CN113779697A - 一种汽轮发电机组扭振联合仿真方法、装置及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽轮发电机组扭振联合仿真方法，属于汽轮发电机组扭振仿真技术领域。首先对汽轮发电机组扭振故障进行仿真，并改进轴系扭振响应计算方法，建立轴系的多段集中质量模型，进行解耦变换，采用模态截断法保留满足分析需要的模态实现降阶。由于是全转动惯量、刚度和阻尼矩阵变换，所以计算精度和采用高阶响应计算方法是相同的，同时大幅提升了计算效率，保留了多段模型的轴系振荡特性，使得仿真更加完整准确，同时大幅提高了仿真效率，适合用于实现机电网的联合仿真。

Description

一种汽轮发电机组扭振联合仿真方法、装置及存储介质
技术领域
本发明属于汽轮发电机组扭振仿真技术领域，具体涉及一种汽轮发电机组扭振联合仿真方法、装置及存储介质。
背景技术
许多地区能源分布与负荷需求分布不平衡，因此往往需要远距离输电，为增加电力输送能力，通常采用假装串联补偿电容或高压直流输电，而这些措施会增加汽轮发电机组发生次同步振荡的风险。
在对次同步振荡分析中常采用时域仿真法，能直观得到各信号在随时间的动态过程，目前常采用PSCAD/EMTDC等电磁仿真软件求解汽轮发电机组及电力系统的微分方程，其中轴系模型采用的是五个或六个质量块单元，中间由弹簧单元连接，这种简单的质量模型虽然能加快仿真速度，但对于次同步谐振故障，由于存在机网之间的耦合作用在，这种简单质量模型受到模化过程的影响，无法准确反应轴系扭转振动特性，使得仿真结果与实际情况存在偏差。
另外，采用简单质量模型时通常是将高压转子、中压转子。低压转子和发电机转的个等效为一个轴段，所以得到的扭矩响应也是每个轴段上的等效力矩，很难得到轴系细节，尤其是各个危险截面的的扭振响应，常用的方法是将采用简单质量模型进行仿真分析得到的电磁力矩和蒸汽力矩导出，然后施加到另外的轴系详细分析模型中，已获得各个关心的截面扭振响应，而由于得到的电磁力矩和蒸汽力矩已经受到上述模化过程的影响存在偏差，所以最终计算得到的截面扭振响应也与实际情况不相符合。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种汽轮发电机组扭振联合仿真方法、装置及存储介质，在保证结果足够精确的前提下，大大减少了计算量，提高了仿真效率。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种汽轮发电机组扭振联合仿真方法，包括以下步骤：
S1：根据汽轮发电机组轴系的各项参数建立汽轮发电机转子轴系的多段集中质量模型，获取转动惯量矩阵、扭转刚度矩阵和机械阻尼矩阵；
S2：对多段集中质量模型进行解耦变换，根据扭振固有频率计算结果对扭振故障特征频率范围进行模态斩断，建立轴系的扭振响应计算模型；
S3：获取汽轮发电机组及电力系统的各项参数，建立发电机及电力系统的电气模型；
S4：启动电气模型，根据当前发电机转子转速计算当前步长的电磁力矩，并传递给多段集中质量模型；
S5：将当前步长的电磁力矩与上一步长的电磁力矩作差，得到电磁力矩变化量，并计算每个等值转子的输入激励，扭振响应计算模型计算每个模态的扭角增量；
S6：将每个模态的扭角增量通过加权获得关键截面和发电机转子的扭角增量，再经过微分获得角速度增量；将角速度增量与上一步长的扭角和角速度状态量叠加，获得当前步长关键截面的扭角和扭力矩，以及发电机转子转速；
S7：将发电机转子转速传递给电气模型，开始下一步长的仿真；
S8：重复S4～S7，直至达到预设的仿真总时长，实现机电网的联合仿真，输出需要的计算结果。
优选地，S1中，汽轮发电机组轴系的各项参数包括轴系的结构参数和材料参数。
优选地，S1具体为：根据汽轮发电机组轴系的各项参数建立汽轮发电机转子轴系的多段集中质量模型，转子的扭转振动运动方程增量形式为：
Figure BDA0003259807280000031
T是作用在各轴段上的外部扭矩向量；
Τ＝[T1 T2…Tn -Te -Tex]T
其中，T1～Tn为作用在汽轮机各轴段上的外部力矩，Te为作用在发电机轴段上的电磁力矩，Tex为作用在励磁机转子上的电磁力矩，D是机械阻尼矩阵；
TJ为转动惯量矩阵，形式为：
Figure BDA0003259807280000032
K为扭转刚度矩阵：
Figure BDA0003259807280000033
δ为各轴段的扭角组成的向量：
δ＝[δ1 δ2…δ5 δ6]T
机械阻尼矩阵：
D＝αTJ+βK
α和β为经验系数。
进一步优选地，S2具体为：
取
Figure BDA0003259807280000034
的右特征向量记为Q时，令
δ＝Qδ(m)
将上式代入转子的扭转振动运动方程增量形式，并同时左乘QT可得：
Figure BDA0003259807280000035
QTTJQ、QTKQ分别为对角矩阵，D(m)＝QTDQ也为对角矩阵，对角线上的元素是各阶模态阻尼。
进一步优选地，S5中，计算每个等值转子的输入激励，具体为：
根据汽轮机各级功率分配情况和电磁力矩分配情况首先计算得到各个轴段上的力矩，记作ΔTi，根据
Figure BDA0003259807280000041
计算作用在每个等值转子上的综合等效力矩：
Figure BDA0003259807280000042
扭振响应计算模型计算每个模态的扭角增量，具体为：
Figure BDA0003259807280000043
进一步优选地，S6中，将每个模态的扭角增量通过加权获得关键截面和发电机转子的扭角增量，具体为：
Figure BDA0003259807280000044
优选地，S3中，发电机及电力系统的电气模型是采用PSCAD建立的。
本发明公开了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的汽轮发电机组扭振联合仿真方法的步骤。
本发明公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的汽轮发电机组扭振联合仿真方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明公开的汽轮发电机组扭振联合仿真方法，对汽轮发电机组扭振故障进行仿真，并改进轴系扭振响应计算方法，建立轴系的多段集中质量模型，进行解耦变换，采用模态截断法保留满足分析需要的模态实现降阶，由于是全转动惯量、刚度和阻尼矩阵变换，所以计算精度和采用高阶响应计算方法是相同的，保留了多段模型的轴系振荡特性，使得仿真更加完整准确；同时，由于采用的是全量参数模型，相比于简单集中质量模型，该方法能获得轴系局部细节的应力应变响应；另外，通过变换将上百阶的扭转振动方程，转变为若干个二阶方程的线性求和，大大降低了方程求解的难度，提高了响应计算的效率，经对比验证，相对于采用高阶方程的多段集中质量模型，该方法的仿真效率能到提高5倍左右，因此该方法适合用于实现机电网的联合仿真。
附图说明
图1为本发明的轴系的扭振响应计算模型；
图2为建立的汽轮发电机组轴系的多段集中质量模型图；
图3为实施例中两种仿真方法的发电机转速差对比图；
图4为实施例中两种仿真方法的发电机转速差频谱对比图。
具体实施方式
下面以附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明的汽轮发电机组扭振联合仿真方法，具体步骤如下：
S1：根据汽轮发电机组轴系的各项参数建立汽轮发电机转子轴系的多段集中质量模型，如图2，获取转动惯量矩阵、扭转刚度矩阵和机械阻尼矩阵；汽轮发电机组轴系的各项参数包括轴系的结构参数和材料参数。
具体为：根据汽轮发电机组轴系的各项参数建立汽轮发电机转子轴系的多段集中质量模型，转子的扭转振动运动方程增量形式为：
Figure BDA0003259807280000051
T是作用在各轴段上的外部扭矩向量；
Τ＝[T1 T2…Tn -Te -Tex]T
其中，T1～Tn为作用在汽轮机各轴段上的外部力矩，Te为作用在发电机轴段上的电磁力矩，Tex为作用在励磁机转子上的电磁力矩，D是机械阻尼矩阵；
TJ为转动惯量矩阵，形式为：
Figure BDA0003259807280000061
K为扭转刚度矩阵：
Figure BDA0003259807280000062
δ为各轴段的扭角组成的向量：
δ＝[δ1 δ2…δ5 δ6]T
机械阻尼矩阵：
D＝αTJ+βK
α和β为经验系数。
S2：对多段集中质量模型进行解耦变换，根据扭振固有频率计算结果对扭振故障特征频率范围进行模态斩断，建立轴系的扭振响应计算模型，如图1；
具体为：
取
Figure BDA0003259807280000064
的右特征向量记为Q时，令
δ＝Qδ(m)
将上式代入转子的扭转振动运动方程增量形式，并同时左乘QT可得：
Figure BDA0003259807280000063
QTTJQ、QTKQ分别为对角矩阵，D(m)＝QTDQ也为对角矩阵，对角线上的元素是各阶模态阻尼。变换后的扭转振动动力学方程组中，将每个方程称为一个等值转子，由模态正交性可知各等值转子只包含了某一阶独立模态的振动信息。
S3：获取汽轮发电机组及电力系统的各项参数，采用PSCAD建立发电机及电力系统的电气模型。
S4：启动电气模型，首次根据发电机转子的初始转速计算电磁力矩，后续循环根据当前发电机转子转速计算当前步长的电磁力矩，并传递给多段集中质量模型。
S5：将当前步长的电磁力矩与上一步长的电磁力矩作差，得到电磁力矩变化量，并计算每个等值转子的输入激励，根据汽轮机各级功率分配情况和电磁力矩分配情况首先计算得到各个轴段上的力矩，记作ΔTi，根据
Figure BDA0003259807280000071
计算作用在每个等值转子上的综合等效力矩：
Figure BDA0003259807280000072
扭振响应计算模型计算每个模态的扭角增量：
Figure BDA0003259807280000073
S6：将每个模态的扭角增量通过加权获得关键截面和发电机转子的扭角增量，再经过微分获得角速度增量：
Figure BDA0003259807280000074
将角速度增量与上一步长的扭角和角速度状态量叠加，获得当前步长关键截面的扭角和扭力矩，以及发电机转子转速。
S7：将发电机转子转速传递给电气模型，开始下一步长的仿真。
S8：重复S4～S7，直至达到预设的仿真总时长，实现机电网的联合仿真，输出需要的计算结果。
下面以一个具体实施例来验证本发明的效果：
对于某600MW火电汽轮发电机组，通过计算其第十阶扭转振动频率为170Hz，已经达到3倍的额定转速，所以本实施例计算过程采用轴系前十模态进行分析，使得方程阶数大大降低，既满足计算精度，又能加快计算速度，计算方法见前叙步骤，通过对289段质量模型进行解耦，截取前十阶模态，得到的仿真结果与采用五段质量模型的传统仿真结果进行对比，两种仿真方法得到的发电机转子转速波形如图3所示，为便于观察截取波形进行放大。
对发电机转子转速差进行频谱分析，结果如图4所示，二者均与轴系的第二阶扭转固有频率一致，但两种仿真频率存在一定区别，从结果可以看出，采用五段质量模型和多段质量模型的仿真结果不能完全一致，其扭角幅值和频率均存在一定偏差，采用多段解耦十阶模型结果更接近实际情况(转子第二阶固有频率为21.1Hz)，说明传统的简单质量模型由于阶数过低，不能与轴系扭振的实际情况完全符合。
本发明还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明所述汽轮发电机组扭振联合仿真方法的步骤。
本发明汽轮发电机组扭振联合仿真方法可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明汽轮发电机组扭振联合仿真方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
基于这样的理解，在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于该计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD))等。
在示例性实施例中，还提供计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述汽轮发电机组扭振联合仿真方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor、DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
需要说明的是，以上所述仅为本发明实施方式的一部分，根据本发明所描述的系统所做的等效变化，均包括在本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种汽轮发电机组扭振联合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据汽轮发电机组轴系的各项参数建立汽轮发电机转子轴系的多段集中质量模型，获取转动惯量矩阵、扭转刚度矩阵和机械阻尼矩阵；
S2：对多段集中质量模型进行解耦变换，根据扭振固有频率计算结果对扭振故障特征频率范围进行模态斩断，建立轴系的扭振响应计算模型；
S3：获取汽轮发电机组及电力系统的各项参数，建立发电机及电力系统的电气模型；
S4：启动电气模型，根据当前发电机转子转速计算当前步长的电磁力矩，并传递给多段集中质量模型；
S5：将当前步长的电磁力矩与上一步长的电磁力矩作差，得到电磁力矩变化量，并计算每个等值转子的输入激励，扭振响应计算模型计算每个模态的扭角增量；
S6：将每个模态的扭角增量通过加权获得关键截面和发电机转子的扭角增量，再经过微分获得角速度增量；将角速度增量与上一步长的扭角和角速度状态量叠加，获得当前步长关键截面的扭角和扭力矩，以及发电机转子转速；
S7：将发电机转子转速传递给电气模型，开始下一步长的仿真；
S8：重复S4～S7，直至达到预设的仿真总时长，实现机电网的联合仿真，输出需要的计算结果。
2.如权利要求1所述的汽轮发电机组扭振联合仿真方法，其特征在于，S1中，汽轮发电机组轴系的各项参数包括轴系的结构参数和材料参数。
3.如权利要求1所述的汽轮发电机组扭振联合仿真方法，其特征在于，S1具体为：根据汽轮发电机组轴系的各项参数建立汽轮发电机转子轴系的多段集中质量模型，转子的扭转振动运动方程增量形式为：
Figure FDA0003259807270000011
T是作用在各轴段上的外部扭矩向量；
Τ＝[T1 T2…Tn -Te -Tex]T
其中，T1～Tn为作用在汽轮机各轴段上的外部力矩，Te为作用在发电机轴段上的电磁力矩，Tex为作用在励磁机转子上的电磁力矩，D是机械阻尼矩阵；
TJ为转动惯量矩阵，形式为：
Figure FDA0003259807270000021
K为扭转刚度矩阵：
Figure FDA0003259807270000022
δ为各轴段的扭角组成的向量：
δ＝[δ1 δ2…δ5 δ6]T
机械阻尼矩阵：
D＝αTJ+βK
α和β为经验系数。
4.如权利要求3所述的汽轮发电机组扭振联合仿真方法，其特征在于，S2具体为：
取
Figure FDA0003259807270000024
的右特征向量记为Q时，令
δ＝Qδ(m)
将上式代入转子的扭转振动运动方程增量形式，并同时左乘QT可得：
Figure FDA0003259807270000023
QTTJQ、QTKQ分别为对角矩阵，D(m)＝QTDQ也为对角矩阵，对角线上的元素是各阶模态阻尼。
5.如权利要求4所述的汽轮发电机组扭振联合仿真方法，其特征在于，S5中，计算每个等值转子的输入激励，具体为：
根据汽轮机各级功率分配情况和电磁力矩分配情况首先计算得到各个轴段上的力矩，记作ΔTi，根据
Figure FDA0003259807270000031
计算作用在每个等值转子上的综合等效力矩：
Figure FDA0003259807270000032
扭振响应计算模型计算每个模态的扭角增量，具体为：
Figure FDA0003259807270000033
6.如权利要求5所述的汽轮发电机组扭振联合仿真方法，其特征在于，S6中，将每个模态的扭角增量通过加权获得关键截面和发电机转子的扭角增量，具体为：
Figure FDA0003259807270000034
7.如权利要求1所述的汽轮发电机组扭振联合仿真方法，其特征在于，S3中，发电机及电力系统的电气模型是采用PSCAD建立的。
8.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7任一项所述的汽轮发电机组扭振联合仿真方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至7任一项所述的汽轮发电机组扭振联合仿真方法的步骤。
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