337 汽轮发电机轴扭矩随机特性的自适应短时补偿效应

1、维普资讯 围 外 大 电 机汽轮发电机轴扭矩随机特性的自适应短时补偿效应(加拿大) sherifomarfaried 等i摘要1本文介绍了一种蒙特卡罗方法，它是以系统故障时快速重合闸期间，汽轮发电机轴最大扭矩的计算方法为基础。本文对人型汽轮发乜机模型进行了研究，同时将与电力系统实际运行有关的几个不确定因素进行了考虑。对于不对称故障，在清除和重合闸故障时应考虑两种切换方式，即通常切换f线对线和两线对地的三极故障及单线对地的单极故障)和可选电极切换。最近输电系统布故障清除和线路重合闸期间，应用补偿电容器进行平衡此外，将一种自适应重合闸技术应用于重合闸断相中。本

2、文对自适应短时补偿重合闸技术对预期最大扭矩及其变化影响进行了研究。同时，还介绍了一个危险指标，它是用来反映汽轮发电机轴产生的扭矩超过其设计值的可能性。【关键词1电容器补偿输电线路；灵活的交流输电系统：快速重合闸；随机方法；扭转振荡1 前言由 轴系统响应产生大量快速连续的电瞬态过程，使得自动快速重合闸系统故障，尤其是那些错误故障对汽轮发电机轴产生严重影响。在某些恶 劣工况下，将附加扭转振动叠加到一直振动的轴系中会使汽轮发电机扭矩放大【“ 。应 力较大会使汽轮发电机寿命减小，情况严重时会使轴受损。尽管该叠加的精确度受到大量相关不定因素的影响(如继 器和断路器定时公差 )，但通常还是利用决定性结构进

3、行汽轮发电机轴扭矩分析。决定性方法 已经得到j“泛而成功地应 jj，同时在 多数与汽轮发电机轴设计有关的国际标准中，三相端子短路被认为是设计准则，为此，汽轮发电机必须设计成无故障【引。在文献【4】和【5】中应注意，在不同位置也可能出现意外故障，且比发电机端部出现三相故障的概率要高。此外，不同系统故障对系统有不同的影响，所以可利用随机方法获得系统在故障状态 性能的真正评估。合闸断相。在模拟研究中，应用了 emtdc程序161。2 自适应短时补偿输电线路的可选电极切换包括故障相仅有短路断路器电极的跳闸和快速重合闸【7】。在切换过程中，对于单线对地故障(单极重合闸)、线对线或两线对地的两极故障和所有

4、三相三极故障，都应有一个电极被断开和重合闸。自适应短时补偿法的基本目的是在清除和重合闸非对称故障期间应利用可选电极切换平衡输电系统。利州 图 l可分析此方法在线对线或两线对地故障期间的操作顺序，具体说明如下【0】：(1)故障的检测，用继电器控制系统进行故障类型和故障相的识别。本文介 了评估汽轮发电机轴最大扭矩的蒙特卡罗模拟方法，同时考虑了与出现扰动和附带防护切换顺序有关的不定因素。其主要优点是不仅能预估所计算的汽轮发电机轴的最大扭矩值，还能确定扭矩概率分布情况。在研究过程中，对清除和重合闸系统故障，考虑了两种切换方式，即常规切换(线对线和两线对地的三极故障及单线对地的单极故障)和可选电极切-

5、cb闭合 口 cb断开可控硅导电图 1 自适应短时补偿法的基本原理换。最近 ，在故障清除和线路重合时应用补偿电容器平衡了输电系统。将 一种自适应重合闸技术应用于重(2)继电器控制系统提供两种信号，一种信号是断维普资讯 2汽轮发电机轴扭矩随机特性的自适应短时补偿效应2o02n03开故障线路 a和 b，另一种信 号是闭锁 a 和 b 相的tssc(无触发和零可控硅传导)。后者可通过接入补偿电容器 c 和 c 来平衡输电系统。下一节讨论 了在连续重合闸期间，这些电容器的旁通顺序。在某一不利时刻，清除系统故障会造成扭矩成倍猛增。接通 串联电容器也会导致扭矩增大。所

6、 以，为避免汽轮发电机轴扭矩成倍增大，在故障清除的一个周期内，应控制补偿电容器的接通。3 自适应可选电极重合闸输电线路自适应重合闸包括控制相关电路断路器重合闸顺序，并根据输电线路已有的特殊条件计时【9l。这种重合闸的主要优点是由于不对称故障变成永久故障，所以通过可选电极切换避免重合闸线路断开。通过按顺序重合闸断相和如图 2所示 测量非励磁相电压可做到这点。由此鉴别故障存在与否和是否需要重合闸。例如 ，由丁线对线或两线对地故障，所以在输电线路重合闸断开期间，可选电极切换操作步骤如下：(1)如果任一或两个非励磁导体 a和 b的电压等于零，这就表明其中有一个导体或两者都存在接地故障。在此情况下，防护

7、系统应闭锁断开导体的重合闸。(2)如果励磁相 (c)与任一非励磁导体的电压相等，则表明在两相或三相无接地故障中(故障清除之后，在 a，b和相 c 之间具有一种刚性连接)存在线对线故障。在此情况下，防护系统的作用类似于(1)。c二 i，、肌，一l一：两个导体之-(a)和旁通该相电容器可测出存在的线对线故障。在此情况 下，不允许再重合闸。(4)如果这两相导体间不存在故障，则非励磁导体的电压应小于励磁相电压。在此 情况下，b重合闸且b相电容器被旁通。4 研究用的系统本文研究用的系统见图 3。它 由一台经由变压器和双回路输电线路与无限总线连接的汽轮发电机组成。可控硅 切换串联电容器(tssc)连接于变

8、压器高压侧和输电线路之间。tssc 的容抗为其中一根输电线路感抗的 l，2。在正常 情况下，tssc 被旁通(连续选通且全可控硅传导)。汽 轮发电机组轴系统由一台高压汽轮机(hp)、两台低压汽轮机(lpa 与 lpb)和发电机转子组成。该发 电机及其相关汽轮机参数见附录。线图 3 研究用的系统对于时域模拟研究，同步发电机用 d-qo参考系表示。汽轮发电机机械系统由一线性的质量弹性阻尼系统构成。在 目前研究中，应用串联阻抗将输电线路模拟成一条转置非耦合参数线路。无 限总线在同步频率时，被简单地表示成一个恒定振幅的正弦电压。每个断路器表示成能在零电流时断开的一种理想开关。忽略汽轮 发电机调速系统的

9、动态性能，且对应于稳态运行工况，假设机械输入转矩为常数。模拟模 型还包含了汽轮发电机励磁系统的动态特性。 由于emtdc的初始化属性，所以假设 t=10s时出现故障 。 cb闭合 d cb断开可控硅导电图 2 自适应重合闸的基本原理(3)对于非励磁导体 a和 b，如果不重合闸其中某一相，则无法识别导体中存在的线对线故障，原因是不管它们之间是否存在故障，这两相电压都相等。如果该相和非励磁导体(b。)的电压相等，则通过合闸5 模拟结果图 4a为单极 切换情况，表明在 3313周期单线对地(相 a)故障不连续重合闸期间汽轮发电机电磁转矩(te)和扭矩t(lpbgen)，t(lpalpb)，t(hpl

10、pa)】的响应特性，而图 4b为具 有自适应短时补偿重合闸的可选电极切换响应情况。在后 一种情况中，相 a 的补偿电容器在故障清除后，接通 05个周期。检测 故障持续时间同时中止重合闸。由图 4可看 出，自适应短时补偿重合闸使汽轮发电机轴产生韵扭矩比不连续单极重合闸情况产生的扭矩要小得多。lpbgen、lpalpb和 hplpa 轴截面产生的扭矩分别降低了维普资讯 2o02n03国 外 大 电 机3时间(8)(8)单极重合闸(b)自适应短时补偿和自适应重合闸图 4 3313周期单线对地故障不连续重合闸期间汽轮发电机电磁转矩和扭矩28，46和 14。值得注意

11、的是，适当降低扭矩振幅对减小轴材料产生的疲劳有显著影响。6 随机模型与蒙特卡罗模拟结果本文利用状态抽样法【m】预估汽轮发电机不同轴截面扭矩的概率分布情况。文 献5】和 1l】介绍 了根据汽轮发电机轴扭矩的概率估算法而确定的 6个基本 不定因素，分别为：(1)故障类型；(2)故障位置：(3)故障发生瞬间：(4)故障清除时间：(5)线路重合闸时间：(6)故障持续时间。本文在研究过程中，认为影响汽轮发电机轴最大扭矩的所有因素相互独立且互相排斥。假设前 3个不定因素的各 自性能在0，l】时按均匀分布分类的，从而确定基本抽样方法。要求清 除系统故障利重合闸线路的继电器和断路器时间可通过正常分布进行模拟。

12、实际上，多数系统故障是瞬变的，且利用雷利分布来模拟第 6个 不定因素和故障持续时间。以下为随机因素的数学模拟。表示故障类型，其中 i=15，分别对应 于三线对地、三线、两线对地、 两线和线对地故障。利用增大素数乘同余法可获得0，l】时均匀分布的随机数。式(1)给出了故障类型的随机模型。i=l，若gi=2，若(g+)ulgi=3，若(g+ g)u1=且ul (g+)(1)i=4，若( g+ r，+ g+尸 )之 lrul ( r上g+ + g)i=5，若 ul ( g+ + lg+， )式中尸心 、尸 尸脚、 和 分别为三线对地、三线、两线对地、两线和线对地故障的出现概率(本文研究所用数值尸 c

13、=002，尸“=o03，尸脚 =o05，l=010和g=080)。通过 o， 1】时均 匀分布的随机数 ，可模拟故障位置的不定性。由于系统具有两条平行线路，所以如果 u5)、，(2)系统 用矢量 表示整个系统的刚采术忤样。它能够反映引起凡 ，：=2sk= 町 1fl|fl1fct，lrtfd)、)故障发生瞬间【0，180时的不定性还可通过【0，l】式中：卜系统采样。时均匀分布的任意数来模拟。利用每个系统采样可计算汽轮发电机最大扭矩，fii=u3l80(3)在汽轮发电机轴截面 产生的最大扭矩见下式：利用 boxmuler法o】可产生以下两个正态分布的=善随机变量。如果和为两个独立的，在【0，l】

14、间均匀分式中：系统状态采样数。布的随机数。则图 5显示 了伴随系统故障的快速重合闸，即针对， =一21nu，cos(2 u )(4)常规重合闸和自适应短时补偿重合闸期间，在汽轮发和电机不同轴截面产生的最大扭矩。 由图 5可见。对 于=一21nu，sin(2nu )(5)给定轴截面，在常规重合闸时，预估的汽轮发电机轴为两个独立的、正态分布的随机变量。利用此 算法可产生两个表示故障清除时间(fct，ta=3个周期而cr=o5个周期)和线路重合闸时间(lrt，u=30个周期而o-=05个周期)的正态分布随机变量。根据【0，l】时均匀分布的随机数，利用雷利分布的一个随机变量(k=10)o-模拟故 障持

15、续时n(fd)，见22童-i02500500o750olo00采样数口 2：=： 2骂。1骂l002so050007500io0d采样致21写11叁000250d500o750ol000采样效t)常规重合闸最大扭矩比利用自适应短时补偿重合闸法产生的最大扭矩要大。这 是由于在清除和重合闸不对称故障期间，应用自适应短时补偿可平衡输电系统。由图 5还可见，应用自适应短时补偿可使 (lpbgen)轴截面应力降低 268、(lpalpb)轴截面降低 296，而(hplpa)轴截面降低 52。22喜-io250050【l0750ol0000采样散口 22骂。i写0o250o500o750010000采样数

16、言-o250050【l0750ol0000采样数(b)自适应短时补偿重合闸图 5 快速重合闸期间汽轮发电机最大扭矩的 敛曲线维普资讯 国 外 大 电 机5图 6示出，在常规重合 闸、自适应短时补偿重合闸情况 卜，不同轴截面产生的最大扭矩分布概率。轴截面产生的扭矩如果超过其设计值，则此概率值作为项危险指标1】。由图 6还可 见，对于一给定轴截面，汽轮发电机轴截面产生的超过某一值的扭矩概率可能大于自适应短时补偿重合闸情况。将两种工况定义为状态 i和 i。在状态 i中，汽轮发电机轴设计成能承受三相端部短路i “。在状态22o165合闸110o5500d10816

17、8228288348r( 瑕一c,en)(pu)26019513o06500d068093118143i68r(胛 一tpa)(pu)22o16511oo5500do97i47i97247297r(一tpb)(pu)(t)概率密度函数表 1 汽轮发电机轴截面的危险指标10d羹：75闸02500d108168228288348r(lpbgen)(pu)*耀097i47197247297r(一tpb)(pu)*耀o 68 093 118 143 168t(hp一)(pu)(b)累积分布函数图 6 不同轴截面产生的扭矩概率分布情况ii中，轴设计成能够承受应力增加 25。表 l示出在似化。用危 险指标

18、来估算汽轮发电机轴产生的超过其常规重合闸及自适应短时补偿重合闸时，汽轮发电机设计值扭矩的可能性。文中介绍的随机方法是对实际轴截面在这两种工况下的危险指标(尺)。对 于每一种系统可能遇到的汽轮发电机扭矩的真实评估。情况，这些危险指标的最大值都认为是整个汽轮发电附录机的危险指标。由表 l可见 ，由于应用短时补偿重合输电系统电气参数闸，整个汽轮发电机危险指标在工况 i和 ii中分 别降变压器(700mva，22500kv)低 l76和 278。汽轮发电机的机械参数7 结论本文介绍了在常规重合闸和自适应短时重合闸期间，利用蒙特卡罗基本法估算汽轮发电机产生的最大扭矩。同时 ，还介绍了这些扭矩的预估值。研

19、究 结果表明，最大扭矩出现的概率较小而且多半与较小的扭矩有关，同时，恶劣工况下的最大扭矩值比该扭矩的预估值大得多。蒙特 罗模拟可克服利用不连续概率分布时的近(下转第 lo页)维普资讯 lo一种用于开发电动机驱动系统的集成虚拟学习系统2002no3同一时间关闭。此外，由于功率开关器什有限的导通和关断时间，设计者必须提供一个延时，以使一个臂上的两个功率开关决不会在同一时间导通。为了达到这一目的，将一死区引入 pwm 信号。下面用作例子的模块的目的是为了确保学生掌握 pwm 信号死区的原理。用作例子的模块包括：解说层：电力器件导通和关断时间的基本概念，个逆变器的

20、运行，不同的 pwm 策略 (如正弦一三角 )和谐波消除。浏览层：通过逆变器的运行进行试验，并通过仿真和图形观察它的性能。图 6为显示在应用程序浏 览器上的部分解说层和浏览层。使用 了不同的 dsp 程序例子来说明各种 pwm 策略的效果。在系统 的虚拟仪器上看到了电动机驱动的输出。学生可以看到，与其他方案相比，“谐波消除技术 ”的确使输出中的谐波减少了。诊断层：这一层被设计为逐步理解所阐明的概念。提出了一些问题来测试学生的理解水平。视成绩而定，允许受训者进入下一 (更深 的)级。图 5为一个诊断层的例子，它说明了在产生 pwm 信号时需要一 个死区。每当遇到一个错误的答案，相应的解释层画面就

21、会显示出来，以保证下一个问题出来之前这个概念被很好地理解了。 对于图 2中的 电动机驱动，学习模块包含了从基本电路 j二作 包括 电路模型和开关的原理 到数字控制设计的内容。数字控制设计包括 pwm 产生策略，dq 变换和基本控制环概念。 目前在所提出的虚拟系统中下列主要模块是可以使用的：三相整流器原理和运行；pwm 逆变器的原理和运行：无刷直流电动机的原理和运行；基本数字闭环 bldc 电动机控制理论；pwm 发生技术，包括正弦一三角 pwm ，磁滞电(上接第 5页)x-o1purr=0o01pu输电线路(500kv)：04purl=004pu汽轮发电机电气参数发电机(700mva，22kv，60hz)，=012pu rd=00045pu=37s=154pu口=150pu=o04s流控制 pwm 和空间矢量 pwm。所有的学习模块都是以 html 的格式，并且可以通过应用软件环境提供的集成 html 浏览器显示。如果愿意，还可以通过远程用户应用程序，如网页浏览器或其他专用的用户程序，进入这些模块。e 图形用户界面 (gui)如上所述，集成虚拟学习系统为学生进行电力变换器电路试验提供