ω和振型相量。当两台参数完全相同的发电机并列运行时，计算全系统次同步振荡特征值，则对每一个次同步振荡模态，可以求得两个特征值及其右特征相量。其中一个特征值及其右特征相量与原只有一台机组时相同，为σ+jω及其特征相量v。对应角频率为ω,振型为v的振荡模式。另外求得一个特征值σ’+jω’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：当发生较低频率ω的振荡时，两台机组对应质量块振荡位置相同，称为共模振荡模式。当发生较高频率ω’的振荡时，两台机组对应质量块振荡位置相反，称为异模振荡模式。
步骤4：判定两台发电机组发生异模振荡模式的次同步振荡时，次同步振荡与外部系统解耦，即异模振荡模式下，电气阻尼和总阻尼与外部系统参数无关。
图3是参数完全相同的两台发电机并列运行的次同步振荡模式图。其中，(a)是共模振荡模式图，此时两台机组对应质量块振荡位置相同。(b)是异模振荡模式图，此时，两台机组对应质量块振荡位置相反。
图4是参数完全相同的两台发电机并列运行的电气网络图。对于图4所示的两台相同参数机组并列运行的工况，由特征相量分析可知：
当发生共模振荡时，两台机组对应质量块振荡位置相同，共同与电网发生电气耦合，此时可以将两台机组合并为一台处理。由此得到共模振荡模式次同步振荡分析用线性化等值系统图，如图5所示。
当发生异模振荡时，两台机组对应质量块振荡位置相反，并且振荡只发生在两台机组之间，振荡以并联母线为振荡平衡点，与外部系统没有电气耦合。由此得到异模振荡模式次同步振荡分析用线性化等值系统图，如图6所示。
步骤5：确定在两台发电机组励磁系统施加反相位的模态频率的正弦信号激发时，产生异模振荡。
由于外部扰动(如线路故障)只能激发共模振荡，内部扰动(如励磁激发)在不同的激发模式下，既可以激发共模振荡，也可以激发异模振荡，还可以同时激发共模和异模振荡。当在两台发电机励磁系统施加同相位的模态频率的正弦信号激发时，产生共模振荡；当在两台发电机励磁系统施加反相位的模态频率的正弦信号激发时，产生异模振荡；当只在其中一台励磁系统施加模态频率的正弦信号激发时，同时产生共模振荡和异模振荡。
步骤6：在任意实际运行工况下，当系统发生异模振荡时，求取发电机的稳态运行点。
由于在异模振荡模式下，两机组间的相互振荡与外部系统无关。所以，在异模振荡模式下，次同步振荡与外部系统是解耦的，即异模振荡模式电气阻尼与外部系统参数无关。因此，在求取发电机的稳态运行点时，可以将外部系统(TCSC，HVDC等)省略掉，代之以等值电源，只要保证等值后发电机组的稳态运行点与等值前相同。
由于异模振荡线性化等值系统只包含发电机，而发电机参数通常是可以精确得到的；同时，待测量机械阻尼所处工况的电气量也容易测量。因此可以求得发电机运行的稳态运行点，此稳态运行点就是应用于线性化分析的初始条件。
步骤7：依据发生异模振荡时发电机组与外部系统解耦的结论，将外部系统代之以等值电源，并保证采用等值电源后发电机组在相同的稳态运行点，计算异模振荡模式下不包含机械阻尼的纯电气阻尼；
依据发生异模振荡时发电机与外部系统解耦的结论，在异模振荡等值系统参数(只包含汽轮发电机组和等值电源参数)全部已知的情况下，无论采用仿真或计算的方法，都很容易计算出不包含机械阻尼的纯电气阻尼。
步骤8：测量异模振荡的总阻尼，并根据总阻尼等于电气阻尼与机械阻尼的和，计算机械阻尼。
在两台发电机励磁系统施加反相位的模态频率的正弦激励信号，产生异模振荡，并测量总阻尼。由于总阻尼等于电气阻尼与机械阻尼的和，所以要求得机械阻尼，只要将现场测量的异模振荡的总阻尼减去计算得到的异模振荡的纯电气阻尼。
实际算例：
以伊敏电厂、呼伦贝尔电厂经过串联补偿线路及呼辽直流线路交直流混合通道送出系统为例，测量计算伊敏电厂二期汽轮发电机组模态2(21HZ)机械阻尼。
图7是伊敏电厂、呼伦贝尔电厂经串补和直流混合通道送出系统图。图7中，伊敏电厂现有一期2台500MW发电机组、二期2台600MW发电机组，三期2台600MW发电机组，经过伊敏—冯屯双回线路至冯屯，再经冯屯——大庆三回线路至大庆，送入系统。伊敏—冯屯线路固定串补的串补度30％，可控串联补偿的串补度15％。呼伦贝尔电厂经过呼伦贝尔—巴彦托海双回线路，再经过巴彦托海—伊敏换流站双回线路，连接到呼辽直流换流站。呼辽直流额定电压为±500kV，额定输送功率为3000MW。
算例1：
伊敏电厂二期汽轮发电机组2机并网，经过可控串补送出。伊敏电厂与呼辽直流断开。已知模态2(21HZ)机械阻尼系数为0.0621。
首先，在两台发电机励磁绕组分别施加模态2频率(21.47HZ)的反相正弦电压，测量励磁电压撤去后的高压缸转速差对数衰减率。此衰减率即为总阻尼系数。由上述数据计算得到总的阻尼系数为：0.12217。
其次，将伊敏电厂二期机组轴系机械阻尼参数置为0，再在两台发电机励磁绕组分别施加模态2频率(21.47HZ)的反相正弦电压，测量励磁电压撤去后的高压缸转速差对数衰减率。此衰减率即为纯电气阻尼系数。由上述数据计算得到纯电气阻尼系数为：0.057586。
由此计算得到机械阻尼＝总阻尼－电气阻尼＝0.12217－0.057586＝0.064584。而已知机械模态阻尼为0.0621，误差为4％。
算例2：
伊敏电厂一期2机、二期2机、三期2机并网，冯屯至大庆三回线，伊敏至冯屯双回线，经过可控串补送出。呼伦贝尔电厂1＃、2＃机组并网，呼辽直流输送功率3000MW。已知模态2(21HZ)机械阻尼系数为0.0621。
首先，在伊敏二期两台发电机励磁绕组分别施加模态2频率(21.47HZ)的反相正弦电压，测量励磁电压撤去后的高压缸转速差对数衰减率。此衰减率即为总阻尼系数。由上述数据计算得到总的阻尼系数为：0.1193。
其次，将伊敏电厂二期机组轴系机械阻尼参数置为0，再在两台发电机励磁绕组分别施加模态2频率(21.47HZ)的反相正弦电压，测量励磁电压撤去后的高压缸转速差对数衰减率。此衰减率即为纯电气阻尼系数。由上述数据计算得到纯电气阻尼系数为：0.056953。
由此计算得到机械阻尼＝总阻尼－电气阻尼＝0.1193－0.056953＝0.062347。而已知机械模态阻尼为0.0621，误差为0.4％。
两个算例计算结果汇总如下表：
表1：机械阻尼计算结果对照表
由该表可知：
两个算例计算得到的总阻尼和电气阻尼基本相等，验证了在发生异模模式的次同步振荡时，发电机与外电网不发生电气耦合，电气阻尼及其总阻尼只由两台发电机组参数决定。
由异模振荡法求得的机械阻尼基本等于机械阻尼真值，验证了本发明提供的一种汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量方法的有效性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (2)
1.一种汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量解耦计算方法，其特征是所述方法包括：
步骤1：将一台发电机组连接到电网，计算全系统次同步振荡特征值；
步骤2：将与步骤1中的发电机组参数完全相同的另一台发电机组也连接到电网，使两台发电机组并列运行，计算全系统次同步振荡特征值；
步骤3：根据步骤2计算得到的全系统次同步振荡特征值，确定两台参数相同的发电机组并列运行时，只能产生模式为共模振荡或异模振荡的次同步振荡；
步骤4：判定两台发电机组发生异模振荡模式的次同步振荡时，次同步振荡与外部系统解耦，即异模振荡模式下，电气阻尼和总阻尼与外部系统参数无关；
步骤5：确定在两台发电机组励磁系统施加反相位的模态频率的正弦信号激发时，产生异模振荡；
步骤6：在任意实际运行工况下，当系统发生异模振荡时，求取发电机的稳态运行点；
步骤7：依据发生异模振荡时发电机组与外部系统解耦的结论，将外部系统代之以等值电源，并保证采用等值电源后发电机组在相同的稳态运行点，计算异模振荡模式下不包含机械阻尼的纯电气阻尼；
步骤8：测量异模振荡的总阻尼，并根据总阻尼等于电气阻尼与机械阻尼的和，计算机械阻尼。
2.根据权利要求1所述的一种汽轮发电机组轴系次同步振荡机械阻尼并网测量解耦计算方法，其特征是所述次同步振荡特征值包括振荡角频率和振型向量。
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