CN114323378B - 电力测功系统及电力测功的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力测功系统及电力测功的方法。其中，电力测功系统包括电连接在园区电网测试母线上的测功电机、制动电阻、能源管理模块；其中测功电机与转子试件通过可拆卸机械连接，用于将转子试件的动能转化成电能；制动电阻与测功电机并联电连接至园区电网测试母线上，并且制动电阻和测功电机通过园区电网测试母线与能源管理模块电连接；能源管理模块用于在电力测功系统发生故障的情况下，控制测功电机与园区电网测试母线断开连接，并控制制动电阻和测功电机连通，以便测功电机停止向园区电网测试母线输送第一阶段电能，并通过制动电阻消耗第一阶段电能，其中第一阶段电能为转子试件在电力测功系统发生故障时间段产生的电能。

Description

电力测功系统及电力测功的方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种电力测功系统及电力测功的方法。

背景技术

燃气轮机的输出功率是判定燃机性能的重要参数，因此，燃气轮机在出厂前都会对其输出功率进行测试。燃气轮机台架性能试验是衡量燃机动力性能和经济性能的必要手段。燃气轮机台架试验设备作为性能试验的必不可少的装备，其水平高低直接影响到能否如实反映燃机的性能，是否能够提供燃机设计和改进的依据，因此，它在燃气轮机的研制过程中居于非常重要的位置。然而，在试验工作过程中试验件会出现因线路故障、进气开关阀故障或变频器故障等导致空载飞车。试验过程存在空载飞车风险高，可靠性低等技术问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明提供了一种电力测功系统及电力测功的方法，以至少部分解决上述技术问题。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供了一种电力测功系统，包括电连接在园区电网测试母线上的测功电机、制动电阻、能源管理模块；其中：

测功电机，与转子试件可拆卸机械连接，用于将转子试件的动能转化成电能；

制动电阻，与测功电机并联电连接至园区电网测试母线上，并且制动电阻和测功电机通过园区电网测试母线与能源管理模块电连接；

能源管理模块，用于在电力测功系统发生故障的情况下，控制测功电机与园区电网测试母线断开连接，并控制制动电阻和测功电机连通，以便测功电机停止向园区电网测试母线输送第一阶段电能，并通过制动电阻消耗第一阶段电能，其中第一阶段电能为转子试件在电力测功系统发生故障时间段产生的电能。

根据本发明的实施例，电力测功系统还包括：

能耗电阻，通过园区电网测试母线与能源管理模块和测功电机电连接；

能源管理模块，还用于在转子试件启动阶段，控制测功电机和能耗电阻连通，以便测功电机停止向园区电网测试母线输送第二阶段电能，并通过能耗电阻消耗第二阶段电能，其中第二阶段电能为转子试件在启动阶段，转速由启动转速增加至预定转速的过程中产生的电能。

根据本发明的实施例，其中：

能源管理模块，还用于在电力测功系统未发生故障的情况下，控制测功电机与园区电网测试母线连通，以便测功电机向园区电网测试母线输送第三阶段电能，以供园区电网测试母线上的耗能设备消耗第三阶段电能，其中第三阶段电能为转子试件在预定转速下稳定运行的过程中产生的电能。

根据本发明的实施例，耗能设备还包括供气单元和空气加温器；

其中供气单元，与园区电网测试母线电连接，用于为转子试件提供气源；

空气加温器，与园区电网测试母线电连接，用于为转子试件的气源加温，通过燃烧燃料加温空气。

根据本发明的实施例，电力测功系统还包括：

电力测量模块，连接在园区电网测试母线入口处，用于实时监测园区电网测试母线的电量。

根据本发明的实施例，电力测功系统还包括：

供油单元，用于为测功电机和转子试件提供润滑油；

控制模块，用于控制转子试件在预定工况下运行。

根据本发明的实施例，电力测功系统还包括：

UPS电源，用于在电力测功系统发生故障的情况下，为供油单元、控制模块和测功电机的励磁单元供电。

根据本发明的实施例，其中：

制动电阻和测功电机通过变频器与园区电网测试母线电连接。

根据本发明的实施例，其中：

测功电机和转子试件之间还连接有测扭器和变速箱，其中测扭器用于测量转子试件的转速和扭矩；

其中测功电机通过第一联轴器与变速箱连接；

变速箱通过第二联轴器与测扭器连接；

测扭器通过第三联轴器与转子试件连接。

另一方面，本发明还提供了一种利用上述电力测功系统进行电力测功的方法，包括：

启动转子试件，以便转子试件的转速由启动转速增加至预定转速，其中在转子试件启动阶段，通过能源管理模块控制测功电机和能耗电阻连通，以便测功电机停止向园区电网测试母线输送第二阶段电能，并通过能耗电阻消耗第二阶段电能，其中第二阶段电能为转子试件在启动阶段，转速由启动转速增加至预定转速的过程中产生的电能；

在转子试件在预定转速下稳定运行的情况下，利用测功电机和转子试件之间连接的测扭器，测量转子试件的转速和扭矩，其中测功电机与转子试件可拆卸机械连接，测功电机用于将转子试件的动能转化成电能；

根据转子试件的转速和扭矩，计算转子试件的功率；

其中，在电力测功系统发生故障的情况下，通过能源管理模块控制测功电机与园区电网测试母线断开连接，并控制制动电阻和测功电机连通，以便测功电机停止向园区电网测试母线输送第一阶段电能，并通过制动电阻消耗第一阶段电能，其中第一阶段电能为转子试件在电力测功系统发生故障时间段产生的电能。

根据本发明的实施例，通过与测功电机并联一路制动电阻，以及电连接能源管理系统，可以在该电力测功系统发生紧急故障时，以最短的时间，通过能源管理系统将电路切换至制动电阻，制动电阻消耗此时产生的电能，停止向园区电网输电，并有效降低转子试件飞车的风险，可靠性提高。

附图说明

图1示意性示出了根据本发明实施例的电力测功系统的示意图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的能源管理模块进行控制的工作流程图；

图3示意性示出了根据本发明实施例的测功电机与转子试件之间的连接结构示意图；

图4示意性示出了根据本发明实施例的在无制动电阻情况下，在突发故障0.5s时关闭进气阀门时转子转速变化仿真结果示意图；

图5示意性示出了根据本发明实施例的在无制动电阻情况下，在突发故障3s时关闭进气阀门时转子转速变化仿真结果示意图；

图6示意性示出了对应用本发明实施例的测功系统进行测试仿真的Simulink仿真模型示意图；

图7示意性示出了根据本发明实施例的在无制动电阻情况下，转子转速变化仿真结果示意图；

图8示意性示出了根据本发明实施例的在有制动电阻情况下，转子转速变化仿真结果示意图；

图9示意性示出了根据本发明实施例的电力测功系统故障后的应急处理的方法流程图。

【附图标记】

1-转子试件；2-测功电机；21-励磁单元；22-电机绕组；3-制动电阻；4-能源管理模块；5-能耗电阻；6-供气单元；7-空气加温器；8-变频器；9-园区其他负载；10-测扭器；11-变速箱；12-第一联轴器；13-第二联轴器；14-第三联轴器；15-主变压器；16-变压器；17-整流变压器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等)。

在实施本发明的过程中发现转子试件试验台工作过程中常因线路故障、进气开关阀故障或变频器故障等导致空载飞车。需要将测功电机输出线路并联到园区能耗电阻，变频器输出切换到能耗电阻输出，这就对变频器的性能提出了较高要求。再者，由于供电线路功率匹配的原因，电力测功系统有可能向电网回馈的功率超过了同一线路上其它用电设备的功率，向市政电网反向送电，影响市政电网调度，造成供电部门的罚款甚至停产用电的处罚。

为满足燃气轮机技术研究需求，需要建立一台多功能转子试件试验台，使之具备开展先进转子试件基础研究能力。采用测功电机作为转子试件试验的能量转化设备最大的优势是可以节约能量、绿色环保，将转子试件的机械动能转换为电能，并通过变频器并网发电，以平衡部分气源系统的耗功。测功电机可以提供更加宽泛的加载扭矩、响应速度和转速控制精度。但其最大的短板就是在园区电网突然停电、进气开关阀故障或变频器故障时，测功电机无法再为转子试件提供负载转矩，由于进气阀门关断滞后，在气源动力的作用下，转子试件转速将飞速上升，有损坏转子试件或试验设备的风险。

为此，本发明提供了一种电力测功系统及电力测功的方法。

下面示意性举例说明本发明的电力测功系统。需要说明的是，该举例说明只是本发明的具体实施例，并不能限制本发明的保护范围。

图1示意性示出了根据本发明实施例的电力测功系统的示意图。

如图1所示，该电力测功系统，包括电连接在园区电网测试母线上的测功电机2、制动电阻3、能源管理模块4。

其中，测功电机2，与转子试件1可拆卸机械连接，用于将转子试件1的动能转化成电能。

制动电阻3，与测功电机2并联电连接至园区电网测试母线上，并且制动电阻3和测功电机2通过园区电网测试母线与能源管理模块4电连接。其中制动电阻3可以提供制动转矩。

能源管理模块4，用于在电力测功系统发生故障的情况下，控制测功电机2与园区电网测试母线断开连接，并控制制动电阻3和测功电机2连通，以便测功电机2停止向园区电网测试母线输送第一阶段电能，并通过制动电阻3消耗第一阶段电能，其中第一阶段电能为转子试件1在电力测功系统发生故障时间段产生的电能。

根据本发明的实施例，通过与测功电机并联一路制动电阻，以及电连接能源管理系统，可以在该电力测功系统发生紧急故障时，以最短的时间，通过能源管理系统将电路切换至制动电阻，制动电阻消耗此时产生的电能，有效降低转子试件飞车的风险，可靠性提高。

根据本发明的实施例，制动电阻3测功电机2可以通过变频器8与园区电网测试母线电连接。

根据本发明的另一实施例，电力测功系统还包括能耗电阻5。

其中，能耗电阻5通过园区电网测试母线与能源管理模块4和测功电机2电连接。在转子试件1启动阶段，能源管理模块4控制测功电机2和能耗电阻5连通，以便测功电机2停止向园区电网测试母线输送第二阶段电能，并通过能耗电阻5消耗第二阶段电能，其中第二阶段电能为转子试件1在启动阶段，转速由启动转速增加至预定转速的过程中产生的电能。预定转速可以根据实际需要的转速确定，在此不对其进行具体限定。

例如，转子试件1需要由转速为0到预定转速后，以预定转速稳定转动。这个过程相当于转速由0～100％的稳定变化，会存在电压不稳定、频率不稳定、电流也是波动的情况，需要将该变化阶段产生的电能消耗掉，才能保证电路正常工作。因此，通过设置能耗电阻5可以快速消耗该阶段产生的不稳定电能。

根据本发明的实施例，能耗电阻5可以为多档可调方式。

例如，以能耗电阻5为三档可调方式为例，通过结合图2，简化说明能耗电阻5调节的工作原理。具体地，能耗电阻5可以设计为三组，三组同时工作时可以保证完全吸收测功电机2发出的全部电能，由高压真空接触器作为电阻投切动作的执行元件。

如图2所示，当测功电机2不工作时(需要说明的是，测功电机是否工作可以通过变频器8是否运行确定)，禁止高压真空接触器合闸接入能耗电阻5。当测功电机2开始工作时，能源管理模块4通过电力测量模块实时检测电网入口的用电功率实际值，一旦发现功率低于能源管理系统内部设定的第一判断值甚至发生逆功率，则立刻接入第一组能耗电阻，以消耗测功电机2发出的电功率，此时实时检测的电网入口的用电功率将会随之增加。当测功电机发出更大电功率时，接近甚至超过第一组能耗电阻消耗的能量后，通过电力测量模块发现电网入口的用电功率实际值低于第一判断值，则此时再次接入第二组能耗电阻来消耗这部分电能，以此类推，直至三组能耗电阻全部接入。当电力测量模块检测到电网入口用电功率增大到超过能源管理模块4内部设定的第二判断值时，会按照接入的相反顺序自动依次切除能耗电阻，确保系统能量消耗不至于过多。

其中，第一判断值表示功率下限，用P1表示，设置功率下限，便于在发电量发生变化的情况下，通过适当的调节裕量适应发电量变化，优选为P1＝0.5MW；第二判断值表示功率上限，用P2表示，用于防止能耗电阻吸收过多能量而造成能源浪费，优选为P2＝1.0MW。

需要说明的是，能耗电阻的分组数量可根据实际需要进行增加或减少，但是基本控制策略不变。如果能耗电阻5为更多档调节时，调节流程以此类推。

根据本发明的实施例，在转子试件启动阶段，转子试件的输出不稳定，通过能源管理系统在转子试件启动阶段，将电路切换至能耗电阻，能耗电阻可以消耗该启动阶段产生的不稳定电能，阻止向园区电网提供不稳定电能。

根据本发明的再一实施例，在电力测功系统未发生故障的情况下，能源管理模块4还可以控制测功电机2与园区电网测试母线连通，以便测功电机2向园区电网测试母线输送第三阶段电能，以供园区电网测试母线上的耗能设备消耗第三阶段电能，其中第三阶段电能为转子试件1在预定转速下稳定运行的过程中产生的电能。可以实现测功电机2提供的稳定电能，为园区电网进行自供电。

根据本发明的实施例，耗能设备可以包括供气单元6和空气加温器7。

其中，供气单元6与园区电网测试母线电连接，用于为转子试件1提供气源，供气单元6具体可包括气源厂房空压机。

空气加温器7与园区电网测试母线电连接，用于为转子试件1的气源加温。空气加温器7的额定功率可以小于能耗电阻5的额定功率。其中能耗电阻5可以设计为一套分档可调电阻，最小分辨率可以为10KW，用于当空气加温器7用电功率小于测功电机2发电功率时，吸收测功电机2多余的电量，阻止向园区电网供电。

根据本发明的再一实施例，电力测功系统还包括电力测量模块。

其中，电力测量模块连接在园区电网测试母线入口处，用于实时监测园区电网测试母线的电量。

根据本发明的实施例，电力测量模块可以通过测量园区电网测试母线进线开关输出的实时电量参数变化。当该母线的供电功率过低或出现逆功率时，自动计算投入电阻负载功率，消耗掉测功电机提供的发电功率，使电网稳定在一个较小的负载功率值范围，不会引起回馈。当用电负荷超过测功电机提供的发电功率时，电阻负载退出，可实现全自动补偿退出功能。

根据本发明的再一实施例，电力测功系统还包括主变压器15、变压器16以及整流变压17。

其中，主变压器15可以与电力测量模块电连接。变压器16安装于空气加温器7与园区电网测试母线之间。整流变压器17安装于变频器8与园区电网测试母线之间。

例如，如图1所示，从园区变电站主变压器15通出10kV园区电网测试母线，母线分为两路，其中一路母线引至电源高压开关柜的进线开关，经高压开关柜的进线开关输出后分配至各用电设备(包括转子试件试验台)。该段10kV园区测试电网中除转子试件试验台外，还有园区其他负载9和供气单元6，园区其他负载9和供气单元6被电连接至另外一路母线上。1其中，包括转子试件试验台的母线，分为多路供电，其中一路接入整流变压器17、变频器8回路，为测功电机2提供动力和回馈电源。一路接入能耗电阻5回路，用来消耗交流母线上测功电机2回馈的电能，防止向园区主电网送电。该能耗电阻5的投切由一套能源管理模块4进行控制，该能源管理模块4从高压开关柜输出侧测量用电参数，根据软件算法来控制能耗电阻5投切的动作。一路接入空气加温器7，为转子试件1的气源加温。变频器8输入侧与电机绕组22之间配置一套制动电阻3，用于园区电网故障时，测功电机2快速制动停车时进行能量消耗转化。此外，还由一路独立的380V UPS电源为测功电机2提供励磁电源。

根据本发明的实施例，能源管理模块可以根据高压开关柜进线开关输出侧的电流和电压信号，计算该母线的有功功率和无功功率，并根据功率情况，发出控制信号，控制能耗电阻接入的电阻功率值。能耗电阻由不同功率的电阻组成，可以根据能源管理模块的控制，接入要求的电阻功率，确保在任何情况下，主变压器不会对外网反馈功率、送电。

图3示意性示出了根据本发明实施例的测功电机与转子试件之间的连接结构示意图。

如图3所示，在该实施例中，测功电机2和转子试件1之间还连接有测扭器10和变速箱11。测扭器10用于测量转子试件1的转速和扭矩。

其中，测功电机2通过第一联轴器12与变速箱11连接；变速箱11通过第二联轴器13与测扭器10连接；测扭器10通过第三联轴器14与转子试件1连接。

根据本发明的实施例，转子试件发出的功和扭矩可以通过联轴器、测扭器、变速箱传递至测功电机，带动测功电机转子切割磁力线产生电流，同时磁场对转子产生一个制动扭矩，当测功电机制动扭矩与转子试件产生的输出扭矩相等时，转子试件的转速稳定。对转子试件调速时，通过控制测功电机内部励磁电流、转矩电流以实现控制测功电机的转矩大小，从而实现对转子试件转速调整。测扭器安装于测功电机与转子试件之间，能够高精度测量由转子试件传来的转速、扭矩。

根据本发明的实施例，电力测功系统还包括：供油单元和控制模块(图1中未示出)。

其中，供油单元用于为测功电机和转子试件提供润滑油；控制模块用于控制转子试件在预定工况下运行。预定工况可以根据实际需要转子试件运行的情况而确定，不作具体限定。

根据本发明的实施例，电力测功系统还包括UPS电源。UPS电源用于在电力测功系统发生故障的情况下，为供油单元、控制模块和测功电机2的励磁单元21供电。

由于一旦电力测功系统发生故障，首先需要保证电力测功系统里的重要设备不能停电，不能让测功电机的励磁单元停止造成测功电机失速，不能让供油单元停电造成润滑冷却功能失效，不能因停电造成控制模块停电运行造成相关操作无效以及数据无法保存和记录。因此，UPS电源通过对电力测功系统的供油单元和控制模块供电，可以确保在电力测功系统转速降到零之前，润滑正常、控制系统正常；通过对测功电机的励磁单元供电，可以保证测功电机的正常运行。

例如，UPS电源可以选择配置3套，可以分别是润滑UPS电源和励磁UPS电源、控制模块UPS电源。

其中，润滑UPS电源主要用来为电力测功系统的供油单元进行供电，供油单元主要为同步测功电机、变速箱和测扭器提供润滑和冷却供油。具体地，UPS电源提供一路AC380V电源给供油单元的油站控制柜，控制柜内包括油泵电源、低压控制回路电源都为该润滑UPS电源，确保供油单元在外部电网故障断电后依然可以正常工作，为测功电机、变速箱和测扭器提供润滑和冷却供油。

例如当配电发生故障，仅380V断电情况下，转子试件进气阀门紧急关断，测功电机通过变频器制动停车，总停车时间不超过1分钟；380V及园区电网测试母线提供的10kV全部断电情况下，转子试件进气阀门紧急关断，测功电机通过制动电阻制动停车，总停车时间不超过15秒。考虑安全使用裕度，润滑UPS可以按10分钟选择，可以满足应急需求。

励磁UPS电源主要用来为电力测功系统的测功电机的励磁单元进行供电。励磁单元主要用来为测功电机提供励磁电源，一旦励磁单元失去电源，测功电机即失去动力，变频器报故障并切断输出电源，测功电机进入自由停车状态。励磁单元具备冗余的双机热备用功能，配有功能等同的双套励磁调节器及交流调压功率单元，允许从不同母线接入两路独立的励磁电源，因此励磁UPS电源也选择双机并联的冗余配置方案，为两路励磁控制回路同时供电，确保一路励磁UPS电源出现故障时，仍能确保励磁单元的供电正常，防止试验过程中因励磁电源故障造成测功电机失速，引发飞车故障。励磁UPS电源可以采用多机并联的工作方式，单台电源额定容量80kVA，额定电压400V，采用双机并联方式连接，2台电源共用一套外置电池，电池容量确保励磁UPS电源满载工作10分钟续航。

例如当配电发生故障，仅380V断电情况下，转子试件进气阀门紧急关断，测功电机通过变频器制动停车，总停车时间不超过1分钟；380V及10kV全部断电情况下，转子试件进气阀门紧急关断，测功电机通过制动电阻制动停车，总停车时间不超过15秒。考虑安全使用裕度，励磁UPS可以按10分钟选择，可以满足应急需求。

控制模块UPS电源主要用来为控制模块进行供电，确保市电电网发生故障时，控制功能依然生效，且数据正常保存不会丢失。

当配电发生故障，电网断电，除了满足停车控制之外，还需要将断电前的试验数据妥善保存，完成正常关机流程。该过程一般在10分钟左右，考虑安全使用裕度，控制模块UPS电源可选择30分钟作用时间，可以满足应急需求。

根据本发明的实施例，能源管理模块具备UPS应急电源管理功能，当试验台出现供电故障时，能有足够的时间对相关关键设备进行应急控制，以确保试验台的安全；供电时间满足测功系统紧急停车时间要求。电源系统实现整个试验的低压电源总进线、励磁回路配电及其它回路配电，配备UPS为系统控制回路及应急润滑回路供电，保证电力测功系统在异常断电情况下可以安全停车。

根据本发明的实施例，能源管理模块不仅可设置多种应急安保控制手段，以确保报警准确率高于99.9％的低压电气，还可采用硬件联锁/互锁的安保方式以确保相关设备的安全运行，例如可在在对应的操作工位上设置一键应急按钮以实现。

以下对测功电机在有无制动状态下的转子运行状态以仿真结果为示例进行详细说明。下面所有计算仅为示意性举例补充说明本发明的电力测功系统。需要说明的是，所有举例说明只是本发明的具体特定实施例，并不能限制本发明的保护范围。

在测试系统中不设置制动电阻的情况下，在突发故障一段时间后不关闭进气阀门，对转子的运行状态进行仿真的仿真结果见下表1。

表1

在测试系统中不设置制动电阻的情况下，在突发故障一段时间后关闭进气阀门，对转子的运行状态进行仿真的仿真结果见下表2。

表2

仿真结论如下表3所示。

表3

图4示意性示出了根据本发明实施例的在无制动电阻情况下，在突发故障0.5s时关闭进气阀门时转子转速变化仿真结果示意图；图5示意性示出了根据本发明实施例的在无制动电阻情况下，在突发故障3s时关闭进气阀门时转子转速变化仿真结果示意图。

如图4所示，按100％转速状态，初始转速4000，初始功率20.47MW，初始质量流量64.3213kg/s，0.5s时间关闭阀门(假设阀门线性关闭)，按极端情况下，转子试件负载完全脱开(无测扭器、变速箱、测功电机等负载)。转子试件转动惯量239.7kg·m²。仿真结果如图4所示，最大转速4371rpm。

如图5所示，按100％转速状态，初始转速4000，初始功率20.47MW，初始质量流量64.3213kg/s，3s时间关闭阀门(假设阀门线性关闭)，按极端情况下，转子试件负载完全脱开(无测扭器、变速箱、测功电机等负载)。转子试件转动惯量239.7kg·m²。仿真结果如图5所示，最大转速5883rpm。

图6示意性示出了对应用本发明实施例的测功系统进行测试仿真的Simulink仿真模型示意图；图7示意性示出了根据本发明实施例的在无制动电阻情况下，转子转速变化仿真结果示意图；图8示意性示出了根据本发明实施例的在有制动电阻情况下，转子转速变化仿真结果示意图。

假设测功电机的额定功率为30MW，频率37.93Hz，额定转速为1138rpm，最大转速为1650rpm，转动惯量2330kg.m²。测功电机与转子试件通过变速箱连接，变速箱传动比为3.04(30MW/5000rpm)，变速箱的转动惯量折算到测功电机侧为1005.04kg·m²，转子试件转动惯量(100kg·m²)折算到测功电机侧为924.16kg·m²。测扭器、联轴器的转动惯量(1.28+2.8+2.83＝6.91kg·m²)折算到测功电机侧为63.86kg·m²。选用的制动电阻为2×10MW的功率电阻。

以较危险场景作为仿真计算的场景，例如：假定转子试件正处于30MW、5000rpm最大功率最高转速试验状态，此时，电网突然故障跳闸，测功电机处于最大转速1650rpm，即初始转速ω0＝1650rpm。通过故障安全继电器，切断进气阀门，考虑信号传输、执行机构动作时间，按照500ms后开始降低输出功率，并于1s时降低至0。被试件的输出功率P1的计算方法如式(1)：

真空断路器分断、闭合时间约150ms左右，我们按照200ms电阻接入吸收能量来计算。在转子试件仍旧输出功率时，测功电机转速仍旧上升，随着转子试件输出的功率逐渐降低，当转子试件的输出功率与制动电阻吸收功率达到平衡时，整体轴系的能量不再增加，转速达到最大。之后转子试件输出功率逐渐降低至零，测功电机转速将逐渐下降。在测功电机转速大于额定转速1138r/min时，测功电机转动产生的感应电压为额定电压10kV；当转速低于额定转速时，测功电机转动产生的感应电压随转速下降而降低。感应电压的计算方式如式(2)：

制动电阻在感应电流下做功发热。制动电阻功率P2的计算方式如式(3)：

同时，转动过程中，由于变速箱、测功电机的摩擦消耗，约有3.5％的能量会损耗。摩擦损能耗率P3为式(4)：

通过对总功率的计算以及测功电机初始能量，可以求得每一时刻测功机整体轴系的能量，从而进一步求出每一时刻的测功电机轴系转速，如式(5)：

根据以上的模型分析搭建了测功电机制动停车过程Simulink仿真模型，如图6所示。

利用Matlab对测功电机制动停车过程Simulink仿真模型进行仿真后，得出以下两种情况下的转速仿真图断电故障后，仅保持滑油正常、励磁正常，不采取任何措施(即依靠变速箱、测功电机摩擦消耗来制动停车)：

如图7所示，在30MW试验故障后无应急措施的情况下，转速在0.96s后达到最大转速1895rpm，300s后转速接近于0。转速飞升14.8％，不能满足运行要求(转速变化范围需控制在10％以内)。

如图8所示，在30MW试验断电故障后，使用20MW制动电阻的情况下，转速在0.63s后达到最大转速1749rpm，15s后转速接近于0。速度飞升可以控制在6％，考虑其他不确定因数和仿真计算误差，将飞升速度控制在10％以内，满足运行要求。

利用上述电力测功系统，本发明还提供了一种电力测功的方法，包括操作S1～S3。

在操作S1，启动转子试件，以便转子试件的转速由启动转速增加至预定转速，其中在转子试件启动阶段，通过能源管理模块控制测功电机和能耗电阻连通，以便测功电机停止向园区电网测试母线输送第二阶段电能，并通过能耗电阻消耗第二阶段电能，其中第二阶段电能为转子试件在启动阶段，转速由启动转速增加至预定转速的过程中产生的电能。

在操作S1，在转子试件在预定转速下稳定运行的情况下，利用测功电机和转子试件之间连接的测扭器，测量转子试件的转速和扭矩，其中测功电机与转子试件可拆卸机械连接，测功电机用于将转子试件的动能转化成电能。

在操作S3，根据转子试件的转速和扭矩，计算转子试件的功率。

根据本发明的实施例，在电力测功系统发生故障的情况下，通过能源管理模块控制测功电机与园区电网测试母线断开连接，并控制制动电阻和测功电机连通，以便测功电机停止向园区电网测试母线输送第一阶段电能，并通过制动电阻消耗第一阶段电能，其中第一阶段电能为转子试件在电力测功系统发生故障时间段产生的电能。

需要说明的是，在进行运行电力测功的方法之前，还可以进行转子试件的试验调试，下面举例说明该试验调试，包括操作S11～S15。

在操作S11，当加温空气进入，转子试件转速在600rpm暂停，检查各系统运行是否正常，调试手动紧急停车功能，手动触发紧急停车按钮，检查控制逻辑是否正常，动作是否到位。

在操作S12，检查数据采集系统数据采集功能、数据处理功能是否正确。

在操作S13，以上检查正确后，逐步提高主气供气流量，控制测功电机转速在试验工况包线内运行，以0.05的间隔逐步升高试验件相对转速，直至升速至0.6，每个点稳定时间不少于5min，检查转子试件、测扭器、测功电机工作是否正常。

在操作S14，逐步提高转子试件转速至1.0，进口压力提高到试验工况，试验运行正常则停车检查油路系统过滤器，无异物后进行下一步调试。

在操作S15，对调试中出现的设备运行问题、控制软件问题、数采软件问题应及时处理，问题解决后再开展后续试验。

根据本发明的实施例，本发明还提供一种电力测功系统故障后的应急处理方法。

图9示意性示出了根据本发明实施例的电力测功系统故障后的应急处理的方法流程图。

如图9所示，分级故障处理过程中，除了本系统的测功电机根据故障级别，按照不同的停车方式进行减速停车外，还通过硬线和通讯的方式，与电气控制系统进行联动，主气、加温等设备自动联锁动作，快速完成关阀、降温等保护动作，使整个系统安全、快速的停止实现，最大程度保护设备和人员安全。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电力测功系统，包括电连接在园区电网测试母线上的测功电机、制动电阻、能耗电阻、能源管理模块；其中：

所述测功电机，与转子试件可拆卸机械连接，用于将所述转子试件的动能转化成电能；

所述制动电阻，与所述测功电机并联电连接至所述园区电网测试母线上，并且所述制动电阻和所述测功电机通过所述园区电网测试母线与所述能源管理模块电连接；

所述能源管理模块，用于在所述电力测功系统发生故障的情况下，控制所述测功电机与所述园区电网测试母线断开连接，并控制所述制动电阻和所述测功电机连通，以便所述测功电机停止向所述园区电网测试母线输送第一阶段电能，并通过所述制动电阻消耗所述第一阶段电能，其中所述第一阶段电能为所述转子试件在所述电力测功系统发生故障时间段产生的电能；

能耗电阻，通过所述园区电网测试母线与所述能源管理模块和所述测功电机电连接；

所述能源管理模块，还用于在所述转子试件启动阶段，控制所述测功电机和所述能耗电阻连通，以便所述测功电机停止向所述园区电网测试母线输送第二阶段电能，并通过所述能耗电阻消耗所述第二阶段电能，其中所述第二阶段电能为所述转子试件在所述启动阶段，转速由启动转速增加至预定转速的过程中产生的电能。

2.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述能源管理模块，还用于在所述电力测功系统未发生故障的情况下，控制所述测功电机与所述园区电网测试母线连通，以便所述测功电机向所述园区电网测试母线输送第三阶段电能，以供所述园区电网测试母线上的耗能设备消耗所述第三阶段电能，其中所述第三阶段电能为所述转子试件在预定转速下稳定运行的过程中产生的电能。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述耗能设备包括供气单元和空气加温器；

其中所述供气单元，与所述园区电网测试母线电连接，用于为所述转子试件提供气源；

所述空气加温器，与所述园区电网测试母线电连接，用于通过燃烧燃料的方式为所述转子试件的气源加温。

4.根据权利要求1所述的系统，还包括：

电力测量模块，连接在所述园区电网测试母线入口处，用于实时监测所述园区电网测试母线的电量。

5.根据权利要求1所述的系统，还包括：

供油单元，用于为所述测功电机和所述转子试件提供润滑油；

控制模块，用于控制所述转子试件在预定工况下运行。

6.根据权利要求5所述的系统，还包括：

UPS电源，用于在所述电力测功系统发生故障的情况下，为所述供油单元、所述控制模块和所述测功电机的励磁单元供电。

7.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述制动电阻和所述测功电机通过变频器与所述园区电网测试母线电连接。

8.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述测功电机和所述转子试件之间还连接有测扭器和变速箱，其中所述测扭器用于测量所述转子试件的转速和扭矩；

其中所述测功电机通过第一联轴器与所述变速箱连接；

所述变速箱通过第二联轴器与所述测扭器连接；

所述测扭器通过第三联轴器与所述转子试件连接。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述的电力测功系统进行电力测功的方法，包括：

启动转子试件，以便所述转子试件的转速由启动转速增加至预定转速，其中在所述转子试件启动阶段，通过能源管理模块控制测功电机和能耗电阻连通，以便所述测功电机停止向园区电网测试母线输送第二阶段电能，并通过所述能耗电阻消耗所述第二阶段电能，其中所述第二阶段电能为所述转子试件在所述启动阶段，转速由启动转速增加至预定转速的过程中产生的电能；

在所述转子试件在所述预定转速下稳定运行的情况下，利用所述测功电机和所述转子试件之间连接的测扭器，测量所述转子试件的转速和扭矩，其中所述测功电机与所述转子试件可拆卸机械连接，所述测功电机用于将所述转子试件的动能转化成电能；

根据所述转子试件的转速和扭矩，计算所述转子试件的功率；

其中，在电力测功系统发生故障的情况下，通过能源管理模块控制所述测功电机与园区电网测试母线断开连接，并控制制动电阻和所述测功电机连通，以便所述测功电机停止向所述园区电网测试母线输送第一阶段电能，并通过所述制动电阻消耗所述第一阶段电能，其中所述第一阶段电能为所述转子试件在所述电力测功系统发生故障时间段产生的电能。