汽轮机发电机组宽频带阻抗建模及次/超同步振荡分析

基于阻抗的建模与分析方法是目前分析和解决新能源并网宽频带振荡问题的有效工具之一。集中开发远距离输送是中国新能源开发利用的重要形式,在新能源基地的发电装备中,风光发电装备的阻抗模型已经较为完善,但是现有汽轮发电机组的宽频带阻抗模型均存在一定的简化,不能完整地反映汽轮发电机组的宽频带阻抗特性。基于频域小信号建模方法,建立了计及原动机、调速器、励磁系统、轴系和同步机的汽轮发电机宽频阻抗模型,在Matlab/Simulink中建立了汽轮发电机的仿真模型,通过扫频验证了所提模型的正确性,分析了不同环节对阻抗的影响,最后以汽轮发电机组经串联补偿装置并网系统为例,验证了所提模型在次/超同步振荡问题分析上的有效性。

汽轮发电机组简单轴系模型扭转刚度的简易计算

研究汽轮发电机组扭振问题及次同步谐振/振荡时需使用“简单多质量块-弹簧”模型,其中扭转刚度的准确性十分重要。在已知转动惯量、固有模态频率的前提下,提出一种扭转刚度的简易计算方法,该方法根据已有资料给出扭振振型矩阵的估计值,利用模态向量的正交性求解模态扭转刚度矩阵估计值,反算出扭转刚度;考虑计算结果可能存在偏差,再采用牛顿-拉夫逊方法进行修正。给出沙角C厂1号机组的算例,解决了该机组因为缺失扭转刚度数据导致扭振问题不能详细分析、扭振保护设备不能投运的问题。所提方法计算量小、易于实现,也可以用于扭振保护在实测模态频率之后对轴系模型参数的修正。

风电机组换流器控制参数变化下风火打捆系统特性分析

建立了风火打捆直流送出系统的机电网统一模型,并对风电机组换流器控制参数影响下的输电系统特性与机组轴系扭振进行分析。运用以变分模态分解和希尔伯特变换相结合的方法,对汽轮发电机组和风力发电机组轴系扭振进行了时频分析。研究了风电接入时,汽轮发电机组与风电机组轴系扭振的响应,以及输电系统的电气响应及其特性。扭振时域图、幅值谱图、时频图和三维谱图,揭示了风电机组转子侧换流器控制参数对轴系扭振特性的影响。研究结果表明,内环增益系数以及外环增益系数增大时,汽轮机组轴系扭振更加剧烈,但对于风力发电机组轴系扭振与风火打捆输电系统的电气响应影响较小。分析结果可为风火打捆系统次同步振荡的抑制和风电机组控制系统设计提供理论参考。

双馈风电机组轴系扭振的稳定与控制

在侧重研究双馈风电机组与电网的动态作用时,双馈风电机组轴系可用等效两质量块模型表示。在外界扰动下,轴系动态以振荡方式呈现,并反映在输出功率上,由于这一振荡频率接近电力系统低频振荡,因此会对同步机组的功角稳定产生影响;不仅如此,轴系振荡还会影响双馈风电机组自身的稳定性以及使用寿命。本文首先采用小信号分析方法,对有功控制回路进行电气阻尼特性分析,得出双馈风电机组在最大功率跟踪控制下的负电气阻尼特性,不利于轴系稳定;随后,提出一种轴系镇定器,包含电气阻尼和电气刚度两个回路,增加电气阻尼可以使轴系振荡得到有效抑制,对双馈风电机组和电力系统的稳定有利;增加电气刚度,等效加强了轴系的耦合强度,可有效抑制转速振荡的幅值,有益于延长机组寿命。

含传输线功率信号的双馈风电场附加阻尼控制策略

从抑制电力系统区域间低频振荡以及减少风电机组传动链轴系扭振方面,提出双馈风电场附加阻尼控制策略。首先,建立了考虑传动链柔性的风电机组暂态模型及控制策略。其次,提出了考虑电力系统传输线功率信号的双馈风电机组无功功率环的附加阻尼控制策略。最后,以双馈风电场接入IEEE两区域四机系统为例,针对电网传输线三相短路故障和区域内同步发电机有功功率小扰动2种情况,分别对不同阻尼信号增益下的有功功率环和无功功率环附加阻尼控制策略的系统动态性能进行仿真。比较结果表明,与无附加阻尼控制相比,基于有功功率环或无功功率环的附加阻尼控制能够更好地抑制传输线功率振荡,且无功功率环附加阻尼控制不会导致风电机组传动链轴系扭矩振荡幅值增加。

汽轮机长叶片弯曲与轴系扭转耦合振动研究

为了研究汽轮机轴系扭转振动过程中长叶片弯振与轴扭振之间的耦合影响,参考某汽轮机轴系以及末级叶片的结构和材料数据,分别建立了3种有限元模型:叶-盘模型、简化轴系模型和带一级末级叶栅的叶-轴耦合模型,分析了这3种模型在静止和工作转速下的模态振动特征.结果表明:在叶-轴耦合模型中存在叶片模态、轴振模态和耦合模态3种不同的振动模态,这些模态体现了叶片弯振对轴系扭振的影响;受轴系扭振影响,叶-轴耦合模型中叶片的振动特性与叶-盘模型中相比存在一定的差别,但这种差别并不显著;从叶片安全角度考虑,设计时应同时考虑叶片静频和动频,并以叶片振动特性为基础,着重考虑叶-轴耦合时的振动特性,以避开工频波动可能带来的危害.

双馈风电场模糊附加阻尼控制策略

基于暂态能量函数分析原理,提出双馈风电场模糊附加阻尼控制策略。首先,以区域间暂态振荡能量下降为目标,从理论上分析了调节风电场输出有功或无功功率能抑制电力系统区域间低频振荡的可行性。其次,在阐述双馈风电场常规PSS附加阻尼控制策略的基础上,以传输线有功功率变化作为暂态能量振荡阶段的判断依据,提出了基于模糊控制的双馈风电场附加阻尼控制策略。最后,以双馈风电场接入IEEE两区域四机系统为例,针对电网传输线三相短路故障和区域内同步发电机输入功率小扰动两种情况,对采用模糊附加阻尼控制时系统的运行性能进行仿真,并与常规PSS附加阻尼控制和无附加阻尼控制的运行效果进行比较。仿真结果验证了风电机组有功或无功功率环模糊附加阻尼控制策略的正确性,同时表明基于无功功率环的模糊附加阻尼控制不仅能更好地抑制传输线有功功率振荡而且又能减小风电机组传动链轴系扭矩的波动。

汽轮发电机组轴系扭振多指标非线性协调控制

为减少机电扰动对汽轮发电机组轴系扭振的影响,在单机无穷大系统中,建立了汽轮发电机组轴系、励磁和调速的六阶非线性状态空间数学模型。基于反馈精确线性化理论,设计了发电机组励磁和调速的多指标非线性协调控制(MINC)策略。同时与线性最优控制(LOC)方法做对比,仿真表明:采用MINC方法,当系统受到短路故障,调功和调压扰动时,不仅能更好地抑制汽轮机和发电机之间功角位移偏差的振荡,减少轴系扭振事故的发生,还可以兼顾各状态量的动、静态性能,提高电力系统稳定运行水平。

大型汽轮机调节系统的设计对轴系扭振的影响

本文论证了在大型汽轮机调节系统的设计中考虑轴系扭振的必要性,讨论了调节系统影响轴系扭振稳定性的几种原因,并对大型汽轮机调节系统的设计提出了若干建议。

汽轮发电机组轴系扭振研究的发展与展望

自从汽轮机组轴系扭振问题被提出以来 ,国内外对此进行了广泛而深入的研究并取得了大量成果。在参阅近年来国内外文献的基础上 ,就轴系扭振产生原因、相应分析方法及解决措施进行了总结 ,分析了目前研究中尚待解决的问题 ,并结合目前电力工业中新型输配电、继电保护及控制等技术的发展需要 ,提出了一些新的研究方向以供参考。

汽轮发电机组轴系扭振的鲁棒非线性控制

提出将同步发电机及其励磁系统看做扭振励磁控制的执行元件,采用直接反馈线性化方法补偿其非线性因素,避免小偏差线性化模型的参数摄动问题,从而提高扭振励磁控制系统的鲁棒性。综合H∞扭振模态观测器、独立模态空间鲁棒控制器和非线性反馈补偿律,提出一种轴系扭振的鲁棒非线性控制策略,在大范围工况下具有一致的全局性能,并且3个组成部分可以分别独立设计;另外,可以方便地与常规非线性励磁控制律综合在一起,而不影响后者阻尼低频振荡的性能。以一台300 MW汽轮发电机组第1阶扭振模态的阻尼控制为例,通过仿真验证鲁棒非线性控制器的性能优于常规线性控制器。

汽轮发电机组轴系扭振的独立模态空间鲁棒控制

提出在汽轮发电机组轴系扭振的独立模态空间控制回路中,采用H∞扭振模态观测器估计模态反馈信号。证明了独立模态空间控制器可以独立设计,而引入H∞扭振模态观测器对闭环系统极点分布的影响可以忽略不计。基于H∞控制理论导出了针对受控扭振模态设计的独立模态空间控制器 的鲁棒稳定条件。另外,出于实际考虑,建议扭振控制转矩以发电机电磁转矩分量的形式实现,而将慢变的机械转矩看作干扰,提出了抑制其影响的H∞性能指标。在此基础上提出轴系扭振的独立模态空间鲁棒控制,并归结为带有闭环极点配置约束的多目标H∞综合问题。算例仿真表明,轴系扭振独立模态空间鲁棒控制策略是可行的、有效的。

大型汽轮发电机组的扭振快速保护

串补电容可能引发次同步暂态扭矩放大,极端情况下在0.5 s内导致汽轮发电机组大轴损伤,常规扭应力保护来不及保护。提出一种快速保护方法,该方法将电流或有功功率的工频变化量越限作为启动判据,波动转速幅值越限作为动作判据。针对XM地区M电厂的机组,选取12个算例进行时域仿真分析,结果表明,波动转速幅值与扭振幅值有较好的一致性,近似成正比;在仿真的转速中叠加现场实测的转速噪声信号,对保护算法及保护逻辑进行验证,结果表明扭振较轻时保护不动作,扭振较重时保护快速动作,最恶劣工况下暂态扭矩放大导致的疲劳值可降低至15%以下。需注意机组脱网之后仍存在扭振的影响,保护定值应有足够裕度。

汽轮机进汽管道压力脉动及其对轴系扭振稳定性的影响

介绍了一种能导致汽轮机轴系扭振失稳的因素。在一次电厂试验中发现，调节汽阀的快速操作会激起进汽管中的压力脉动；对配有高速调节系统的汽轮机，如果蒸汽管道压力脉动的固有频率与轴系扭振固有频率相近，则会发生轴系不稳定扭振，并可能造成轴系破坏。

弯扭耦合的旋转机械轴系弯振特性的研究

随着旋转机械在役运行时间的增加,转子部分多数会有质量偏心现象出现。这使得转子轴系的扭转振动与弯曲振动的耦合作用明显增强。在已有耦合振动方程基础上,采用有限差分、Newmark积分法求得动力响应,以300 MW汽轮发电机组为研究对象,将其模化为多支承分布质量模型,采用FFT、STFT和wavelet多种方法分析它在简谐衰减、非同期并列两种典型工况激励下以及不同偏心函数、弯扭下的弯振特性。分析结果为研究旋转机械复杂转子系统耦合振动中弯振特性的定量、定性分析提供了依据。

用励磁和调速的多参量附加控制抑制大型汽轮发电机的轴系扭振

本文给出了应用次最优控制理论,设计励磁和调速的多参量反馈附加控制器来抑制大型汽轮发电机组轴系扭振,并同时改善电力系统的动态品质的结果。数字仿真表明:所设计的多参量反馈附加控制器,不仅有效地抑制了机组轴系的扭振,而且大幅度提高了发电机的稳定运行水平。

次同步振荡下轴系扭振疲劳寿命损耗在线分析方法

为实时分析次同步振荡状态下轴系的扭振疲劳寿命损耗,准确评估轴系的安全性,本文分析了轴系扭振应力与机端扭角之间的关系,针对模态扭角提取过程中相位偏差、边界效应等问题,提出了一种利用零相位带通滤波-"移动窗"-模态叠加的方法计算扭振危险截面的应力历程,进而对轴系的扭振疲劳寿命损耗进行分析。结果表明:该方法在保证分析精度的同时,也可保证分析的实时性,适用于汽轮发电机组轴系扭振的在线监测、分析和系统保护。

从一个实例看分散控制错误引发强迫功率振荡的可能性

针对一起由分散控制系统设置错误引发的机组安全事故,分析了事故的发生原因,并建立了汽轮机调节系统模型,利用实时仿真平台再现了事故经过。进一步地,利用电力系统综合分析程序PSASP建立的单机无穷大系统研究并分析了此时分散控制系统故障引起电力系统强迫功率振荡的可能性。研究结果表明,分散控制系统故障可能造成电力系统强迫功率振荡,且分散控制系统控制器的运算周期影响了强迫功率振荡幅度。

1000MW汽轮发电机组轴系扭振特性计算评估

使用混合编程技术对一个计算评估汽轮发电机组轴系扭振特性的机网相互作用数字仿真程序MANDISP进行了Windows版本的开发,包括图形用户界面的创建及扭振特性分析功能的增强。Windows版本的MANDISP能对汽轮发电机组进行轴系模态频率与振型计算,对电网中的各种故障及操作进行时域仿真并计算其引起的机组轴系疲劳寿命损耗。最后利用程序对国产首台1000MW汽轮发电机组进行轴系扭振特性分析、暂态扭矩仿真及疲劳寿命损耗研究。计算结果表明,机组轴系自然频率满足轴系扭振频率设计要求,疲劳损耗也满足目前通常使用的机组设计标准。

东方600MW汽轮机轴系扭振敏感性分析

研究转子的动力学特性对其结构参数的敏感性,不仅对保证转子系统的运行安全和振动品质有重要意义,还为转子设计和制造提供了必要的调频手段。本文以东方某600 MW汽轮机轴系为研究对象,采用传递矩阵法及敏感度研究转子参数对轴系扭振频率的影响。轴系频率对转子局部扭转刚度的最大敏感度可达36%,但其轴系扭振振型变化很小。分析结果表明,东方某600 MW汽轮机轴系扭振固有频率对转子轴颈和联轴器局部的参数较为敏感。其中局部的刚度对扭振频率较低的模态影响较大,局部的转动惯量对扭振频率较高的模态影响较大。对扭振模态影响最大的局部常常在扭振振型变化最大处。