337 汽輪發(fā)電機軸扭矩隨機特性的自適應(yīng)短時補償效應(yīng)

1、維普資訊 圍 外 大 電 機汽輪發(fā)電機軸扭矩隨機特性的自適應(yīng)短時補償效應(yīng)(加拿大) sherifomarfaried 等i摘要1本文介紹了一種蒙特卡羅方法，它是以系統(tǒng)故障時快速重合閘期間，汽輪發(fā)電機軸最大扭矩的計算方法為基礎(chǔ)。本文對人型汽輪發(fā)乜機模型進行了研究，同時將與電力系統(tǒng)實際運行有關(guān)的幾個不確定因素進行了考慮。對于不對稱故障，在清除和重合閘故障時應(yīng)考慮兩種切換方式，即通常切換f線對線和兩線對地的三極故障及單線對地的單極故障)和可選電極切換。最近輸電系統(tǒng)布故障清除和線路重合閘期間，應(yīng)用補償電容器進行平衡此外，將一種自適應(yīng)重合閘技術(shù)應(yīng)用于重合閘斷相中。本

2、文對自適應(yīng)短時補償重合閘技術(shù)對預(yù)期最大扭矩及其變化影響進行了研究。同時，還介紹了一個危險指標，它是用來反映汽輪發(fā)電機軸產(chǎn)生的扭矩超過其設(shè)計值的可能性。【關(guān)鍵詞1電容器補償輸電線路；靈活的交流輸電系統(tǒng)：快速重合閘；隨機方法；扭轉(zhuǎn)振蕩1 前言由 軸系統(tǒng)響應(yīng)產(chǎn)生大量快速連續(xù)的電瞬態(tài)過程，使得自動快速重合閘系統(tǒng)故障，尤其是那些錯誤故障對汽輪發(fā)電機軸產(chǎn)生嚴重影響。在某些惡 劣工況下，將附加扭轉(zhuǎn)振動疊加到一直振動的軸系中會使汽輪發(fā)電機扭矩放大【“ 。應(yīng) 力較大會使汽輪發(fā)電機壽命減小，情況嚴重時會使軸受損。盡管該疊加的精確度受到大量相關(guān)不定因素的影響(如繼 器和斷路器定時公差 )，但通常還是利用決定性結(jié)構(gòu)進

3、行汽輪發(fā)電機軸扭矩分析。決定性方法 已經(jīng)得到j(luò)“泛而成功地應(yīng) jj，同時在 多數(shù)與汽輪發(fā)電機軸設(shè)計有關(guān)的國際標準中，三相端子短路被認為是設(shè)計準則，為此，汽輪發(fā)電機必須設(shè)計成無故障【引。在文獻【4】和【5】中應(yīng)注意，在不同位置也可能出現(xiàn)意外故障，且比發(fā)電機端部出現(xiàn)三相故障的概率要高。此外，不同系統(tǒng)故障對系統(tǒng)有不同的影響，所以可利用隨機方法獲得系統(tǒng)在故障狀態(tài) 性能的真正評估。合閘斷相。在模擬研究中，應(yīng)用了 emtdc程序161。2 自適應(yīng)短時補償輸電線路的可選電極切換包括故障相僅有短路斷路器電極的跳閘和快速重合閘【7】。在切換過程中，對于單線對地故障(單極重合閘)、線對線或兩線對地的兩極故障和所有

4、三相三極故障，都應(yīng)有一個電極被斷開和重合閘。自適應(yīng)短時補償法的基本目的是在清除和重合閘非對稱故障期間應(yīng)利用可選電極切換平衡輸電系統(tǒng)。利州 圖 l可分析此方法在線對線或兩線對地故障期間的操作順序，具體說明如下【0】：(1)故障的檢測，用繼電器控制系統(tǒng)進行故障類型和故障相的識別。本文介 了評估汽輪發(fā)電機軸最大扭矩的蒙特卡羅模擬方法，同時考慮了與出現(xiàn)擾動和附帶防護切換順序有關(guān)的不定因素。其主要優(yōu)點是不僅能預(yù)估所計算的汽輪發(fā)電機軸的最大扭矩值，還能確定扭矩概率分布情況。在研究過程中，對清除和重合閘系統(tǒng)故障，考慮了兩種切換方式，即常規(guī)切換(線對線和兩線對地的三極故障及單線對地的單極故障)和可選電極切-

5、cb閉合 口 cb斷開可控硅導(dǎo)電圖 1 自適應(yīng)短時補償法的基本原理換。最近 ，在故障清除和線路重合時應(yīng)用補償電容器平衡了輸電系統(tǒng)。將 一種自適應(yīng)重合閘技術(shù)應(yīng)用于重(2)繼電器控制系統(tǒng)提供兩種信號，一種信號是斷維普資訊 2汽輪發(fā)電機軸扭矩隨機特性的自適應(yīng)短時補償效應(yīng)2o02n03開故障線路 a和 b，另一種信 號是閉鎖 a 和 b 相的tssc(無觸發(fā)和零可控硅傳導(dǎo))。后者可通過接入補償電容器 c 和 c 來平衡輸電系統(tǒng)。下一節(jié)討論 了在連續(xù)重合閘期間，這些電容器的旁通順序。在某一不利時刻，清除系統(tǒng)故障會造成扭矩成倍猛增。接通 串聯(lián)電容器也會導(dǎo)致扭矩增大。所

6、 以，為避免汽輪發(fā)電機軸扭矩成倍增大，在故障清除的一個周期內(nèi)，應(yīng)控制補償電容器的接通。3 自適應(yīng)可選電極重合閘輸電線路自適應(yīng)重合閘包括控制相關(guān)電路斷路器重合閘順序，并根據(jù)輸電線路已有的特殊條件計時【9l。這種重合閘的主要優(yōu)點是由于不對稱故障變成永久故障，所以通過可選電極切換避免重合閘線路斷開。通過按順序重合閘斷相和如圖 2所示 測量非勵磁相電壓可做到這點。由此鑒別故障存在與否和是否需要重合閘。例如 ，由丁線對線或兩線對地故障，所以在輸電線路重合閘斷開期間，可選電極切換操作步驟如下：(1)如果任一或兩個非勵磁導(dǎo)體 a和 b的電壓等于零，這就表明其中有一個導(dǎo)體或兩者都存在接地故障。在此情況下，防護

7、系統(tǒng)應(yīng)閉鎖斷開導(dǎo)體的重合閘。(2)如果勵磁相 (c)與任一非勵磁導(dǎo)體的電壓相等，則表明在兩相或三相無接地故障中(故障清除之后，在 a，b和相 c 之間具有一種剛性連接)存在線對線故障。在此情況下，防護系統(tǒng)的作用類似于(1)。c二 i，、肌，一l一：兩個導(dǎo)體之-(a)和旁通該相電容器可測出存在的線對線故障。在此情況 下，不允許再重合閘。(4)如果這兩相導(dǎo)體間不存在故障，則非勵磁導(dǎo)體的電壓應(yīng)小于勵磁相電壓。在此 情況下，b重合閘且b相電容器被旁通。4 研究用的系統(tǒng)本文研究用的系統(tǒng)見圖 3。它 由一臺經(jīng)由變壓器和雙回路輸電線路與無限總線連接的汽輪發(fā)電機組成?？煽毓?切換串聯(lián)電容器(tssc)連接于變

8、壓器高壓側(cè)和輸電線路之間。tssc 的容抗為其中一根輸電線路感抗的 l，2。在正常 情況下，tssc 被旁通(連續(xù)選通且全可控硅傳導(dǎo))。汽 輪發(fā)電機組軸系統(tǒng)由一臺高壓汽輪機(hp)、兩臺低壓汽輪機(lpa 與 lpb)和發(fā)電機轉(zhuǎn)子組成。該發(fā) 電機及其相關(guān)汽輪機參數(shù)見附錄。線圖 3 研究用的系統(tǒng)對于時域模擬研究，同步發(fā)電機用 d-qo參考系表示。汽輪發(fā)電機機械系統(tǒng)由一線性的質(zhì)量彈性阻尼系統(tǒng)構(gòu)成。在 目前研究中，應(yīng)用串聯(lián)阻抗將輸電線路模擬成一條轉(zhuǎn)置非耦合參數(shù)線路。無 限總線在同步頻率時，被簡單地表示成一個恒定振幅的正弦電壓。每個斷路器表示成能在零電流時斷開的一種理想開關(guān)。忽略汽輪 發(fā)電機調(diào)速系統(tǒng)的

9、動態(tài)性能，且對應(yīng)于穩(wěn)態(tài)運行工況，假設(shè)機械輸入轉(zhuǎn)矩為常數(shù)。模擬模 型還包含了汽輪發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的動態(tài)特性。 由于emtdc的初始化屬性，所以假設(shè) t=10s時出現(xiàn)故障 。 cb閉合 d cb斷開可控硅導(dǎo)電圖 2 自適應(yīng)重合閘的基本原理(3)對于非勵磁導(dǎo)體 a和 b，如果不重合閘其中某一相，則無法識別導(dǎo)體中存在的線對線故障，原因是不管它們之間是否存在故障，這兩相電壓都相等。如果該相和非勵磁導(dǎo)體(b。)的電壓相等，則通過合閘5 模擬結(jié)果圖 4a為單極 切換情況，表明在 3313周期單線對地(相 a)故障不連續(xù)重合閘期間汽輪發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩(te)和扭矩t(lpbgen)，t(lpalpb)，t(hpl

10、pa)】的響應(yīng)特性，而圖 4b為具 有自適應(yīng)短時補償重合閘的可選電極切換響應(yīng)情況。在后 一種情況中，相 a 的補償電容器在故障清除后，接通 05個周期。檢測 故障持續(xù)時間同時中止重合閘。由圖 4可看 出，自適應(yīng)短時補償重合閘使汽輪發(fā)電機軸產(chǎn)生韻扭矩比不連續(xù)單極重合閘情況產(chǎn)生的扭矩要小得多。lpbgen、lpalpb和 hplpa 軸截面產(chǎn)生的扭矩分別降低了維普資訊 2o02n03國 外 大 電 機3時間(8)(8)單極重合閘(b)自適應(yīng)短時補償和自適應(yīng)重合閘圖 4 3313周期單線對地故障不連續(xù)重合閘期間汽輪發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩和扭矩28，46和 14。值得注意

11、的是，適當降低扭矩振幅對減小軸材料產(chǎn)生的疲勞有顯著影響。6 隨機模型與蒙特卡羅模擬結(jié)果本文利用狀態(tài)抽樣法【m】預(yù)估汽輪發(fā)電機不同軸截面扭矩的概率分布情況。文 獻5】和 1l】介紹 了根據(jù)汽輪發(fā)電機軸扭矩的概率估算法而確定的 6個基本 不定因素，分別為：(1)故障類型；(2)故障位置：(3)故障發(fā)生瞬間：(4)故障清除時間：(5)線路重合閘時間：(6)故障持續(xù)時間。本文在研究過程中，認為影響汽輪發(fā)電機軸最大扭矩的所有因素相互獨立且互相排斥。假設(shè)前 3個不定因素的各 自性能在0，l】時按均勻分布分類的，從而確定基本抽樣方法。要求清 除系統(tǒng)故障利重合閘線路的繼電器和斷路器時間可通過正常分布進行模擬。

12、實際上，多數(shù)系統(tǒng)故障是瞬變的，且利用雷利分布來模擬第 6個 不定因素和故障持續(xù)時間。以下為隨機因素的數(shù)學(xué)模擬。表示故障類型，其中 i=15，分別對應(yīng) 于三線對地、三線、兩線對地、 兩線和線對地故障。利用增大素數(shù)乘同余法可獲得0，l】時均勻分布的隨機數(shù)。式(1)給出了故障類型的隨機模型。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 尸腳、 和 分別為三線對地、三線、兩線對地、兩線和線對地故障的出現(xiàn)概率(本文研究所用數(shù)值尸 c

13、=002，尸“=o03，尸腳 =o05，l=010和g=080)。通過 o， 1】時均 勻分布的隨機數(shù) ，可模擬故障位置的不定性。由于系統(tǒng)具有兩條平行線路，所以如果 u5)、，(2)系統(tǒng) 用矢量 表示整個系統(tǒng)的剛采術(shù)忤樣。它能夠反映引起凡 ，：=2sk= 町 1fl|fl1fct，lrtfd)、)故障發(fā)生瞬間【0，180時的不定性還可通過【0，l】式中：卜系統(tǒng)采樣。時均勻分布的任意數(shù)來模擬。利用每個系統(tǒng)采樣可計算汽輪發(fā)電機最大扭矩，fii=u3l80(3)在汽輪發(fā)電機軸截面 產(chǎn)生的最大扭矩見下式：利用 boxmuler法o】可產(chǎn)生以下兩個正態(tài)分布的=善隨機變量。如果和為兩個獨立的，在【0，l】

14、間均勻分式中：系統(tǒng)狀態(tài)采樣數(shù)。布的隨機數(shù)。則圖 5顯示 了伴隨系統(tǒng)故障的快速重合閘，即針對， =一21nu，cos(2 u )(4)常規(guī)重合閘和自適應(yīng)短時補償重合閘期間，在汽輪發(fā)和電機不同軸截面產(chǎn)生的最大扭矩。 由圖 5可見。對 于=一21nu，sin(2nu )(5)給定軸截面，在常規(guī)重合閘時，預(yù)估的汽輪發(fā)電機軸為兩個獨立的、正態(tài)分布的隨機變量。利用此 算法可產(chǎn)生兩個表示故障清除時間(fct，ta=3個周期而cr=o5個周期)和線路重合閘時間(lrt，u=30個周期而o-=05個周期)的正態(tài)分布隨機變量。根據(jù)【0，l】時均勻分布的隨機數(shù)，利用雷利分布的一個隨機變量(k=10)o-模擬故 障持

15、續(xù)時n(fd)，見22童-i02500500o750olo00采樣數(shù)口 2：=： 2罵。1罵l002so050007500io0d采樣致21寫11叁000250d500o750ol000采樣效t)常規(guī)重合閘最大扭矩比利用自適應(yīng)短時補償重合閘法產(chǎn)生的最大扭矩要大。這 是由于在清除和重合閘不對稱故障期間，應(yīng)用自適應(yīng)短時補償可平衡輸電系統(tǒng)。由圖 5還可見，應(yīng)用自適應(yīng)短時補償可使 (lpbgen)軸截面應(yīng)力降低 268、(lpalpb)軸截面降低 296，而(hplpa)軸截面降低 52。22喜-io250050【l0750ol0000采樣散口 22罵。i寫0o250o500o750010000采樣數(shù)

16、言-o250050【l0750ol0000采樣數(shù)(b)自適應(yīng)短時補償重合閘圖 5 快速重合閘期間汽輪發(fā)電機最大扭矩的 斂曲線維普資訊 國 外 大 電 機5圖 6示出，在常規(guī)重合 閘、自適應(yīng)短時補償重合閘情況 卜，不同軸截面產(chǎn)生的最大扭矩分布概率。軸截面產(chǎn)生的扭矩如果超過其設(shè)計值，則此概率值作為項危險指標1】。由圖 6還可 見，對于一給定軸截面，汽輪發(fā)電機軸截面產(chǎn)生的超過某一值的扭矩概率可能大于自適應(yīng)短時補償重合閘情況。將兩種工況定義為狀態(tài) i和 i。在狀態(tài) i中，汽輪發(fā)電機軸設(shè)計成能承受三相端部短路i “。在狀態(tài)22o165合閘110o5500d10816

17、8228288348r( 瑕一c,en)(pu)26019513o06500d068093118143i68r(胛 一tpa)(pu)22o16511oo5500do97i47i97247297r(一tpb)(pu)(t)概率密度函數(shù)表 1 汽輪發(fā)電機軸截面的危險指標10d羹：75閘02500d108168228288348r(lpbgen)(pu)*耀097i47197247297r(一tpb)(pu)*耀o 68 093 118 143 168t(hp一)(pu)(b)累積分布函數(shù)圖 6 不同軸截面產(chǎn)生的扭矩概率分布情況ii中，軸設(shè)計成能夠承受應(yīng)力增加 25。表 l示出在似化。用危 險指標

18、來估算汽輪發(fā)電機軸產(chǎn)生的超過其常規(guī)重合閘及自適應(yīng)短時補償重合閘時，汽輪發(fā)電機設(shè)計值扭矩的可能性。文中介紹的隨機方法是對實際軸截面在這兩種工況下的危險指標(尺)。對 于每一種系統(tǒng)可能遇到的汽輪發(fā)電機扭矩的真實評估。情況，這些危險指標的最大值都認為是整個汽輪發(fā)電附錄機的危險指標。由表 l可見 ，由于應(yīng)用短時補償重合輸電系統(tǒng)電氣參數(shù)閘，整個汽輪發(fā)電機危險指標在工況 i和 ii中分 別降變壓器(700mva，22500kv)低 l76和 278。汽輪發(fā)電機的機械參數(shù)7 結(jié)論本文介紹了在常規(guī)重合閘和自適應(yīng)短時重合閘期間，利用蒙特卡羅基本法估算汽輪發(fā)電機產(chǎn)生的最大扭矩。同時 ，還介紹了這些扭矩的預(yù)估值。研

19、究 結(jié)果表明，最大扭矩出現(xiàn)的概率較小而且多半與較小的扭矩有關(guān)，同時，惡劣工況下的最大扭矩值比該扭矩的預(yù)估值大得多。蒙特 羅模擬可克服利用不連續(xù)概率分布時的近(下轉(zhuǎn)第 lo頁)維普資訊 lo一種用于開發(fā)電動機驅(qū)動系統(tǒng)的集成虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)2002no3同一時間關(guān)閉。此外，由于功率開關(guān)器什有限的導(dǎo)通和關(guān)斷時間，設(shè)計者必須提供一個延時，以使一個臂上的兩個功率開關(guān)決不會在同一時間導(dǎo)通。為了達到這一目的，將一死區(qū)引入 pwm 信號。下面用作例子的模塊的目的是為了確保學(xué)生掌握 pwm 信號死區(qū)的原理。用作例子的模塊包括：解說層：電力器件導(dǎo)通和關(guān)斷時間的基本概念，個逆變器的

20、運行，不同的 pwm 策略 (如正弦一三角 )和諧波消除。瀏覽層：通過逆變器的運行進行試驗，并通過仿真和圖形觀察它的性能。圖 6為顯示在應(yīng)用程序瀏 覽器上的部分解說層和瀏覽層。使用 了不同的 dsp 程序例子來說明各種 pwm 策略的效果。在系統(tǒng) 的虛擬儀器上看到了電動機驅(qū)動的輸出。學(xué)生可以看到，與其他方案相比，“諧波消除技術(shù) ”的確使輸出中的諧波減少了。診斷層：這一層被設(shè)計為逐步理解所闡明的概念。提出了一些問題來測試學(xué)生的理解水平。視成績而定，允許受訓(xùn)者進入下一 (更深 的)級。圖 5為一個診斷層的例子，它說明了在產(chǎn)生 pwm 信號時需要一 個死區(qū)。每當遇到一個錯誤的答案，相應(yīng)的解釋層畫面就

21、會顯示出來，以保證下一個問題出來之前這個概念被很好地理解了。 對于圖 2中的 電動機驅(qū)動，學(xué)習(xí)模塊包含了從基本電路 j二作 包括 電路模型和開關(guān)的原理 到數(shù)字控制設(shè)計的內(nèi)容。數(shù)字控制設(shè)計包括 pwm 產(chǎn)生策略，dq 變換和基本控制環(huán)概念。 目前在所提出的虛擬系統(tǒng)中下列主要模塊是可以使用的：三相整流器原理和運行；pwm 逆變器的原理和運行：無刷直流電動機的原理和運行；基本數(shù)字閉環(huán) bldc 電動機控制理論；pwm 發(fā)生技術(shù)，包括正弦一三角 pwm ，磁滯電(上接第 5頁)x-o1purr=0o01pu輸電線路(500kv)：04purl=004pu汽輪發(fā)電機電氣參數(shù)發(fā)電機(700mva，22kv，60hz)，=012pu rd=00045pu=37s=154pu口=150pu=o04s流控制 pwm 和空間矢量 pwm。所有的學(xué)習(xí)模塊都是以 html 的格式，并且可以通過應(yīng)用軟件環(huán)境提供的集成 html 瀏覽器顯示。如果愿意，還可以通過遠程用戶應(yīng)用程序，如網(wǎng)頁瀏覽器或其他專用的用戶程序，進入這些模塊。e 圖形用戶界面 (gui)如上所述，集成虛擬學(xué)習(xí)系統(tǒng)為學(xué)生進行電力變換器電路試驗提供