基于傅里叶变换的汽轮机转子转速控制研究.pdf

第 卷 第 期 年 月绵阳师范学院学报(自然科学版)().收稿日期:基金项目:四川省自然科学基金项目()第一作者简介:刘影()女四川成都人副教授博士研究方向:智能电网电力系统及其自动化 基于傅里叶变换的汽轮机转子转速控制研究刘影陈贵刚景致远谢驰(.电子科技大学机械与电气工程学院四川成都.成都锦城学院四川成都)摘 要:配电网中的次同步振荡会对汽轮发电机中的转子转速产生影响 通过傅里叶分析方法计算得出配电网中次同步振荡频率在汽轮发电机的转子转速控制系统中通过调节励磁系统中锁相环的频率合成减小励磁电流的波动实现对汽轮发电机的转子转矩控制 仿真结果表明在电网出现短时扰动时汽轮发电机的转速没有出现大波动实现了对次同步振荡的有效抑制 关键词:汽轮发电机 傅里叶分析 次同步振荡 转子中图分类号:文献标志码:文章编号:():././.(.):.:引言高压直流输电相比于交流输电方式在发生故障时能够快速发现故障并将其恢复以及具有降压启动和再启动的优点 高压直流输电系统所使用的架空线路成本低、传输电能的效率也较高目前高压直流输电已广泛应用 但随着输电高压等级越来越高、容量越来越大和距离越来越远容易受到静态和动态稳定极限等因素的影响产生次同步振荡 次同步振荡较容易和大型汽轮发电机轴系的自然扭振频率产生谐振如果不加以抑制措施会对汽轮发电机的转子造成很大的损坏严重时甚至会造成转子本体的断裂 高压直流输电系统的次同步振荡现象一直是高压直流输电的研究热点 目前对系统次同步振荡的分析主要采用前期监测和检测后的精确分析方法 对于前期的监测主要是对汽轮机发电机组的相关运行数据和运行情况进行监测并对电机轴系中的相关数据进行记录通过对数据的分析来对发电机轴系长期运行中的状况和出现损伤的程度进行判断采用机组切除实现对汽轮机转子转速控制 对次同步振荡的分析方法文献提出了等效电阻电抗值分析法文献提出了发电机相互作用分析法 这两种方法主要是用来判断电力系统中哪些汽轮发电机发生了次同步振荡现象文献的方法需要有汽轮发电机组轴系运行时的参数并通过对轴系运行方式调整实现对次同步振荡的控制该方法响应速度快但只能对整个电力系统的次同步运行情况做出比较粗略的评估而且分析结果与运行结果偏差较大 文献提出了复合力矩分析法文献提出了本征值分析法 这一类方法要求有汽轮发电机组轴系运行时的详细参数而且还要有比较详细的数学模型运算方式比较复杂运算速度很慢 因此本研究在傅里叶分析的基础上从高压直流输电系统变流装置电气特性出发计算系统的次同步振荡频率通过调节汽轮发电机的励磁系统输出实现次同步振荡控制 图 变流站的电路结构模型.次同步振荡产生机理高压直流输电系统中汽轮发电机产生的电能是通过变流器转换以直流的形式进行传输 图 为搭建的变流站的电路结构模型 当高压直流输电系统的变流站与系统的汽轮发电机在距离上十分接近时在发电机的转子上施加一个干扰量 在各设备上的电气量变化过程如图图 电气量变化过程.所示 发电机转子转速的变化将会使交流输电线路电压的大小 和相角 发生改变从而使施加的干扰量随着交流输电线路传递到变流站线路上 变流站中三相桥式全控整流电路的触发延迟角发生 变化 引起直流输电线路电压和电流 的变化使直流输电功率发生变化变化值为 电网的功率波动又会影响发电机的转子转矩产生波动 发电机的转子速度发生变化最终形成越来越强的轴系振动而危害转子本体安全 绵阳师范学院学报(自然科学版)基于 的转子转速控制把变流装置的三相电压以傅里叶级数和的形式表示如式()所示:()()()在变流装置的整流过程中三相电压在式()中的系数 为:.()式()中 当变流装置两端的交流输电线路和直流输电线路上存在次同步振荡时此时交流输电线路上每一相的电压 都是不对称的它们的数学表达式是:()()()式()中 的 值分别表示负序零序正序 为次同步振荡频率 由上述三个式子可以得到三相不对称的交流电压在经过变流装置变为直流电后它的电压 为:()()()()()式()中 为输电线路的工作频率 仅考虑负序电压和正序电压时在交流输电线路上流过次同步振荡 频率会在直流输电线路上感应出频率为()和()的电压分量 其中的频率分量 是超过同步频率的分量这种频率分量会逐渐被抑制而 频率分量会经过高压直流输电系统的交流输电线路传输到系统的直流输电线路上汽轮发电机组的转子将会出现频率为 的频率分量影响发电机的正常工作 通过傅里叶分析计算得出发电机转子受到的振荡频率该频率就是要抑制的频率 使用汽轮发电机的励磁激励方法设置励磁机的移相器参数 移相器主要包括同步单元、移相单元、脉冲形成及放大单元 移相触发是根据输入控制电压信号的大小改变输送到晶闸管的脉冲触发角以控制晶闸管整流电路的输出从而调节发电机的励磁电流 其中同步单元要求加在整流电路晶闸管的触发脉冲与加在晶闸管阳极电 刘 影等 基于傅里叶变换的汽轮机转子转速控制研究路上的电压在频率和相位上步调一致即触发脉冲在晶闸管承受正向电压时发出才能使晶闸管导通 触发脉冲受次同步振荡的影响会造成励磁电流波动 图 锁相环频率合成原理图.采用锁相环频率合成电路来实现同步模块由相位比较器、压控振荡器和低频滤波器组成结构如图 所示即将频率为 的频率分量经低通滤波去除一个周波信号中由于含有高次谐波而可能产生的多余过零点 再经过零检测电路将信号变成方波信号 这个方波信号频率和系统电压频率相同 然后将这个方波信号送到相位比较器的一个输入端作为比较基准 另外由压控振荡器产生频率为 的方波信号经一个分频器 分频后送到相位比较器的另一端与 相比较 如果被测信号的频率 发生变化则 分频器的输出频率也随之变化这样就达到了压控振荡器产生抑制次同步振荡的锁相同步目的 图 高压直流输电系统的次同步振荡模型.仿真分析使用/软件对高压直流系统次同步振荡现象进行仿真 以软件范例中自带的高压直流输电模型为基础在高压直流输电系统的交流输电线路上加入同步发电机模型 高压直流输电系统次同步振荡整体模型如图 所示 图 中发送端系统的额定电压为 接收端系统的额定电压为 频率都是 图 同步发电机模型.同步发电机模型如图 所示 图 中同步发电机的输出电压为 额定容量为.引发次同步振荡现象是通过在高压直流输电系统整流侧的母线上施加三相短路故障实现 短路发生时间为.短路持续时间为.总仿真时长为 图 为高压直流输电系统的交流侧电压与直流侧电压 图 为汽轮发电机的转矩变换 从图 可以看出在.引发的三相短路使高压直流输电系统发生了次同步振荡 汽轮发电机的转矩在.之后就变得不稳定起来而且呈现出扩散的趋势如果不加入一些抑制措施可以预想到汽轮发电机的轴系必将损坏 绵阳师范学院学报(自然科学版)图 交流侧电压()与直流侧电压().()()图 汽轮发电机的转矩变化.图 加入次同步振荡抑制的转子转矩.当发生次同步振荡时汽轮发电机的转速是在不停变化所以相应的频率也在一定范围内变化 次同步振荡的频率一般是在 所以在搭建次同步振荡抑制模型时通过傅里叶分析得出了所搭建模型在三相短路故障下所引发的次同步振荡频率值 将输入信号通过一阶低通滤波器和一阶高通滤波器提取该频率段的输入信号 再将提取出的频率为 的输入信号经过中心频率为次同步振荡频率值的带通滤波器送入励磁系统的锁相环频率合成电路调节励磁系统的输出电流使汽轮发电机的转子转速稳定加入次同步振荡抑制结构后的汽轮发电机的转子转矩变化如图 所示 从图 中可以看出加入次同步振荡抑制后汽轮发电机的转子转矩相比于未加入次同步振荡抑制时也明显减小转速明显没有出现太大波动且没有呈现出扩散的趋势说明实现了对高压直流输电系统次同步振荡的抑制 结语当高压直流输电系统的电气设备发生故障或者输电线路遭受扰动时汽轮发电机转子因为外界的干扰在发电机的内部装置中会出现次同步振荡次同步振荡频率与转子固有振荡周期互补 次同步振荡不会随着故障的清除或扰动的消失而渐渐消失会通过汽轮发电机的定子向整个电力系统传输对高压直流输电系统以及汽轮发电机的转子本体造成威胁 本研究采用傅里叶分析方法计算得出输电系统发生扰动时的次同步振荡频率并计算补偿相位实现对励磁系统中电力电子器件的开通和关断时间控制实现对汽轮发电机的励磁调节 对电力电子器件的控制除了考虑励磁系统还应在换流站中进一步考虑这也是后续需要研究的方向(下转第 页)刘 影等 基于傅里叶变换的汽轮机转子转速控制研究.:./().:.:./().:.().():.().():.:():.()/().:./.().(责任编辑:代三威)(上接第 页)参考文献:陈龙龙徐飞魏晓光等.大容量可控关断的直流输电用电流源型换流器研究综述.中国电力():.:.():.王敏华康积涛裴超志.高压直流输电次同步振荡时域仿真分析与控制.四川电力技术():.:.:.党存禄严占想陈蕾.高压直流输电次同步振荡轴系扭振分析.自动化仪表():.:.():.张剑肖湘宁高本锋等.双馈风力发电机的次同步控制相互作用机理与特性研究.电工技术学报():.詹荣荣赵寒杜丁香等.发电机轴系特性动态模拟的可行性探讨.电气应用():.刘代祥汪立.发电厂次同步振荡()问题的解决方法.四川电力技术():.倪以信王艳春陈寿荪等.多机系统 引起的轴系扭振的扫频:复数力矩系数分析.电力系统及其自动化学报():.周佩朋宋瑞华李光等.基于附加比例谐振控制的风机次同步振荡抑制方法.中国电机工程学报.():.(责任编辑:代三威)杨 栩 量化参数自适应全景视频编码