CN107607261A - 一种获取发电机组转子转动惯量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取发电机组转子转动惯量的方法，涉及发电机技术领域。所述获取发电机组转子转动惯量的方法，通过对传统甩负荷试验获取发电机组转子转动惯量误差大的引发机理进行分析，提出引入了机组甩负荷过程中所受阻力功率的能量转换平衡方程，通过联立方程求解，获取转子转动惯量；由于考虑了阻力因素，所获得的转子转动惯量的精度提高，有效减少了误差。

Description

一种获取发电机组转子转动惯量的方法

技术领域

本发明属于发电机技术领域，尤其涉及一种获取发电机组转子转动惯量的方法。

背景技术

电网稳定计算分析中发电机模型参数之一的发电机动能由发电机组转子转动惯量确定，工程中为了获得发电机组转子转动惯量，均采用机组甩负荷试验方法测量获取，然而试验过程中发电机组甩不同功率的负荷，计算出来的发电机组转子转动惯量并不一致，并且差别较大。针对获得的转子转动惯量偏差大问题，田丰提出甩负荷试验转子惯量计算方法研究，对转速飞升曲线采用三类函数进行拟合，求取转子的初始飞升速率，但是结果差别很大；蒋自国提出转动惯量的计算方法，应用微元法给出在三维欧式空间中质量曲线和质量立体对任意一条直线的转动惯量的计算公式，给出对坐标轴的转动惯量的简化计算公式；李慧鹏等提出基于阻尼比实时算法的转动惯量测量研究，利用振幅测量和阻尼比实时算法实时计算扭摆系统的阻尼比，从而测量转动惯量值；这类现有技术均未从引发转子转动惯量计算或测量偏差的机理出发开展研究。

以某额定功率为700MW级、额定转速107.143r/min、额定水头为140m的水轮发电机组为例，采用传统的甩负荷试验方法获取转子转动惯量：发电机组带负荷稳定运行，调速器处于自动运行方式，直接跳发电机出口开关甩负荷后带空载运行，厂用电由电网提供，发电机组甩负荷后水轮机转速由调速器自动调节，试验共进行了4个负荷点甩负荷，分别是180.380MW、350.025MW、530.860MW、692.059MW，转子飞升过程录波如图1所示；

在甩负荷试验过程中，传统方法假设全部的机械功率都将转化为动能存储在转子轴系内，通过动力学推导，机组的能量转化符合以下公式：

其中：J为发电机转子转动惯量(kg·m²)，ω₁由甩负荷后选定起始转速r₁(Hz)计算获得(rad/s)，ω₂由甩负荷后起始点后t秒机组转速r₂(Hz)计算获得(rad/s)，n₀为机组额定转速，P₀为甩负荷前机组功率(W)。

通过甩负荷试验数据如表1中的第2至5行数据，表中起始转速r₁、t时刻转速r₂和转速飞升时间t是根据甩负荷后转速飞升曲线，取曲线上斜率最大一段直线上的两点来确定的；根据式(1)可计算出发电机转子转动惯量，如表1中的第6行数据；从所计算出的发电机转子转动惯量计算值来看，随着甩负荷功率值的增大，其转动惯量逐渐减小，且越接近该发电机组转子转动惯量出厂设计值55000000kg·m²；表1中计算出的发电机转子转动惯量最大值和最小值差值为5537474kg·m²，差值达到出厂设计值的10.07％；在甩负荷值692.059MW接近额定负荷700MW时，发电机组转子转动惯量计算值最小，为59885220kg·m²，与出厂设计值仍有8.88％的偏差。

表1甩负荷试验数据与转子转动惯量传统方法的计算值

名称	单位	数据	数据	数据	数据
						甩负荷功率P0	MW	180.380	350.025	530.860	692.059
起始转速r1	Hz	50.1094	50.3898	50.4251	50.3697
						t时刻转速r2	Hz	50.932	52.3221	55.3826	56.4214
转速飞升时间t	s	0.759	0.895	1.525	1.408
						转子转动惯量J	kg·m2	65422694	62692142	60986327	59885220

从发电机组甩不同功率的负荷，计算出来的发电机组转子转动惯量差别较大的引发问题的机理来看，由于发电机转子在甩负荷后转速飞升过程中阻力的存在，使得机组在甩负荷后作用在发电机转子上的机械功率除了转化为转子的动能之外，还有一部分功率需用于克服阻力做功，相当于阻力对发电机转子做负功，使实际的转子转速飞升量没有无阻力时大，因而目前广泛使用的传统计算方法由于是忽略了阻力的一种简化算法，从原理上是存在误差的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种获取发电机组转子转动惯量的方法，采用转子转动过程中能量转换平衡方程进行分析计算，以获取高精度的发电机组转子转动惯量。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种获取发电机组转子转动惯量的方法，包括如下几个步骤：

(1)确认发电机组具备甩负荷的基本条件，将发电机功率、机组转速、发电机定子电流等信号接入具有同步采集功能的信号采集仪；

(2)根据试验要求调整机组负荷，分别在不同负荷点分别进行甩负荷试验，最后一次甩负荷试验应在所允许的最大负荷下进行；记录甩负荷功率、起始转速、t时刻转速、转速飞升时间和转子转动惯量设计值等有关数据，录制发电机功率、转子转速等参数在甩负荷过程的变化曲线；

(3)引入发电机组甩负荷转子转速飞升过程中所受阻力功率，采用转子转动过程中能量转换平衡方程进行分析计算，通过联立方程求解，获取发电机组转子转动惯量。

进一步的，所述步骤(1)中的信号采集仪包括数据处理器、采集通道控制器、模数转换器、光电隔离继电器组、串口模块、频率模块以及无线收发模块；所述数据处理器分别与串口模块、模数转换器以及采集通道控制器连接，所述采集通道控制器与光电隔离继电器组连接，所述光电隔离继电器组与多个传感器连接；所述串口模块分别与无线收发模块和频率模块连接；所述数据处理器、模数转换器与采集通道控制器之间进行数据交换。

进一步的，所述多个传感器包括机组功率变送器、机组机端电压互感器以及交流电流变送器。

进一步的，所述步骤(2)中的不同负荷点分别为额定负荷的25％、50％、75％和100％。

进一步的，所述步骤(3)中引入阻力所做功率P_阻后，能量转换平衡方程采用下式：

其中：J为发电机转子转动惯量(kg·m²)，ω₁由甩负荷后选定起始转速r₁(Hz)计算获得(rad/s)，ω₂由甩负荷后起始点后t秒机组转速r₂(Hz)计算获得(rad/s)，n₀为机组额定转速，P₀为甩负荷前机组功率(W)，P_阻为机组转子转速飞升过程中阻力所做的功率(W)。

与现有技术相比，本发明所提供的获取发电机组转子转动惯量的方法，通过对传统甩负荷试验获取发电机组转子转动惯量误差大的引发机理进行分析，提出引入了机组甩负荷过程中阻力所做功率的能量转换平衡方程，通过联立方程求解，获取转子转动惯量；由于考虑了阻力因素，所获取的转子转动惯量的精度提高，有效减少了误差。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明某额定功率为700MW级、额定转速107.143r/min、额定水头为140m的水轮发电机组甩负荷转子飞升过程录波图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明所提供的一种获取发电机组转子转动惯量的方法，包括如下几个步骤：

(1)确认发电机组具备甩负荷的基本条件，将发电机功率、机组转速、发电机定子电流等信号接入具有同步采集功能的信号采集仪；

(2)根据试验要求调整机组负荷，分别在不同负荷点分别进行甩负荷试验，最后一次甩负荷试验应在所允许的最大负荷下进行；记录甩负荷功率、起始转速、t时刻转速、转速飞升时间和转子转动惯量设计值等有关数据，录制发电机功率、转子转速等参数在甩负荷过程的变化曲线；

(3)引入发电机组甩负荷转子转速飞升过程中所受阻力功率，采用转子转动过程中能量转换平衡方程进行分析计算，通过联立方程求解，获取发电机组转子转动惯量。

步骤(1)中的信号采集仪包括数据处理器、采集通道控制器、模数转换器、光电隔离继电器组、串口模块、频率模块以及无线收发模块；数据处理器分别与串口模块、模数转换器以及采集通道控制器连接，采集通道控制器与光电隔离继电器组连接，光电隔离继电器组与多个传感器连接；数据处理器、模数转换器与采集通道控制器之间通过公共数据通道进行数据交换；数据处理器采用单片机12C5A60S2，能够完全兼容传统的8051，但数据处理速度提高8-12倍；模数转换器采用AD574芯片；串口模块为以串口芯片232为核心的串口电路；该信号采集仪通过多个传感器实时采集模拟信号，将采集到的模拟信号转换成数字信号，并传输给数据处理器进行数据处理，再通过无线收发模块以无线传输的方式上送给终端，以获取有关数据，录制转子飞升过程的功率、转速等参数变化曲线及过程曲线。

多个传感器包括机组功率变送器、机组机端电压互感器、5A(RMS)/±1V(PP)交流电流变送器。

步骤(3)中引入阻力所做功率P_阻后，能量转换平衡方程采用下式(2)：

其中：J为发电机转子转动惯量(kg·m²)，ω₁由甩负荷后选定起始转速r₁(Hz)计算获得(rad/s)，ω₂由甩负荷后起始点后t秒机组转速r₂(Hz)计算获得(rad/s)，n₀为机组额定转速，P₀为甩负荷前机组功率(W)，P_阻为机组转子转速飞升过程中阻力所做的功率(W)。

实施例1

本发明以某额定功率为700MW级、额定转速107.143r/min、额定水头为140m的水轮发电机组为例，通过甩负荷试验以及能量转换平衡方程获取发电机组转子转动惯量。

根据试验要求调整机组负荷，分别在四个不同负荷点180.380MW、350.025MW、530.860MW、692.059MW分别进行甩负荷试验，记录有关数据，录制转子飞升过程录波图，如图1和表1所示。

将180.380MW、350.025MW、530.860MW、692.059MW功率甩负荷试验数据代入式(1)分别得到如下4个方程：

甩180.380MW方程：2.0926748J+0.759P_阻＝136908420 (3)

甩350.025MW方程：4.9970695J+0.895P_阻＝313272375 (4)

甩530.860MW方程：11.7163566J+1.346P_阻＝714537560 (5)

甩692.059MW方程：16.2714452J+1.408P_阻＝974419072 (6)

表2根据式2-5联立二元一次方程求解转子转动惯量计算值(单位：kg·m²)

表3根据式2-5联立二元一次方程求解阻力功率计算值(单位：MW)

表4阻力功率占比(单位：％)

从表2的转子转动惯量计算值可以看出，机组甩负荷功率越大的两个方程组算出的发电机转子转动惯量越小，且越接近出厂设计值为55000000kg·m²。根据甩负荷功率692.059MW和530.860MW数据联立二元一次方程求解转子转动惯量计算值为56524358.98kg·m²，与出厂设计值的仅有2.77％的偏差，其精度明显提高。

从表3的阻力功率计算值可以看出，机组甩25％到100％额定负荷，阻力功率其取值范围在14.8MW至38.9MW，基本上属于同一数量级，满足假设机组在不同的甩负荷工况所受到的阻力单位时间所做的功在数量级上基本相同而联立的方程式(2)的要求。从表3的数据也看出，甩负荷功率值越低所得能量平衡方程所求解的阻力功率计算值越低，甩负荷功率值高的所联立能量平衡方程组求解的阻力功率计算值越高，说明机组甩高负荷时所受到的阻力较大。

从表4的阻力功率计算值可以看出，将机组甩负荷功率692.059MW方程分别与甩负荷功率为180.380MW、350.025MW、530.860MW联立求解，获得的阻力矩功率相对于所联立方程对应的甩负荷功率占比分别为11.12％、8.66％、7.32％，可见甩负荷功率越低，阻力功率占比越高。将机组甩负荷功率530.860MW方程分别与180.380MW、350.025MW联立求解，获得的阻力功率占比也有相同规律。

从上述计算和分析可知，由于考虑了阻力因素，通过联立方程组求得的转子转动惯量，有效减少了误差，提高了转子转动惯量的精度。通过实验数计算分析发现，随着甩负荷功率增大，消除阻力引入的误差效果越好，相应试验数据联立方程组求得的转子转动惯量越准确可靠。

实施例2

本发明以某额定功率为1000MW级、额定转速1500r/min的核电汽轮发电机组轴系转子转动惯量设计值566758kg·m²为例。

根据试验要求调整机组负荷，分别在两个不同负荷点475MW、1075MW分别进行甩负荷试验，记录有关数据表5所示，并采用传统的甩负荷试验方法获取转子转动惯量的计算值，如表5所示。

表5甩负荷试验数据与传统方法获得转子转动惯量计算值

对甩负荷试验通过传统计算方法获得的发电机组转子转动惯量进行分析，从表5可知，两个负荷点475MW、1075MW所获得的发电机组转子转动惯量计算值分别为595118.21kg·m²、577893.85kg·m²，与出厂设计值566758kg·m²的偏差分别为5％、1.96％。

采用本发明获得转子转动惯量，将475MW、1075MW功率甩负荷试验数据代入式(2)分别得到如下2个方程：

甩475MW方程：244.2371914J+0.306P_阻＝145350000 (7)

甩1075MW方程：602.7058426J+0.324P_阻＝348300000 (8)

根据甩负荷功率475MW和1075MW得到的式(7)和(8)，联立二元一次方程求解转子转动惯量计算值为564949.16kg·m²，与出厂设计值566758kg·m²相比，仅有0.32％的偏差，其精度明显提高。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种获取发电机组转子转动惯量的方法，其特征在于，包括如下几个步骤：

(1)确认发电机组具备甩负荷的基本条件，将发电机功率、机组转速、发电机定子电流信号接入具有同步采集功能的信号采集仪；

(2)根据试验要求调整机组负荷，分别在不同负荷点分别进行甩负荷试验，最后一次甩负荷试验应在所允许的最大负荷下进行；记录甩负荷功率、起始转速、t时刻转速、转速飞升时间和转子转动惯量设计值，录制发电机功率、转子转速在甩负荷过程的变化曲线；

(3)引入发电机组甩负荷转子转速飞升过程中所受阻力功率，采用转子转动过程中能量转换平衡方程进行分析计算，通过联立方程求解，获取发电机组转子转动惯量。

2.如权利要求1所述的获取发电机组转子转动惯量的方法，其特征在于：所述步骤(1)中的信号采集仪包括数据处理器、采集通道控制器、模数转换器、光电隔离继电器组、串口模块、频率模块以及无线收发模块；所述数据处理器分别与串口模块、模数转换器以及采集通道控制器连接，所述采集通道控制器与光电隔离继电器组连接，所述光电隔离继电器组与多个传感器连接；所述串口模块分别与无线收发模块和频率模块连接；所述数据处理器、模数转换器与采集通道控制器之间进行数据交换。

3.如权利要求2所述的获取发电机组转子转动惯量的方法，其特征在于：所述多个传感器包括机组功率变送器、机组机端电压互感器以及交流电流变送器。

4.如权利要求1所述的获取发电机组转子转动惯量的方法，其特征在于：所述步骤(2)中的不同负荷点分别为额定负荷的25％、50％、75％和100％。

5.如权利要求1所述的获取发电机组转子转动惯量的方法，其特征在于：所述步骤(3)中引入阻力所做功率P_阻后，能量转换平衡方程采用下式：

其中：J为发电机转子转动惯量(kg·m²)，ω₁由甩负荷后选定起始转速r₁(Hz)计算获得(rad/s)，ω₂由甩负荷后起始点后t秒机组转速r₂(Hz)计算获得(rad/s)，n₀为机组额定转速，P₀为甩负荷前机组功率(W)，P_阻为机组转子转速飞升过程中阻力所做的功率(W)。