一种发电机轴系暂态扭矩辨识方法及系统与流程

本发明涉及电力系统发电设备的安全监测与保护，特别涉及一种发电机轴系暂态扭矩辨识方法及系统。

背景技术：

1、随着国内新能源领域的进一步推进与发展，高比例新能源接入电网以及电力电子器件相互作用引发的系统次同步振荡日益增多，大型发电机组面临更频繁的机械应力冲击，轴系扭振问题日益突出，进而导致发电机轴系损伤甚至扭断，严重威胁机组安全。

2、ieee次同步谐振工作组将次同步谐振划分为三种形态，分别为感应发电机效应、扭振互作用与暂态扭矩放大。其中，暂态扭矩放大可在极短时间内对机组轴系造成严重破坏。暂态扭矩放大通常与电力系统发生的大扰动相关联，如各类区外短路故障、断路器频繁操作、串补多次投退等；此类扰动可在短时间于机组轴系上激发较大的冲击性扭矩，造成轴系不同程度的疲劳损耗。极端工况下，暂态扭矩放大在首个扭振周期内即可对机组轴系构成严重破坏，甚至引发大轴直接断裂。国内外专家学者对轴系扭振保护原理开展了研究，现有技术方案存在以下不足：

3、1）现有扭振保护采用多层级联的模态滤波器进行模态转速提取，输入信号须逐级通过各级滤波环节输出，各级的启动时间与群延时沿链路累加，致使整体响应滞后，响应延时最高可达0.5 s以上。暂态扭矩放大工况可在极短时间内对机组轴系形成巨大冲击，上述响应时延使传统扭振保护无法及时反映暂态扭矩。在保护动作之前，冲击性扭矩即已在轴系上造成严重的疲劳寿命损耗，在极端工况下甚至引发大轴直接断裂；

4、2）用于保护判据的指标，如次同步电流、轴系转速与机组轴系扭振风险的关系难以确定，只是简单的认为次同步电流或转速与轴系扭矩之间存在近似的线性关系，难以准确反映轴系各阶模态的真实动力学特性，保护的动作定值不能够准确表征机组轴系面临的扭振风险，保护可能误动或拒动；

5、3）发电机出口附近发生区内短路故障时，机端电流会发生畸变，据此计算的次同步分量电流、功率均会失真，现有技术方案缺乏对电气量可信度的有效评估与处理机制。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术中接线方式切换过程中励磁涌流难以抑制的问题，提供一种发电机轴系暂态扭矩辨识方法及系统，突破了传统相控合闸方法无法适用于d-y调容结构变压器的局限，显著提升了涌流抑制的适应性与可靠性。

2、为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

3、第一方面，本发明提供一种发电机轴系暂态扭矩辨识方法，包括：

4、基于多质量块集中参数模型建立发电机轴系模型，并对所述发电机轴系模型进行对角化解耦，得到模态转子运动方程；

5、对所述模态转子运动方程进行拉普拉斯变换，得到连续域传递函数，并对所述连续域传递函数进行双线性变换，得到离散域传递函数及其对应的差分方程；

6、根据离散域传递函数及其对应的差分方程，为各阶模态分别构造对应的iir滤波器，并将所有iir滤波器组成并行滤波器网络；

7、根据发电机机端实时三相电流和三相电压计算电磁功率，通过机械角速度将电磁功率转化为电磁扭矩，将所述电磁扭矩输入并行滤波器网络，各iir滤波器并行处理，分别输出各阶模态对应的模态扭角；

8、根据各阶模态对应的模态扭角重构发电机轴系各断面的暂态扭矩。

9、可选的，所述发电机轴系模型的转子运动方程的表达式如下：

10、，

11、其中，表示转动惯量矩阵，表示阻尼矩阵，表示刚度矩阵，表示时刻的电磁扭矩，表示发电机各轴段扭转角位移向量，表示发电机各轴段扭转角速度，表示发电机各轴段角加速度。

12、可选的，所述对所述发电机轴系模型进行对角化解耦，得到模态转子运动方程，包括：

13、对发电机轴系模型求解广义特征值，并根据求得的广义特征值对应的特征向量构建解耦矩阵；

14、根据所述解耦矩阵，对发电机轴系模型的转子运动方程进行对角化解耦，得到模态转子运动方程；

15、所述解耦矩阵的表达式如下：

16、，

17、，

18、其中，表示解耦矩阵，表示总模态阶数，，表示第阶模态广义特征值，表示第阶模态特征向量，表示第阶模态特征向量，表示刚度矩阵，表示转动惯量矩阵；

19、所述模态转子运动方程的表达式如下：

20、，

21、其中，表示第阶模态转动惯量，表示第阶模态阻尼，表示第阶模态刚度，表示第阶模态时刻的电磁扭矩，表示第阶模态发电机各轴段扭转角位移向量，表示第阶模态发电机各轴段扭转角速度，表示第阶模态发电机各轴段角加速度。

22、可选的，所述连续域传递函数的表达式如下：

23、，

24、其中，表示第阶模态连续域传递函数，表示第阶模态转动惯量，表示第阶模态阻尼，表示第阶模态刚度，表示拉普拉斯算子。

25、可选的，所述离散域传递函数的表达式为：

26、，

27、其中，表示离散域的复频率变量，表示第阶模态离散域传递函数，、表示极点系数，、、表示零点系数；

28、极点系数、通过如下公式得到：

29、，

30、其中，表示第阶模态转动惯量，表示第阶模态刚度，表示离散化公共分母因子，，表示采样周期，表示第阶模态阻尼；

31、采样周期通过如下公式得到：

32、，

33、，

34、其中，表示等效角频率，表示轴系模态角频率；

35、零点系数、、通过如下公式得到：

36、；

37、所述差分方程的表达式如下：

38、，

39、其中，表示采样点序号，表示第个采样点输出的模态扭角，表示第个采样点输出的模态扭角，表示第个采样点的输出的模态扭角，表示第个采样点输入的电磁扭矩，表示第个采样点输入的电磁扭矩，表示第个采样点输入的电磁扭矩。

40、可选的，所述并行滤波器网络的表达式为：

41、，

42、其中，表示并行滤波器网络，表示第阶模态对应的iir滤波器，表示转置；

43、所述并行滤波器网络在离散域的整体传递关系为：

44、，

45、其中，表示并行滤波器网络在离散域输出的模态扭角向量，，表示离散域并行滤波器网络，表示第阶模态对应的iir滤波器在离散域输出的模态扭角，表示并行滤波器网络在离散域输入的电磁扭矩。

46、可选的，所述电磁功率通过如下公式计算：

47、，

48、其中，表示电磁功率，表示相电压，表示相电压，表示相电压，表示相电流，表示相电流，表示相电流；

49、和/或，

50、所述通过机械角速度将电磁功率转化为电磁扭矩，包括：

51、对所述电磁功率进行低通滤波，得到低通电磁功率；

52、将电磁功率减去低通电磁功率，得到波动电磁功率；

53、令波动电磁功率除以额定角频率得到电磁扭矩。

54、可选的，所述根据各阶模态对应的模态扭角重构轴系各断面的暂态扭矩，包括：

55、将各阶模态下相邻轴段的模态扭角作差，得到各阶模态下相邻轴段之间的扭角差；

56、将所述各阶模态下相邻轴段之间的扭角差乘以对应轴段的扭转刚度系数，得到各阶模态下相邻轴段之间断面的暂态扭矩。

57、可选的，还包括电气量可信度判断：

58、当发电机保护区内发生短路故障时，判定电气量不可信，退出发电机轴系暂态扭矩辨识，通过机械量测速通道进行扭矩辨识；当短路故障切除后，重新启动电机轴系暂态扭矩辨识；

59、若满足条件1，判定发生短路故障；其中，条件1为同时满足判据1和判据2，判据1为当前采样点三相电流与前一工频周期对应采样点三相电流的任一相电流差值大于电流突变量整定值，判据2为满足判据3或判据4或判据，判据3为当前采样点三相电流的负序分量超过负序电流越限整定值，判据4为当前采样点三相电流的零序分量超过零序电流越限整定值，判据5为当前采样点任一相电压低于低电压整定值；

60、若满足条件2，判定保护区内发生故障；其中，条件2为，为保护区内故障判断标识，，表示保护区内测量阻抗定值，为发电机机端计算阻抗，为计算阻抗角；

61、同时满足条件1和2，判定发电机保护区内发生短路故障。

62、第二方面，本发明提供一种发电机轴系暂态扭矩辨识系统，包括：

63、发电机轴系模型建立与对角化解耦模块，用于基于多质量块集中参数模型建立发电机轴系模型，并对所述发电机轴系模型进行对角化解耦，得到模态转子运动方程；

64、连续域与离散域转换模块，用于对所述模态转子运动方程进行拉普拉斯变换，得到连续域传递函数，并对所述连续域传递函数进行双线性变换，得到离散域传递函数及其对应的差分方程；

65、并行滤波器网络构造模块，用于根据离散域传递函数及其对应的差分方程，为各阶模态分别构造对应的iir滤波器，并将所有iir滤波器组成并行滤波器网络；

66、模态扭角求解模块，用于根据发电机机端实时三相电流和三相电压计算电磁功率，通过机械角速度将电磁功率转化为电磁扭矩，将所述电磁扭矩输入并行滤波器网络，各iir滤波器并行处理，分别输出各阶模态对应的模态扭角；

67、暂态扭矩重构模块，用于根据各阶模态对应的模态扭角重构发电机轴系各断面的暂态扭矩。

68、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

69、1、通过滤波器单级并联网络重构轴系暂态扭矩，无需前置滤波预处理，从信号获取到扭矩输出的路径短，能够准确识别暂态扭矩；与已有方法对比，结构上由多层级联再并行变为单层并行，各阶模态滤波器对同一输入并行处理，各自直接输出，消除了级联各级延时的逐级累加，显著降低整体响应延时；各模态对应的iir滤波器系数由发电机轴系物理参数直接确定，单层结构不受滤波器群延时影响，在扰动瞬间及时、准确地捕捉暂态扭矩的峰值，对轴系冲击损伤进行评估；

70、2、并行滤波器网络的输出结果具有明确物理意义，能够准确表征轴系扭振风险；每个iir滤波器均对应轴系的单阶扭振模态，由该阶模态的本征参数确定其系数；滤波器的数量由轴系物理模态阶数唯一确定，网络的每条支路都对应真实的模态转子运动微分方程的求解过程；

71、3、准确识别电网区内短路故障，在短路故障期间将输入切换至机械测速信号，避免短路故障电流对暂态扭矩辨识造成影响。