一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统及方法，该预警系统包括三相电压、电流互感器、模拟信号调理器、模拟信号输入卡、转速检测器、脉冲信号调理器、数字信号输入卡以及计算机；该预警方法为：获取机组出口端三相电压和电流，计算得到同步发电机转子上的电磁转矩和次同步频率范围内电磁转矩波动的频率分量；对电磁转矩进行扭振模态分解，并计算电磁转矩波动作用下扭振测点处的扭转角；对扭振测点处的扭转角进行修正，并得到修正后的扭应力分布，矢量合成计算出轴系扭振的最大扭应力；基于轴系扭振的最大扭应力进行次同步扭振安全保护预警。本发明专利技术提高汽轮发电机组轴系扭振预警与保护的正确性和可靠性。电机组轴系扭振预警与保护的正确性和可靠性。电机组轴系扭振预警与保护的正确性和可靠性。

【技术实现步骤摘要】
一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统及方法


[0001]本专利技术涉及汽轮发电机组轴系次同步扭振监测
，具体地说，是一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统及方法。

技术介绍

[0002]汽轮发电机组与电网交互作用产生的次同步振荡(SubSynchronous Oscillation,简称SSO)的最早研究始于上世纪三十年代，但直到1970年美国Mohave电站发生了2起由SSO导致发电机组事故，由此在国际上掀起了SSO监测、抑制和保护的研究热潮，并随着高压、特高压直流输电的大规模应用，SSO研究与应用成果越来越丰富。进入新世纪，以风电、光电为代表的可再生清洁新能源成为各主要国家电力发展的主要选择，双馈风电机组和直驱风电机组的控制器与电网系统交互作用对电网不仅产生次同步振荡，还会产生超同步振荡，使之成为新型电力系统除高压、特高压直流输电以外的次/超同步振荡发生源。
[0003]电网次/超同步振荡，不仅严重影响电力系统的运行安全，而且通过并网运行的同步发电机定、转子电磁场交互作用，在同步发电机转子上产生与次/超同步振荡频率相关的交变电磁力矩分量，汽轮发电机组轴系在该交变电磁力矩分量作用下产生扭转振动。研究已知：对汽轮发电机组的同步发电机，轴系在次同步振荡频率下产生的扭振其阻尼表现为负特性，一旦激起扭振将形成持续的扭转振动；轴系在超同步振荡下产生的扭振其阻尼表现为正特性，即使激起扭振也将随时间衰减。因此，电网振荡对汽轮发电机组的轴系扭振安全风险，只研究次同步振荡而不关心超同步振荡。/>[0004]同步发电机转子上由次同步振荡产生的交变电磁力矩频率，当与汽轮发电机组轴系扭振的某个固有频率重合或接近时，轴系扭振幅度就很大，由此在转轴上就会产生大的交变扭应力，持续扭振将造成大的扭振损伤，严重时造成转轴或联轴器螺栓断裂。
[0005]为保障大型汽轮发电机组轴系的扭振安全，要求对机组轴系的扭振进行实时高精度检测和监控，严格限定轴系的扭振应力和扭振角。而常规的扭振检测仪器不能有效拾取单纯的信号特征分量，更不方便直接用于评价轴系扭振的状况和安全控制。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统及方法，通过检测汽轮发电机组同步发电机的电磁功率计算出作用在转子上的电磁转矩，对电磁力矩作FFT频谱分析，得到次同步频谱分量；对电磁力矩次同步频谱分量作轴系扭振模态分解，得到次同步频率范围内的电磁力矩模态分量；基于机组轴系扭振模态动力学方程，计算次同步振荡频率与扭振固有频率的比值，计算各扭振模态的动力放大因子和次同步频谱分量作用下的稳态扭转角；基于转子上齿轮盘或斑马条得到的转速电脉冲或光脉冲，调制并解调出轴系扭振信号，并作FFT频谱分析得到扭振频谱；出频率扭明旨在检测同
步发电机电磁功率次同步分量不施加专项外界扭矩激励情况下，利用机组甩负荷试验，给出信号分析处理方法，测取机组扭振固有频率。
[0007]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]本专利技术提供一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统，包括三相电压互感器、三相电流互感器、模拟信号调理器、模拟信号输入卡、转速检测器、脉冲信号调理器、数字信号输入卡，以及计算机；
[0009]所述三相电压互感器和三相电流互感器分别用于检测包含次同步振荡信号的同步发电机出口端三相电压和三相电流；
[0010]所述模拟信号调理器用于将检测的同步发电机出口端三相电压和三相电流出调制成与模拟信号输入卡输入匹配的电压信号，并输入模拟信号输入卡；
[0011]所述转速检测器用于检测同步发电机转轴转速脉冲；
[0012]所述脉冲信号调理器用于将检测的转速脉冲调制为矩形脉冲，并输入数字信号输入卡；
[0013]所述模拟信号输入卡和数字信号输入卡插入所述计算机的卡槽内；
[0014]所述模拟信号输入卡用于将模拟信号转换为数字信号；
[0015]所述数字信号输入卡内置计数器，用于从转速脉冲中解调出扭振信号；
[0016]所述计算机用于，
[0017]根据所述同步发电机出口端三相电压和三相电流，计算得到同步发电机转子上的电磁转矩，对所述电磁转矩进行快速傅里叶变换频谱分析，得到次同步频率范围内电磁转矩波动的频率分量；
[0018]对解调出的轴系扭振信号进行快速傅里叶变换频谱分析，得到扭转角频谱分布；以及对汽轮发电机组轴系建立扭振动力学方程，计算得到轴系扭振在次同步振荡频率范围内的全部固有频率和与固有频率对应的模态函数；
[0019]对同步发电机转子上的电磁转矩基于轴系扭振固有频率对应的扭振模态函数进行扭振模态分解，基于得到的扭振模态分量和计算的电磁转矩波动的频率分量计算电磁转矩波动作用下扭振模态的扭转角和模态扭应力，以及扭振测点处的扭转角；
[0020]对所计算的扭振测点处的扭转角进行修正，并基于修正后的扭转角得到修正后的扭应力分布，矢量合成计算出轴系扭振的最大扭应力；基于计算得到的轴系扭振的最大扭应力进行次同步扭振安全保护预警。
[0021]进一步的，所述计算机还具有与汽轮发电机组分散控制系统连接的DCS接口和与机组危急跳闸保护系统连接的ETS接口；
[0022]所述DCS接口用于将次同步电磁转矩频谱、扭振频谱信息发送给汽轮发电机组分散控制系统进行显示及存储；
[0023]所述ETS接口用于将扭振预警和安全保护信号发送给机组危急跳闸保护系统，触发扭振预警和扭振安全保护跳机动作。
[0024]进一步的，所述模拟信号输入卡采用24位A/D转换器，采样频率为250kHz，具有8个差动输入通道。
[0025]进一步的，所述转速检测器为基于斑马条的光电式传感器或基于测速齿轮的电涡流式传感器或霍尔式转速传感器。
[0026]进一步的，所述转速检测器采用3个电涡流式传感器，3个电涡流式传感器安装时中间与两侧的夹角为90
°
。
[0027]本专利技术还提供一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统的预警方法，所述方法包括：
[0028]S1、获取同步发电机出口端三相电压和三相电流，以及获取同步发电机转轴转速脉冲；
[0029]S2、基于所获取的同步发电机出口端三相电压和三相电流计算得到同步发电机转子上的电磁转矩；
[0030]S3、对计算的同步发电机转子上的电磁转矩进行快速傅里叶变换频谱分析，得到次同步频率范围内电磁转矩波动的频率分量；
[0031]S4、基于获取的同步发电机转轴转速脉冲解调出轴系扭振信号，并对解调出的轴系扭振信号进行快速傅里叶变换频谱分析，得到扭转角频谱分布；
[0032]S5、对汽轮发电机组轴系建立扭振动力学方程，计算得到轴系扭振在次同步振荡频率范围内的全部固有频率和与固有频率对应的扭振模态函数；
[0033]S6、对同步发电机转子上的电磁转矩基于轴系扭振固有频率对应的扭振模态函数进行扭本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统，其特征在于，包括三相电压互感器、三相电流互感器、模拟信号调理器、模拟信号输入卡、转速检测器、脉冲信号调理器、数字信号输入卡，以及计算机；所述三相电压互感器和三相电流互感器分别用于检测包含次同步振荡信号的同步发电机出口端三相电压和三相电流；所述模拟信号调理器用于将检测的同步发电机出口端三相电压和三相电流出调制成与模拟信号输入卡输入匹配的电压信号，并输入模拟信号输入卡；所述转速检测器用于检测同步发电机转轴转速脉冲；所述脉冲信号调理器用于将检测的转速脉冲调制为矩形脉冲，并输入数字信号输入卡；所述模拟信号输入卡和数字信号输入卡插入所述计算机的卡槽内；所述模拟信号输入卡用于将模拟信号转换为数字信号；所述数字信号输入卡内置计数器，用于从转速脉冲中解调出扭振信号；所述计算机用于，根据所述同步发电机出口端三相电压和三相电流，计算得到同步发电机转子上的电磁转矩，对所述电磁转矩进行快速傅里叶变换频谱分析，得到次同步频率范围内电磁转矩波动的频率分量；对解调出的轴系扭振信号进行快速傅里叶变换频谱分析，得到扭转角频谱分布；以及对汽轮发电机组轴系建立扭振动力学方程，计算得到轴系扭振在次同步振荡频率范围内的全部固有频率和与固有频率对应的模态函数；对同步发电机转子上的电磁转矩基于轴系扭振固有频率对应的扭振模态函数进行扭振模态分解，基于得到的扭振模态分量和计算的电磁转矩波动的频率分量计算电磁转矩波动作用下扭振模态的扭转角和模态扭应力，以及扭振测点处的扭转角；对所计算的扭振测点处的扭转角进行修正，并基于修正后的扭转角得到修正后的扭应力分布，矢量合成计算出轴系扭振的最大扭应力；基于计算得到的轴系扭振的最大扭应力进行次同步扭振安全保护预警。2.根据权利要求1所述的一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统，其特征在于，所述计算机还具有与汽轮发电机组分散控制系统连接的DCS接口和与机组危急跳闸保护系统连接的ETS接口；所述DCS接口用于将次同步电磁转矩频谱、扭振频谱信息发送给汽轮发电机组分散控制系统进行显示及存储；所述ETS接口用于将扭振预警和安全保护信号发送给机组危急跳闸保护系统，触发扭振预警和扭振安全保护跳机动作。3.根据权利要求1所述的一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统，其特征在于，所述模拟信号输入卡采用24位A/D转换器，采样频率为250kHz，具有8个差动输入通道。4.根据权利要求1所述的一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统，其特征在于，所述转速检测器为基于斑马条的光电式传感器或基于测速齿轮的电涡流式传感器或霍尔式转速传感器。
5.根据权利要求4所述的一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统，其特征在于，所述转速检测器采用3个电涡流式传感器，3个电涡流式传感器安装时中间与两侧的夹角为90
°
。6.基于权利要求1至5任意一项所述的一种基于次同步电磁转矩的汽轮发电机组扭振预警系统的预警方法，其特征在于，所述方法包括：S1、获取同步发电机出口端三相电压和三相电流，以及获取同步发电机转轴转速脉冲；S2、基于所获取的同步发电机出口端三相电压和三相电流计算得到同步发电机转子上的电磁转矩；S3、对计算的同步发电机转子上的电磁转矩进行快速傅里叶变换频谱分析，得到次同步频率范围内电磁转矩波动的频率分量；S4、基于获取的同步发电机转轴转速脉冲解调出轴系扭振信号，并对解调出的轴系扭振信号进行快速傅里叶变换频谱分析，得到扭转角频谱分布；S5、对汽轮发电机组轴系建立扭振动力学方程，计算得到轴系扭振在次同步振荡频率范围内的全部固有频率和与固有频率对应的扭振模态函数；S6、对同步发电机转子上的电磁转矩基于轴系扭振固有频率对应的扭振模态函数进行扭振模态分解；S7、基于分解得到的电磁转矩扭振模态分量计算电磁转矩波动作用下电磁转矩扭振模态的扭转角，并由模态函数计算扭振测点处的扭转角；S8、对所计算的扭振测点处的扭转角进行修正，并基于修正后的扭转角和模态函数计算修正后的模态扭转角分布和扭应力分布；S9、根据修正后的扭应力分布，矢量合成计算出轴系扭振的最大扭应力；S10、基于计算得到的轴系扭振的最大扭应力进行次同...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐珂，解兵，孙蓉，朱鑫要，李文博，吴盛军，汪成根，王大江，张宁宇，
申请(专利权)人：国网江苏省电力有限公司，
类型：发明
国别省市：