CN107076639B - 监测涡轮发电机中的扭转振荡 - Google Patents
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Abstract
提供用于检测涡轮发电机系统(1)的扭转振荡的监测装置和方法。方法包括监测(101)涡轮发电机系统(1)的输出端子(12)的电压中的每一个，和分析(103‑109)各电压的频率含量。对于涡轮发电机系统(1)的各被监测的共振频率fi，分析包括：识别(103)在亚同步频率子带(subi)中的第一电压峰值和在超同步频率子带(supi)中的第二电压峰值，比较(107)第一电压峰值与第二电压峰值，和根据比较推断(109)涡轮发电机系统(1)是否经历在共振频率fi处的扭转振荡。监测装置(14)包括用于接收代表输出端子(12)的电压的电压信号的输入部件(41)和配置成执行电压信号的频率含量的数字分析的控制单元(42)。控制单元(42)被配置成：识别在围绕亚同步共振频率fsub,i的子带sub中的第一电压峰值；识别在围绕超同步共振频率fsup,i的子带sup中的第二电压峰值；确定第一电压峰值的频率；确定第二电压峰值的频率；比较第一电压峰值的频率与第二电压峰值的频率；和基于比较推断涡轮发电机系统(1)是否经历在任何共振频率fi处的扭转振荡。
Description
技术领域
本发明涉及用于检测涡轮发电机系统的转子轴中的机械扭转振荡的监测装置和方法。尤其是，本发明涉及用于检测具有借助于共用的涡轮机轴互连的多个(诸如两个、三个、四个、五个、六个或更多个)涡轮机的涡轮发电机系统中的机械扭转振荡的监测装置和方法。
背景技术
将诸如蒸汽操作的涡轮机等的若干涡轮机互连的长涡轮机轴可能会在轴的一个或多个共振频率处遭受扭转振荡。扭转共振振荡可能导致涡轮机轴的故障，并且因而避免这样的振荡并能够在它们发生时检测到它们使得可以停止扭转共振振荡或涡轮机是有必要的。发电机的转子处的轴的扭转振荡会影响从发电机输出的电功率，并表现为电流和电压上的变化。还有，连接至发电机输出端子的电功率传输系统通过发电机将电能诱导至轴并由此对涡轮发电机轴中的扭转振荡有贡献。尤其是在具有无功功率补偿的电传输系统中，电气传输系统可能显示与机械系统的共振频率匹配的共振频率，使得电传输系统开始与轴的扭转共振振荡相互作用。
在现有技术中可以找到用于抵消扭转共振振荡的不同建议，例如，监测发电机输出电流以检测扭转共振振荡的系统。
US 4,733,340(Mase等人)描述了一种用于使涡轮发电机轴中的扭转振荡稳定的系统。在该系统中，在发电机的输出端子处测量发电机的输出电流。从扭转共振频率(Mase等人中的fm)和发电机频率(Mase等人中的f1)，可以确定电流信号的亚同步和超同步共振频率，该亚同步和超同步共振频率对应于扭转共振振荡的共振频率。借助于相应的第一和第二带通滤波器将电流的亚同步频率(Mase等人中的f1-fm)分量和电流信号的超同步频率(Mase等人中的f1+fm)分量滤除。检测在亚同步频率和超同步频率处的相应信号。
使用滤波器的缺陷是难以正确地调谐滤波器。太宽的带通滤波器对干扰敏感，而如果共振频率不是确切地已知或者如果不能确切地调谐滤波器的话，窄的带通滤波器可能无法给出幅度的准确测量。
这种监测发电机端子电流的另一缺陷是发电机端子电流随着电传输系统的阻抗而变化。因此，电传输系统内的变化可能会影响电流测量，并且作为电传输系统的阻抗的变化的结果，电流频率的幅度可能会变化。
US 4,331,882描述了一种用于检测电功率系统中的亚同步和超同步电气信号的系统。正在使用的电气信号是电流或电压信号(US4,331,882中第2栏第25至30行)。所获得的电气信号借助于经调谐的滤波器被整流和滤波。调谐滤波器，以将电气信号的亚同步和超同步共振分量滤除。滤波器检测器提供可用于致动报警和作为到控制电路的输入的输出。
如与US 4,733,340(Mase等人)有关地提到的，借助于带通滤波器滤除频率分量(如US 4,331,882中那样)的缺陷是滤波器需要覆盖具有一定大小的子带，因为扭转共振振荡可能仅近似已知。存在有其他干扰进入这样的子带内并且因而如果没有确切地调谐滤波器的话其他干扰将被检测作为扭转共振振荡的风险，而实际上这些检测到的频率干扰不会引起对轴的危害。因此，存在有涡轮发电机系统在不必要时被停止的风险。
此外，发电机端子输出电流和电压的频率可能会在操作期间稍微变化，因为电传输网络的频率可能会变化。因此，例如亚同步滤波器必须覆盖亚同步频率范围的一定的额外带宽，并且因而也可能将非共振信号登记共振信号。
IEEE关于电力输送的汇刊2008年1月第23卷第1期科学论文“电力系统中的亚同步电压分量的在线估计”(Bongiorno等人)(The scientific paper“Online Estimation ofSubsynchronous Voltage Components in Power Systems”(Bongiorno et al),IEEETransactions on Power Delivery,vol.23,no.1,January 2008)描述了用于监测发电机端子电压中的亚同步分量的方法。文献讨论了发电机电压的数字采样和检测对应于扭转振荡的频率变化。论文讨论了使用数字FFT(快速傅里叶变换)或卡尔曼滤波的检测方法。虽然这样的数字分析可能比模拟带通滤波更可靠，但是存在有检测到的亚同步频率与扭转共振振荡无关的风险，因为扭转共振频率仅近似已知。此外，可能存在频率含量的其他干扰，例如，如由可能会创建接近扭转振荡共振频率的干扰的高电力机器(诸如例如钢铁生产设施中的电弧炉等的)所创建的。
错误地将信号登记为指示共振可能导致当不需要涡轮发电机系统的停工时而使得涡轮发电机系统的停工。使发电系统停工是昂贵的并且如果不必要的话应该避免。
因此，存在有以高的准确度和可靠性监测涡轮发电机系统的扭转振荡以免不必要地使发电涡轮发电机系统停工的需要。
发明内容
本发明的目的是克服现有系统的缺陷并且提供监测装置、诸如监测和保护装置，和用于以高准确度检测扭转共振振荡并避免涡轮发电机轴的故障以及避免来自涡轮发电机系统的能量产生的不必要的停工的方法。
为此目的，本发明的第一方面提供一种检测涡轮发电机系统中的扭转振荡的方法，该涡轮发电机系统包括具有连接至电传输系统的输出端子的发电机，其中涡轮发电机系统借助于输出端子向电传输系统提供电功率。方法包括
-监测输出端子的电压中的每一个，和
-分析各电压的频率含量以检测在涡轮发电机系统的多个共振频率处的扭转振荡。方法的特征是对于各共振频率，频率含量的分析包括：
-识别在亚同步频率子带中的第一电压峰值和在超同步频率子带中的第二电压峰值，
-比较识别出的第一电压峰值与识别出的第二电压峰值，和
-从第一和第二电压峰值的比较推断涡轮发电机系统是否经历在对应的共振频率处的扭转振荡。
使用电压测量的优点是电压不随电传输系统的阻抗而变化并且与发电机的转子的运动成正比。因此电压直接反映了扭转振荡的幅度而电流反映了激励或去激励振荡的电力。
关于还监测超同步子带的优点是共振振荡的识别将更加准确。各亚同步共振频率被电传输系统的电频率镜像在超同步共振频率处。监测该超同步共振频率提供了扭转共振振荡的更加可靠且安全的指示。
应该注意的是，亚同步和超同步共振电压峰值与发电机端子电压相比小，约为端子电压的1/1000。对应的电流峰值通常较大，约为端子电流的1/100。方法的实施例包括除了发电机端子电压之外还监测发电机端子电流，并且还包括分析电流以便检测扭转共振振荡。
在实施例中，方法包括通过确定第一电压峰值在亚同步频率子带内的位置来确定第一电压峰值的频率，和通过确定第二电压峰值在超同步频率子带内的位置来确定第二电压峰值的频率。
这与现有技术模拟系统不同，其中电流在围绕亚同步共振频率的窄子带中被滤波，并且该窄子带的幅度或在该窄子带内的能量含量被用作用于共振的指示。关于确定在子带内的位置的优点是，它提供了比仅仅检测在子带内的信号高的准确度。因此，与不确定频率而是仅仅确定在围绕亚或超同步共振频率的子带内的信号强度的现有系统相比，分析频率含量是确切地确定电压峰值的相应频率的一种方式。
本发明优选地包括使用例如FFT-变换进行的电压信号的数字评价，以识别电压峰值在围绕各压同步或超同步共振频率的各窄子带内的确切位置，使得确定出电压峰值在窄子带内的位置、即峰值的确切频率。
优选地，方法还包括确定所确定出的位置中的每一个到发电机端子输出电压的基频的距离。
在实施例中，第一和第二电压峰值的比较包括确定亚同步频率子带中的确定出的第一电压峰值的频率镜像是否被超同步频率子带中的确定出的第二电压峰值的频率镜像在发电机基频的相反侧上。确定镜像的优点是这样的镜像确认亚同步和超同步频率子带中的峰值真正地对应于涡轮机轴的扭转共振振荡。
如前述内容中所指示出的，在与对应的超同步频率距发电机基频相距相同的“距离”处找到亚同步共振频率。
在实施例中，方法包括确定各电压峰值的幅度，并且还可以包括确定电流峰值的幅度。
在亚同步共振频率处的电压峰值的幅度和在超同步共振频率处的电压峰值的幅度与发电机处的轴的扭转振荡成比例。这些电压幅度也与其相应的频率成比例。
因此，关于确定电压峰值的幅度的优点是这些幅度给出了轴的扭转振荡的幅度的指示。电流峰值的幅度与进入或退出共振振荡的功率有关并且随电功率系统的性质(尤其是电抗)而变化。电流是扭转振荡的次要指示而电压更直接。
在实施例中，涡轮发电机系统是否经历在对应的共振频率处的扭转振荡的推断包括：确立第一电压峰值的幅度与第二电压峰值的幅度的比率基本上等于第一电压峰值的频率与第二电压峰值的频率之间的比率。优选地，当确立比率之间的对应关系时使用确定出的频率。
在实施例中，方法包括监测电流和识别在各亚同步共振频率周围的窄带内的电流峰值和识别在各对应的超同步共振频率周围的窄带内的峰值。
电流的频率分析可以用于确认电压的频率分析。
本发明可以被采用用于保护涡轮发电机。
在实施例中，方法包括如果检测到扭转共振振荡则执行动作，该动作包括以下动作中的至少一个：
a)向电传输系统的传输系统操作者(TSO)发送消息，以便改变电传输系统的性质(例如，电抗)，例如通过旁路传输线串联电阻器、连接附加的传输线或改变附近FACTS或TSCS装置中的控制参数，和
b)向发电机控制器发送报警消息，以便改变发电机的操作条件，或者作为最后的手段使涡轮发电机与电传输系统断开连接。
根据第二方面，本发明提供一种用于检测涡轮发电机系统中的扭转共振振荡的监测装置，涡轮发电机系统包括具有用于向电传输系统馈送生成的电功率的输出端子的发电机。监测装置包括：
-输入部件，用于接收代表输出端子的电压的电压信号，和
-控制单元，被配置成执行接收到的电压信号的频率含量的数字分析，以检测在涡轮发电机系统的多个共振频率处的扭转振荡。监测装置的控制单元对于各共振频率被配置成：
-识别在围绕对应于共振频率的亚同步共振频率的子带中的第一电压峰值，
-识别在围绕对应于共振频率的超同步共振频率的子带中的第二电压峰值。控制单元尤其被配置成：
-通过确定第一电压峰值在围绕亚同步共振频率的子带内的位置来确定第一电压峰值的频率；
-通过确定第二电压峰值在围绕超同步共振频率的子带内的位置来确定第二电压峰值的频率；
-比较确定出的第一电压峰值的频率与确定出的第二电压峰值的频率，和
基于确定出的频率的比较的结果来：
-推断涡轮发电机系统是否经历在共振频率处的扭转振荡。
在实施例中，比较确定出的频率确立确定出的第一电压峰值的频率是否被电压信号的主频镜像在确定出的第二电压峰值的频率处。
在实施例中，控制单元被配置成：
-确定第一电压峰值的幅度；
-确定第二电压峰值的幅度；
-比较确定出的第一和第二电压峰值的幅度，和
基于确定出的频率的比较的结果和确定出的幅度的比较的结果来
-推断涡轮发电机系统是否经历在共振频率处的扭转振荡。
在实施例中，确定出的幅度的比较确立第一电压峰值的幅度与第二电压峰值的幅度之间的比率是否等于确定出的第一电压峰值的频率与确定出的第二电压峰值的频率之间的比率。
在实施例中，监测装置包括用于传送信息的输出单元，其中控制单元被配置成：
-当检测到扭转共振振荡时借助于输出单元传送警报信息，该警报信息被传送至
-电气传输系统的控制器，或
-涡轮发电机系统的发电机控制器。
监测装置可以在保护装置中实施。
在实施例中，监测装置的输入部件适于接收代表输出端子的电流的电流信号，其中控制单元适于对接收到的电流信号的频率含量执行数字分析、适于识别在围绕各亚同步共振频率的窄带内的电流峰值和识别在围绕各对应的超同步共振频率的窄带内的峰值，并且适于从电压峰值的比较以及电流信号的频率分析来推断涡轮发电机系统是否经历在共振频率处的扭转振荡。
分析电压和电流两者甚至进一步提高了确定扭转共振振荡的准确度。
优选地，对于各共振频率，控制单元适于确定在围绕亚同步共振频率的子带内的第一电流峰值的频率；确定在围绕超同步共振频率的子带内的第二电流峰值的频率；和比较确定出的第一电流峰值的频率与确定出的第二电流峰值的频率，并且当推断涡轮发电机系统是否经历在共振频率处的扭转振荡时使用电流峰值的确定出的频率的比较的结果。
附图说明
图1图示出连接至电传输系统的涡轮发电机系统，该涡轮发电机系统包括依照本发明的实施例的监测装置；
图2图示出用于描述本发明的监测装置的功能性的频谱；
图3图示出依照本发明的实施例的监测扭转共振振荡的方法。
图4图示出根据本发明的监测装置的实施例。
具体实施方式
图1图示出连接至电传输系统30的涡轮发电机系统1。涡轮发电机系统1具有包括用于操控来自例如蒸汽发电机的能量的多个涡轮机24a-e的机械侧20，和用于将转动能量变换成电气能量并借助于发电机断路器13向电传输系统30馈送电气能量的机电侧10。涡轮发电机系统1包括发电机11、轴23和多个涡轮机24a-e。发电机11的转子和涡轮机24a-e被连接至轴23。发电机11包括连接至电传输系统30的三个输出端子12，其中涡轮发电机系统1借助于输出端子12向电传输系统30提供电功率。注意，为了使图清楚起见，发电机11被图示为对于三个相位中的每一个相位具有一个输出端子12，而在电传输系统30中仅图示出三个相位中的一个相位。涡轮发电机系统1还包括发电机控制器22，控制发电机11和诸如蒸汽操作的涡轮机等的涡轮机24a-e的能量产生。涡轮发电机系统1还包括用于检测轴23中的扭转振荡的监测装置14，该监测装置14被连接至布置在发电机11的输出端子12处的电压传感器(未示出)，该电压计被布置成测量端子电压并且向监测装置14提供代表输出端子12电压的电压信号。监测装置14被配置成借助于分析由电压计获得的电压信号来检测扭转振荡。监测装置14还可以被配置为接收由布置在输出端子12处的电流计(未示出)获得的电流信号，并且可以配置为使用电流信号来检测扭转振荡。监测装置14被图示为分离的装置，但可以集成到发电机控制器22内。
电传输系统30包括传输线31a-c、电容器装置33a-c和用于传输系统操作者(TSO)的控制器32。电容器装置33a-c被图示为可以由TSO旁路的串联连接的电容器，但电传输系统30也可以包括其他可控电容器装置33a-c，诸如FACTS(柔性AC传输系统)或TCSC(晶闸管控制的串联电容器)装置。监测装置14被通信地连接至发电机控制器22和TSO控制器32，并且被配置成在检测到轴23中的扭转共振振荡时向发电机控制器22和TSO控制器32传送消息。
监测装置14被配置成执行电压信号的数字分析并且优选还有电流信号的数字分析，以推断轴23是否经历了扭转共振振荡，扭转共振振荡经由发电机11与电传输系统30相互作用。尤其是，监测装置被配置成执行电压信号的频率含量的分析。在优选实施例中，监测装置14被配置成借助于FFT(快速傅里叶变换)将采样的电压信号变换成频域并且执行电压的频率含量的分析。在“Nord-IS 2005第27页J.Hedberg和T.Bengtsson的具有高精度的直接电介质响应测量(J.Hedberg and T.Bengtsson,Straight Dielectric ResponseMeasurements with High Precision,Nord-IS 2005,paper 27)”中讨论了用于借助于快速傅里叶变换进行的频率分析的合适的数字处理。数字处理(参见“J.Hedberg、T.Bengtsson”中的第2.2章)提供了被分析的信号的复幅度和对应的频率作为输出。在该数字处理方法中对长记录进行采样，因为这增加了对于弱信号的敏感度和频率分辨率。接着使用插值技术来找到FFT谱中的任何峰值的频率和复幅度的准确估计。优选的是，当执行本发明时采用这样的数字傅里叶变换处理，其中对被分析的信号的长记录进行采样并使用插值来找到亚和超同步峰值的幅度和频率。因此，优选的是，使用所谓的内插FFT(iFFT)，包括对长记录进行采样和输出复幅度及其对应的频率。
在例如IEEE关于仪器与装置的汇刊第IM-32卷第2号第350页(1983)T.Grandke的用于加权信号的离散傅里叶变换的插值算法(T.Grandke,Interpolation Algorithms forDiscrete Fourier Transforms of Weighted Signals,IEEE trans.on inst.andmeas.vol.IM-32,no.2,p 350(1983))中描述了内插FFT。
监测装置14被进一步配置成识别频率含量中的对应于轴23的扭转共振振荡的那些电压峰值，即，在亚同步共振和超同步共振频率处找到该电压峰值。监测装置14被进一步配置成推断识别出的峰值是否指示了任何扭转共振振荡，并且如果是的话采取动作用于抵消和消除扭转共振振荡。监测装置14被配置成通过向发电机控制器22和TSO控制器32传送指示了扭转共振振荡的消息来采取动作，并且还可以在集成或外部监测显示器和/或扬声器上产生输出或报警。
在接收指示了扭转共振振荡的消息时，TSO控制器32可以例如：
-旁路电容器装置33a-c中的一个或多个，
-将一个或多个传输线31a-c连接，或
-改变FACTS装置或TSCS装置的控制参数或操作模式。
在接收指示了扭转共振振荡的消息时，发电机控制器22可以例如关闭馈送涡轮机24a-c的蒸汽阀并停止涡轮机24a-c，并且打开发电机11的电路断路器并使发电机11与电传输系统30断开连接。
将参照图4进一步描述监测装置14的实施例。下面参照图2进一步描述由监测装置14执行的电压信号的频率的分析。
图2图示出在不同频率处的在来自发电机11输出端子12的电压信号中的电压峰值，和如何识别这些电压峰值。在欧洲发电机基频正常情况下是大约50Hz，并且在美国是大约60Hz。在发电机基频处找到电压信号的主频率f0，即通常是近似50Hz或60Hz。为了说明的目的，图2仅图示出共振频率f1-fn中的一个共振频率fi如何表现为输出端子12电压中的两个电压峰值。因此，出现了由共振频率fi创建的两个电压峰值。机械扭转振荡的对应于共振频率fi的亚同步共振频率fsub i具有等于f0－fi的频率。对应于共振频率fi的超同步共振频率fsup i具有等于f0+fi的频率。一般情况下，对于共振频率f1-fn的各频率fi，由共振频率fi创建两个电压频率，分别是等于f0－fi和f0+fi的亚和超同步共振频率(分别是fsub,i和fsup,i)。
更详细地；在扭转振动存在的状态下，转子轴的转动频率不再恒定而是以幅度Δf振荡：
f(t)＝f0+Δfcos(2πfit) (等式1)
对于小值的Δf，在发电机定子绕组感应的电压接着可以被导出为：
因此出现了具有与频率成正比的相对幅度的两个新的频率f0±fi。
当搜索这些亚和超同步频率时，监测装置14被配置成在围绕相应的亚和超同步频率fsub,i和fsup,i的窄子带subi、supi中搜索。监测装置14还被配置成确定在亚和超同步频率子带subi、supi中找到的各电压峰值的位置、即确切的频率。通过确定亚同步频率fsub,i和超同步频率fsup,i并且比较这些确定的频率，可以准确的检测做出对应的电压峰值是否对应于扭转共振振荡，使得可以推断电气传输系统30是否与涡轮发电机系统1的轴23相互作用并在其中激发振荡。
为了确定在各子带subi、supi中找到的峰值是否对应于共振频率fi，监测装置14被配置成检查在与发电机基频f0相距如下的距离处找到亚同步频率子带subi中的电压峰值，该距离与从超同步频率子带supi中的电压峰值到发电机基频f0的距离相同。在与基频f0相距fiHz的距离处找到亚同步共振频率和超同步共振频率。例如，各亚同步共振频率电压峰值应该在f0-fi处找到，因而当已确定在围绕fsub,i的亚同步共振频率子带subi中的电压峰值的位置时，监测装置14可以计算各共振频率fi。监测装置14可以随后使用计算出的fi，来计算电压峰值应该在围绕超同步共振频率fsup,i的子带supi中出现的位置。如果在围绕超同步共振频率fsup,i的超同步子带supi中的电压峰值的计算出的位置等于在超同步共振频率子带supi内已针对电压峰值所确定的位置，那么在亚同步频率子带subi中和在超同步频率子带supi中找到的电压峰值指示出具有频率fi的扭转共振振荡。
此外，对应于扭转共振振荡的各电压峰值的幅度与在发电机11处的所讨论的扭转共振振荡的幅度成比例。监测装置14被配置成从对应的电压峰值估计扭转共振振荡的幅度。
计算涡轮发电机系统1的扭转共振频率fi和对应的扭转共振振荡模式是机械动力学领域内已知的实践，并且预先确定应该由监测装置14监测的涡轮发电机系统1的振荡模式和共振频率是适当的。监测装置14用对于所讨论的涡轮发电机系统来说特定的参数来合适地配置。
在由Prabha Kundur,McGraw Hill股份有限公司(1994)发表的“电力系统稳定与控制”(“Power System Stability and Control”by Prabha Kundur,McGraw Hill Inc.(1994))中可以找到在电气测量与机械扭转振荡之间的亚同步振荡和对应关系的主题的一般介绍。
监测装置14被进一步配置成对于电压峰值使用阈值，并且被配置成对于各阈值施加特定动作。最终动作可以例如是通过向发电机控制器22发送报警消息和/或向发电机断路器13发送控制信号而使涡轮发电机系统1的发电停工。然而，为了避免能量产生的不必要的停工，监测装置14被配置成对于给TSO控制器32发消息使用低阈值，并且对于给发电机控制器22发消息使用低阈值，以在必须停工之前采取进一步的动作。
归因于扭转振荡共振模式的差异，可以确定处于特定水平的电压峰值的严峻性(severeness)。因而，监测装置14应该被配置成对于不同的共振频率使用不同的阈值。
此外，监测装置14被配置成确定电压峰值已高于各阈值的时间段，例如，通过当达到阈值时启动相应的定时器并测量高于阈值的时间段。监测装置14被进一步配置成对于电压峰值水平阈值和时间段阈值的各组合，使用相应的准则，用于选择应该采取的动作。监测装置14被配置成对于电压峰值水平和时间段的组合使用不同的准则，该准则可以从经历不同扭转振荡共振模式时的涡轮发电机的轴23的应力分析来确定。
此外，对应于扭转振荡共振的各电压峰值的幅度或幅度与(电压峰值的)频率成比例。监测装置14被配置成使用亚同步电压峰值的幅度和对应的超同步电压峰值的幅度的关系，以通过在比较电压峰值时使用电压峰值的幅度及其相应的频率两者来推断识别出的电压峰值是否对应于扭转共振振荡。比较电压峰值的幅度，使得能够提供电压峰值是否真正地指示出扭转共振振荡的准确推断。除了对确定出的电压峰值频率比较之外或者作为其取代，可以进行幅度比较。图2中指示出两个这样的幅度Usub,i和Usup,i。亚同步电压峰值的幅度Usub i应该与扭转振荡幅度和频率fsub i(其等于f0－fi)成比例，并且超同步电压峰值的幅度Usub i应该与扭转振荡幅度和频率fsup i(其等于f0+fi)成比例。
因此，超同步电压峰值与亚同步电压峰值之间的比率Usup,i/Usub,i应该等于超同步频率与亚同步频率之间的比率fsup,i/fsub,i，其等于(f0+fi)/(f0－fi)。
监测装置14可以被配置成通过比较超同步电压峰值与亚同步电压峰值幅度Usup,i、Usub,i之间的比率和超同步频率与亚同步频率(可能是fsup,i、fsub,i)之间的比率来推断识别出的峰值是否对应于扭转共振振荡。
在图示出用于检测扭转共振振荡的方法的图3中总结了监测装置14的所描述的功能。将与图4有关地描述配置用于执行图3的方法的监测装置14的实施例。
图3用于监测涡轮发电机系统1的扭转振荡的方法开始于监测101在发电机11的输出端子12处的电压。方法还可以包括监测102在输出端子12处的电流。
方法继续执行电压的频率含量的多个分析(步骤103-109)，以检测涡轮发电机系统1在多个共振频率f1-fn处的扭转共振振荡。对于被分析的共振频率f1-fn的各共振频率fi，所执行的步骤相同。
方法包括对于各被分析的共振频率fi识别103在亚同步共振频率子带subi中的第一电压峰值和在超同步共振频率子带supi中的第二电压峰值。
识别103可以包括对于各识别出的电压峰值启动定时器，使得自检测到电压峰值以来经过的时间段可用。定时器可以可选地在方法步骤的任何其他步骤期间启动，例如在步骤109或步骤111中。
如果监测输出端子12电流，则识别103还包括识别103在各亚同步共振频率周围的窄子带内的电流峰值，和识别103在各对应的超同步共振频率周围的窄子带内的电流峰值。
方法继续确定105各电压峰值(即在亚同步频率子带(subi)中的第一电压峰值和在超同步频率子带(supi)中的第二电压峰值)的幅度。
方法继续确定106各电压峰值的频率。尽可能确切地确定各频率，并且可以使用确定出的频率来校正对应的共振频率的值。
对于各共振频率fi确定106电压峰值包括通过确定电压峰值在亚同步频率子带subi内的位置来确定亚同步电压峰值的频率(很可能在fsub,i处)，和通过确定电压峰值在超同步频率子带supi内的位置来确定106超同步电压峰值的频率(很可能在fsup,i处)。
方法继续将对应于被分析的共振频率fi的识别出的亚同步电压峰值与对应于被分析的共振频率fi的识别出的超同步电压峰值进行比较107。
亚同步电压峰值与超同步电压峰值的比较107包括：确定所确定出的亚同步频率与确定出的超同步频率相比是否在到发电机基频相距相同的距离处但在相反的方向上。因此，确定107包括确立亚同步频率被发电机基频镜像在超同步频率处(很可能在fsup,i处)。
如果频率被镜像，则可以推断(109)确定出的频率是对应于涡轮发电机系统1的被分析的共振频率fi的亚同步共振频率fsub,i和超同步共振频率fsup,i。
因此，方法继续推断109识别出的电压峰值是否指示出在对应的共振频率fi处的在涡轮发电机系统1的轴23中的扭转共振振荡。
推断109涡轮发电机系统1是否经历了在共振频率fi处的扭转共振振荡还可以包括：确定亚同步电压峰值的幅度Usub,i与超同步电压峰值的幅度Usup,i的比率。推断还包括：确定亚同步电压峰值的频率(fsub,i)与超同步电压峰值的频率(fsup,i)的比率。如果涡轮发电机系统1经历扭转共振振荡，则这两个比率应该基本上相等。因此，推断确立幅度的比率和频率的比率是否基本上相等。
如果可能没有检测到扭转共振振荡，则方法继续监测101发电机端子12电压。
如果可能确立扭转共振振荡，则方法优选地通过借助于显示器和/或扬声器向操作者警报110该结果。方法在向操作者输出该结果并且还采取进一步动作(在111中)之后继续监测。
采取动作的过程111包括改变电传输系统30的电气特性的动作和/或用于调节涡轮发电机系统1的动作。涡轮发电机系统1的调节可以包括控制发电机的磁化电流以抵消在共振频率f1-fn中的任一个处的在电传输系统30与涡轮发电机系统1之间的相互作用。优选地，采取动作的过程包括以下动作中的至少一个：
a)向电传输系统30的传输系统操作者发送消息，以便改变电传输系统的性质，和
b)向发电机控制器22发送消息，以便改变涡轮发电机系统1的控制性质，或者向发电机控制器22发送报警消息，以便使涡轮发电机系统1与电传输系统30断开连接。
采取动作的过程111还可以考虑从已识别出电压峰值时起经过的时间。因此，采取动作的过程111可以包括基于经过时间来选择动作，并且
在达到第一时间阈值时：
-向电传输系统30的传输系统操作者发送信息以改变电传输系统的性质，和
在达到第二时间阈值时：
-向涡轮发电机系统1的发电机控制器22发送报警以使涡轮发电机系统1停工。优选地，第一时间阈值小于第二时间阈值。
采取动作的过程111可以包括基于经过时间来选择动作，并且
在达到第三时间阈值时：
-向涡轮发电机系统1的发电机控制器22发送消息以改变涡轮发电机系统1的控制性质，和
在达到第二时间阈值时：
-向涡轮发电机系统1的发电机控制器22发送报警以使涡轮发电机系统1停工。优选地，第三时间阈值小于第二时间阈值。
采取动作的过程111可以基于从已识别出电压峰值时起经过的时间和电压峰值的幅度。因此，采取动作的过程111可以包括基于经过时间和幅度来选择动作，在满足包括幅度阈值和经过时间阈值的组合的准则时选择该动作。准则还可以取决于电传输系统的操作条件和/或涡轮发电机系统1的操作条件。
图4图示出监测装置14的实施例。监测装置14包括用于接收电压信号的输入41、控制器或控制单元42和诸如用于传送消息的通信接口等的输出单元49。输入41可以适于接收除了电压信号之外的电流信号。监测装置14还可以包括用于显示器或扬声器的输出。
监测装置14是包括处理器和存储器的计算机单元，但在图4中通过作为用于执行监测装置14的功能的硬件和软件的组合的功能单元42-48图示出，已参照图1至图3描述了该功能。控制单元42包括：
-峰值识别器43，用于识别电压峰值；
-幅度确定器44，用于确定电压峰值的幅度；
-频率确定器45，用于确定电压峰值的频率；
-比较单元46，用于比较亚同步子带中的电压峰值与对应的超同步子带中的电压峰值，和
-决定单元47，用于推断是否检测到涡轮发电机系统1的扭转共振振荡，该决定单元47包括用于测量从已识别出指示了扭转共振振荡的电压峰值时起的时间的定时器48。
控制单元42被配置成执行接收到的电压信号的频率含量的分析。峰值识别器43被配置成通过识别成对的亚同步共振频率和超同步共振频率fsub,i、fsup,i子带subi、supi中的电压峰值来识别接收到的电压信号中的电压峰值，各对对应于涡轮发电机系统1的相应的共振频率fi。
幅度确定器44被配置成确定识别出的电压峰值的幅度Usub,i、Usup,i。
频率确定器45被配置成确定已在围绕相应的亚或超同步共振频率fsub,i、fsup,i的子带subi、supi中识别出的各电压峰值的相应频率。
比较单元46被配置成比较已在对应于特定共振频率fi的相应成对的子带subi、supi中识别出的电压峰值。比较单元46适于在确定出的电压峰值的频率的基础上做出电压峰值的比较。比较单元46还适于在确定出的电压峰值的幅度Usub,i、Usup,i的基础上做出电压峰值的比较。
决定单元47被配置成：如果确定出的频率的比较指示出确定出的频率是对应于涡轮发电机系统1的扭转共振振荡模式中的任一个的共振频率fi的亚同步和超同步共振频率fsub,i、fsup,i，则推断涡轮发电机系统1是否经历扭转共振振荡。决定单元47还被配置成当它检测到扭转共振振荡时采取适当的动作，并且基于确定出的电压峰值幅度Usub,i、Usup,i来选择动作。此外，决定单元47还被配置成在涡轮发电机系统1已经历扭转共振振荡的时间段的基础上选择动作。为了确定时间段，决定单元47包括用于测量扭转共振振荡的时间的定时器48，并且决定单元47适于在每当它检测到在共振频率中的任一个fi处的扭转振荡时借助于定时器48的时间来开始测量。
决定单元47被配置成借助于输出单元49来执行所选择的动作，诸如向电气传输系统30的传输系统操作者或者向涡轮发电机系统1的发电机控制器传送警报消息。
各单元42-47可以进一步适于依照已参照图1至图3描述的监测装置14的实施例的功能来执行其功能。
已利用图中图示出的实施例描述了用于检测涡轮发电机系统1的扭转振荡的监测装置和方法。然而本发明不限于这些实施例，而是可以在权利要求的范围内变化。图示出的方法的实施例包括监测101涡轮发电机系统1的输出端子12的电压中的每一个，并且分析103-109各电压的频率含量。对于涡轮发电机系统1的各被监测的共振频率fi，分析包括：
-识别103在亚同步频率子带subi中的第一电压峰值，和在超同步频率子带supi中的第二电压峰值，
-比较107第一电压峰值与第二电压峰值，和
-从该比较推断涡轮发电机系统1是否经历在共振频率fi处的扭转振荡。
监测装置14的图示出的实施例包括用于接收代表输出端子12的电压的电压信号的输入部件41，和被配置成执行电压信号的频率含量的数字分析的控制单元42。控制单元42的图示出的实施例被配置成：
-识别在围绕亚同步共振频率fsub,i的子带subi中的第一电压峰值；
-识别在围绕超同步共振频率fsup,i的子带supi中的第二电压峰值；
-确定第一电压峰值的频率；
-确定第二电压峰值的频率
-比较第一电压峰值的频率与第二电压峰值的频率，并且基于该比较推断涡轮发电机系统1是否经历在任何共振频率fi处的扭转振荡。
Claims (15)
1.一种用于监测涡轮发电机系统(1)的扭转振荡的方法，所述涡轮发电机系统(1)包括具有连接至电传输系统(30)的输出端子(12)的发电机(11)，其中所述涡轮发电机系统(1)借助于所述输出端子(12)向所述电传输系统(30)提供电功率，所述方法包括
-监测(101)所述输出端子(12)的电压中的每一个，
-分析(103-109)各电压的频率含量以检测在所述涡轮发电机系统(1)的多个共振频率(f1-fn)处的扭转振荡，
其特征在于
对于各共振频率(fi)，分析所述频率含量包括：
-识别(103)在亚同步频率子带(subi)中的第一电压峰值，和在超同步频率子带(supi)中的第二电压峰值，
-比较(107)所识别出的第一电压峰值与所识别出的第二电压峰值，和
-从所述第一电压峰值和所述第二电压峰值的比较，推断(109)所述涡轮发电机系统(1)是否经历在对应的共振频率(fi)处的扭转振荡。
2.根据权利要求1所述的方法，包括通过确定所述第一电压峰值在所述亚同步频率子带(subi)内的位置来确定(106)所述第一电压峰值的频率(fsub,i)，和通过确定所述第二电压峰值在所述超同步频率子带(supi)内的位置来确定(106)所述第二电压峰值的频率(fsup,i)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中比较(107)所述第一电压峰值和所述第二电压峰值包括：确定所确定出的所述第一电压峰值的频率(fsub,i)是否被所确定出的所述第二电压峰值的频率(fsup,i)镜像在发电机基频的相对侧上。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，包括确定(105)各电压峰值的幅度。
5.根据权利要求4所述的方法，其中推断(109)所述涡轮发电机系统(1)是否经历在对应的共振频率(fi)处的扭转振荡包括：确立所述第一电压峰值的幅度(Usub,i)与所述第二电压峰值的幅度(Usup,i)的比率等于所述第一电压峰值的频率与所述第二电压峰值的频率之间的比率。
6.根据权利要求1至3和5中的任一项所述的方法，包括监测(102)电流和识别(103)在围绕各亚同步共振频率的窄带内的电流峰值并且识别(103)在围绕各对应的超同步共振频率的窄带内的峰值。
7.根据权利要求1至3和5中的任一项所述的方法，包括：如果检测到扭转共振振荡则执行(111)动作，所述动作包括以下动作中的至少一个：
a)向所述电传输系统(30)的传输系统操作者发送消息，以便改变所述电传输系统的属性，和
b)向发电机控制器(22)发送报警消息。
8.根据权利要求7所述的方法，包括测量从识别出电压峰值时起的时间，并且其中执行(111)动作的步骤包括选择要执行的动作，所述选择是基于所经过时间，并且
在达到第一时间阈值时：
-向所述电传输系统(30)的所述传输系统操作者发送消息，和
在达到第二时间阈值时：
-向所述涡轮发电机系统的发电机控制器发送报警，其中所述第一时间阈值小于所述第二时间阈值。
9.根据权利要求7所述的方法，包括测量从识别出电压峰值时起的时间，并且其中执行(111)动作的步骤包括选择要执行的多个动作，所述选择是基于所述经过时间和基于所述电压峰值的幅度，并且在满足多个准则中的每一个时执行所述选择的动作，其中各准则包括幅度阈值和时间阈值的组合。
10.一种用于检测涡轮发电机系统(1)中的扭转共振振荡的监测装置(14)，所述涡轮发电机系统(1)包括具有用于向电传输系统(30)馈送生成的电功率的输出端子(12)的发电机(11)，且包括
-输入部件(41)，用于接收代表所述输出端子(12)的电压的电压信号，和
-控制单元(42)，被配置成执行接收到的电压信号的频率含量的数字分析，以检测在所述涡轮发电机系统(1)的多个共振频率(f1-fn)处的扭转振荡，并且所述控制单元(42)对于各共振频率(fi)被配置成：
-识别在围绕对应于所述共振频率(fi)的亚同步共振频率(fsub,i)的子带(subi)中的第一电压峰值，
-识别在围绕对应于所述共振频率(fi)的超同步共振频率(fsup,i)的子带(supi)中的第二电压峰值；和
其特征在于所述控制单元(42)被配置成：
-通过确定所述第一电压峰值在围绕所述亚同步共振频率(fsub,i)的所述子带(subi)内的位置来确定所述第一电压峰值的频率；
-通过确定所述第二电压峰值在围绕所述超同步共振频率(fsup,i)的所述子带(supi)内的位置来确定所述第二电压峰值的频率
-比较所确定出的所述第一电压峰值的频率与所确定出的所述第二电压峰值的频率，和
基于所确定出的频率的比较的结果来
-推断所述涡轮发电机系统(1)是否经历在所述共振频率(fi)处的扭转振荡。
11.根据权利要求10所述的监测装置(14)，其中比较所确定出的频率确立所确定出的所述第一电压峰值的频率是否被所述电压信号的主频(f0)镜像在所确定出的所述第二电压峰值的频率处。
12.根据权利要求10或11所述的监测装置(14)，其中所述控制单元(42)被配置成：
-确定所述第一电压峰值的幅度(Usub,i)；
-确定所述第二电压峰值的幅度(Usup,i)；
-比较所确定出的所述第一电压峰值和所述第二电压峰值的幅度(Usub,i，Usup,i)，和
基于所确定出的频率的比较的结果和所确定出的幅度(Usub,i，Usup,i)的比较的结果来
-推断所述涡轮发电机系统(1)是否经历在所述共振频率(fi)处的扭转振荡。
13.根据权利要求12所述的监测装置(14)，其中所确定出的幅度(Usub,i，Usup,i)的比较确立：所述第一电压峰值的幅度(Usub,i)与所述第二电压峰值的幅度(Usup,i)之间的比率(Usub,i/Usup,i)是否等于所确定出的所述第一电压峰值的频率与所确定出的所述第二电压峰值的频率之间的比率。
14.根据权利要求10、11和13中的任一项所述的监测装置，进一步包括用于传送信息的输出单元(49)，其中所述控制单元(42)被配置成：
-当检测到扭转共振振荡时借助于所述输出单元(49)传送警报信息，所述警报信息被传送至
-所述电气传输系统(30)的控制器(32)，或
-所述涡轮发电机系统(1)的发电机控制器( 22 )。
15.根据权利要求10、11和13中的任一项所述的监测装置，进一步包括适于接收代表所述输出端子(12)的电流的电流信号的输入部件(41)，其中所述控制单元(42)适于对接收到的电流信号的频率含量执行数字分析，其中所述控制单元(42)适于识别在围绕各亚同步共振频率的窄带内的电流峰值，和识别在围绕各对应的超同步共振频率的窄带内的峰值，并且进一步适于从所述电压峰值的比较以及从所述电流信号的频率分析来推断所述涡轮发电机系统(1)是否经历在所述共振频率(fi)处的扭转振荡。
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