汽轮发电机组附加励磁阻尼控制信号的防误方法及装置与流程

1.本发明属于电力系统的控制技术领域，尤其涉及汽轮发电机组的附加励磁阻尼控制。


背景技术：

2.大容量汽轮发电机组功率送出时，如果采用点对网的长距离输电模式，为了提高输送功率，电网有时采用电容串补，有时采用高压直流输电。理论及实践表明，这类输电模式易引发电网次同步振荡及汽轮发电机组轴系扭振。当电网出现次同步振荡，在机网交互的作用下，汽轮发电机组轴系各转子(汽机高压缸转子、中压缸转子、低压缸转子、发电机转子、励磁机转子)之间可能出现相互扭转摆动的扭振现象。
3.次同步振荡及扭振的危害很大，不仅影响电网的安全稳定，还可能造成汽轮发电机组轴系的疲劳损伤，降低机组使用寿命，严重时甚至导致大轴出现裂纹，造成巨大损失。比如20世纪70年代，因输电线路上的电容串补出现故障，美国mohave电厂连续发生两次严重的扭振事故，并造成轴系损坏；2000年之后，我国某电厂2台机组，同样因为长时间扭振，导致发电机组的低压缸转子与发电机转子之间的联轴器出现裂纹。这些事故造成重大损失。此外，近些年电力系统振荡事件也表明，大规模风电也会引起电网次同步或超同步振荡，导致附近火电厂汽轮发电机组的扭振。
4.汽轮发电机组次同步振荡及扭振的抑制方法有多种，其中一种方法是附加励磁阻尼控制(supplementary excitation damping control,sedc)。该方法是前端的阻尼控制装置测量发电机组大轴转速，经过多阶滤波的信号处理，得到对应各个模态频率扭振分量，再经过各自的相移及放大之后，叠加得到所需的控制信号，送至发电机励磁调节器中；励磁调节器进一步处理后，得到附加励磁阻尼的控制量，叠加到励磁调节器电压控制环的末端；经励磁调节器输出控制，让发电机转子绕组中产生适当的次同步频率的电流，从而发电机产生合适的次同步振荡扭矩，平息或者减弱发电机组的扭振。
5.由于汽轮发电机组扭振的风险很大，一台发电机组增设sedc时往往采用双套(a套和b套)阻尼控制装置，双套阻尼控制装置输出两组4～20ma的控制信号，经过切换回路之后送到发电机励磁调节器装置中；默认情况下，a套阻尼控制装置为主，b套阻尼控制装置为辅，a套阻尼控制装置输出的4～20ma控制信号送到了发电机励磁调节器装置中，b套的控制信号处于热备用状态。当a套阻尼控制装置出现异常或者故障时，切换外部的4～20ma回路，使b套阻尼控制装置的4～20ma控制信号送至发电机励磁调节器装置中。
6.当发电机组没有扭振时，阻尼控制装置检测到的各个模态频率的扭振信号约为0，其输出的控制信号为12ma的恒定直流信号；当出现扭振时，阻尼控制装置可以检测出扭振信号，输出相对应的在4～20ma范围内变化的控制信号，这个控制信号包含了对应着各模态频率的振荡分量，各模态频率是次同步的，即一般在10％～90％的工频频率范围内。对于国内的50hz电力系统，次同步频率范围一般是5hz～45hz。
7.显然，如果阻尼控制装置送出的4～20ma控制信号必须正常有效，才能取得扭振抑
制的效果。但是实际应用过程中可能存在异常的控制信号，比如：
8.(1)阻尼控制装置硬件或软件异常，导致4～20ma信号出现不合理的电流信号偏置；
9.(2)外部的4～20ma控制信号输出回路断线，导致4～20ma控制信号掉到0ma；
10.(3)极端情况下，b套阻尼控制装置未工作或者已经异常，a套阻尼控制装置发令切换外部的4～20ma控制信号回路，切到b套阻尼控制装置的4～20ma回路，控制信号异常；
11.(4)外部的4～20ma控制信号输出回路受到异常频率信号串扰，导致4～20ma控制信号中叠加了超出次同步频率范围的频率信号。
12.上述情况如果处理不好，发电机励磁有可能出现误强励、误减励、在转子绕组中产生起反作用的次同步电流即恶化扭振。为此，需要在发电机励磁调节器装置中对接收的4～20ma控制信号进行防误处理。


技术实现要素：

13.本发明的目的是：提出一种汽轮发电机组附加励磁阻尼控制信号的防误方法及装置，防止附加励磁阻尼控制过程中4～20ma控制信号有误而可能导致的发电机误强励、误减励、产生起反作用的次同步电流。
14.本发明采取的技术方案是：汽轮发电机组附加励磁阻尼控制信号的防误方法，包括如下步骤：
15.步骤(1)：励磁调节器装置接收阻尼控制装置送出的4～20ma控制信号i1，判别控制信号i1是否异常；是则设置控制信号i2为12ma；否则设置控制信号i2等于i1；
16.步骤(2)：控制信号i2减去偏置量12ma，得到下一级控制信号i3；
17.步骤(3)：控制信号i3经过滤波得到下一级控制信号i4，i4乘以增益系数转换成电压控制量u
sedc
；
18.步骤(4)：将电压控制量u
sedc
叠加至励磁电压控制闭环的输出信号中，完成附加励磁阻尼控制的功能。
19.进一步地优选方案中，所述步骤(1)中的异常指：出现越限异常或者异常频率信号串扰。
20.进一步地优选方案中，所述越限异常的判别方法具体为：如果i1小于设定的下限值i
min.set
或者大于设定的上限值i
max.set
，则认为控制信号i1出现了越限形式的异常；下限值设为i
min.set
＝4-δi
th1
，上限值设为i
max.set
＝20 δi
th2
，δi
th1
和δi
th2
为边界阈值，δi
th1
和δi
th2
在0.3ma～1.0ma范围内取值。
21.进一步地优选方案中，异常频率信号串扰的判别方法为：控制信号i1滤除次同步频率分量之后的有效值越限，判定为异常频率信号串扰；具体按下述步骤(1.1)～(1.3)进行判别：
22.步骤(1.1)：采用式1，对控制信号i1进行滤波，得到i5：
23.i5＝h
bsf
(s)
·
(i
1-12)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式1
24.其中，h
bsf
(s)是一个s域的二阶滤波器。优选的，中心频率为15hz，带宽为40hz，阻尼系数为1.333，增益为1；
25.步骤(1.2)：采用式2，计算i5的有效值i
5.rms
：
[0026][0027]
其中，t是当前时刻，t
w
是时间窗。优选的，t
w
在25ms～100ms范围内取值；步骤(1.3)：如果i5的有效值i
5.rms
大于设定的门槛i
th.set
，则认为控制信号i1出现了异常频率信号串扰形式的异常。优选的，门槛i
th.set
在0.8ma～1.6ma范围内取值。
[0028]
进一步地优选方案中，如果判别控制信号i1出现异常，则当该异常持续的时间超过设定的时间定值t
warning
后，励磁调节器装置发出报警信号；时间定值t
warning
可设定在0.5s～4.0s范围内取值。
[0029]
进一步地优选方案中，前述的步骤(3)中采用的滤波是高通滤波或者带通滤波。
[0030]
进一步地优选方案中，当采用高通滤波时，高通滤波是一个二阶滤波器，截止频率为2.5hz，阻尼系数为0.707，带宽为3.535hz，增益为1；当采用带通滤波时，带通滤波器是一个二阶滤波器，中心频率为15hz，带宽为40hz，阻尼系数为1.333，增益为1。
[0031]
进一步地优选方案中，前述的步骤(3)中，采用式3，将i4转换成电压控制量u
sedc
：
[0032]
u
sedc
＝k
sedc
·
i4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3
[0033]
其中，k
sedc
为增益系数，其物理单位是p.u./ma，p.u.表示标幺值；增益系数k
sedc
按在50％～100％u
ceilling
/8ma范围内取值，其中u
ceilling
是励磁系统顶值电压的标幺值。
[0034]
最后按前述的步骤(4)将电压控制量u
sedc
叠加至励磁电压控制闭环的输出信号中，完成附加励磁阻尼控制的功能。
[0035]
本发明同时提出了一种汽轮发电机组励磁调节器装置，其特征在于，包括依次连接的以下单元：
[0036]
接收判别单元：用于接收阻尼控制装置送出的4～20ma控制信号i1，判别控制信号i1是否异常；是则设置控制信号i2为12ma；否则设置控制信号i2等于i1；
[0037]
去偏置单元：用于将控制信号i2减去偏置量12ma，得到下一级控制信号i3；
[0038]
滤波单元：用于将控制信号i3经过高通滤波或者带通滤波得到下一级控制信号i4；
[0039]
电压控制量生成单元：用于将控制信号i4乘以增益系数转换成电压控制量u
sedc
；叠加单元：用于将电压控制量u
sedc
叠加至励磁电压控制闭环的输出信号中，完成附加励磁阻尼控制的功能。
[0040]
进一步地优选方案中，所述接收判别单元的异常指：出现越限异常或者异常频率信号串扰。
[0041]
进一步地优选方案中，所述接收判别单元中越限异常的判别方法具体为：如果i1小于设定的下限值i
min.set
或者大于设定的上限值i
max.set
，则认为控制信号i1出现了越限形式的异常。
[0042]
进一步地优选方案中，所述接收判别单元中异常频率信号串扰的判别方法为：控制信号i1滤除次同步频率分量之后的有效值越限，判定为异常频率信号串扰。
[0043]
本发明的有益效果是：通过越限判别及滤波，可以消除因阻尼控制装置硬件或软件异常导致4～20ma信号出现不合理的电流信号偏置问题的影响，可以消除4～20ma控制信号输出回路断线的影响，可以削除双套阻尼装置异常切换的影响；通过异常频率信号串扰的判别，可以消除超出次同步频率范围的频率信号的影响。本发明方法简便，易于实施，可以一定程度的减少4～20ma控制信号异常引起的发电机误强励、误减励以及在转子绕组中
出现起反作用的次同步电流即恶化扭振。
附图说明
[0044]
图1是汽轮发电机组附加励磁阻尼控制信号的防误方法流程示意图；
[0045]
图2是附加励磁阻尼控制应用示意图，图中turbine是汽轮机，gen是发电机，unitt是主变压器，hv bus是主变压器高压侧母线，grid是电网系统；发电机采用自并励励磁系统，et是励磁变压器，avr是励磁调节器；dc是阻尼控制装置，它测量汽轮机转子转速ω，送出4～20ma控制信号i1；
[0046]
图3是本发明的4～20ma控制信号i1异常判别及处理的示意图，图中a是逻辑判断运算的“或门”，b是延时继电器，c是受控的两输入一输出的选择器；
[0047]
图4是本发明的4～20ma控制信号i1经过处理后叠加至励磁控制闭环中的示意图；
[0048]
图5是本发明的一种汽轮发电机组励磁调节器装置实施例。
具体实施方式
[0049]
为清楚说明本发明的方法，以下结合附图和具体实施例进一步说明。
[0050]
本发明公开了一种汽轮发电机组附加励磁阻尼控制信号的防误方法实施例一。汽轮发电机组安装的采阻尼控制装置测量汽轮机转子转ω，送出4～20ma控制信号给发电机励磁调节器装置，励磁调节器装置对控制信号进行异常判别及处理，最终得到所需要的电压控制量，叠加至励磁电压控制闭环的输出信号中，完成附加励磁阻尼控制的功能。具体步骤如图1所示：
[0051]
步骤(1)：励磁调节器装置接收阻尼控制装置送出的4～20ma控制信号i1，判别控制信号i1是否异常；是则设置控制信号i2为12ma；否则设置控制信号i2等于i1。所述异常指：出现越限异常或者异常频率信号串扰。
[0052]
其中：越限异常的判别方法具体为：如果i1小于设定的下限值i
min.set
或者大于设定的上限值i
max.set
，则认为控制信号i1出现了越限形式的异常。下限值设为i
min.set
＝4-δi
th1
，上限值设为i
max.set
＝20 δi
th2
，δi
th1
和δi
th2
为边界阈值，所述δi
th1
和δi
th2
的取值范围为0.3ma～1.0ma。
[0053]
其中，异常频率信号串扰的判别方法为：控制信号i1滤除次同步频率分量之后的有效值越限，判定为异常频率信号串扰。
[0054]
步骤(2)：控制信号i2减去偏置量12ma，得到下一级控制信号i3。
[0055]
步骤(3)：控制信号i3经过滤波得到下一级控制信号i4，i4乘以增益系数转换成电压控制量u
sedc
。其中，滤波为高通滤波或者带通滤波。
[0056]
步骤(4)：将电压控制量u
sedc
叠加至励磁电压控制闭环的输出信号中，完成附加励磁阻尼控制的功能。其中，增益系数k
sedc
按在50％～100％u
ceilling
/8ma范围内取值，u
ceilling
是励磁系统顶值电压的标幺值。
[0057]
以一台660mw汽轮发电机组上应用的附加励磁阻尼控制(sedc)为例，阐明本发明的具体实施方式。
[0058]
该发电机额定电压22kv，额定有功功率660mw，额定转速3000rpm；发电机空载额定励磁电压152.6v，负载额定励磁电压426.5v；发电机经主变压器升压至500kv输送功率至电
网；发电机。如图2所示，阻尼控制装置dc测量汽轮机turbine转子转速ω，送出4～20ma控制信号i1给发电机励磁调节器avr，励磁调节器avr内部对控制信号i1进行异常判别及处理，最终得到所需要的电压控制量u
sedc
，叠加至励磁电压控制闭环的输出信号中，完成附加励磁阻尼控制的功能。
[0059]
本发明实施例二的具体实施步骤是：
[0060]
步骤(1)：励磁调节器装置接收阻尼控制装置送出的4～20ma控制信号i1，判别控制信号i1是否异常；如果异常，则设置控制信号i2为12ma，并发出报警信号；如果正常，则设置控制信号i2等于i1；
[0061]
步骤(2)：如图4所示，控制信号i2减去偏置量12ma，得到下一级控制信号i3；
[0062]
步骤(3)：如图4所示，控制信号i3经过滤波得到下一级控制信号i4，i4乘以增益系数转换成电压控制量u
sedc
；
[0063]
步骤(4)：如图4所示，将电压控制量u
sedc
叠加至励磁电压控制闭环的输出信号中，完成附加励磁阻尼控制的功能。
[0064]
更具体的，如图3所示，在上述的步骤(1)中，分两种情况判别控制信号i1是否异常。
[0065]
一种是越限形式的异常判别，其方法是：如果i1小于设定的下限值i
min.set
或者大于设定的上限值i
max.set
，则认为控制信号i1出现了越限形式的异常；下限值设为i
min.set
＝4-δi
th1
，上限值设为i
max.set
＝20 δi
th2
，δi
th1
和δi
th2
为边界阈值，δi
th1
和δi
th2
在0.3ma～1.0ma范围内取值。在本具体实施例当中，δi
th1
和δi
th2
均设定为0.5ma。
[0066]
另一种是异常频率信号串扰形式的异常判别，其方法是按下述步骤(1.1)～(1.3)进行判别：
[0067]
步骤(1.1)：采用式1，对控制信号i1进行滤波，得到i5：
[0068]
i5＝h
bsf
(s)
·
(i
1-12)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式1
[0069]
其中，h
bsf
(s)是一个s域的二阶滤波器，中心频率为15hz，带宽为40hz，阻尼系数为1.333，增益为1；在本具体实施例中，h
bsf
(s)的详细表达式为：
[0070][0071]
步骤(1.2)：采用式2，计算i5的有效值i
5.rms
：
[0072][0073]
其中，t是当前时刻，t
w
是时间窗，t
w
在25ms～100ms范围内取值；在本实施例中t
w
为50ms；
[0074]
步骤(1.3)：如果i5的有效值i
5.rms
大于设定的门槛i
th.set
，则认为控制信号i1出现了异常频率信号串扰形式的异常；门槛i
th.set
在0.8ma～1.6ma范围内取值；在本实施例中门槛i
th.set
取1.2ma。
[0075]
更具体的，参见图3，上述的两种形式(越限和异常频率信号串扰)的异常判别结果经过逻辑“或门”输出判别结果，再经过延时继电器输出异常报警信号，即如果判别控制信号i1出现异常，则当该异常持续的时间超过设定的时间定值t
warning
后，励磁调节器装置发出
报警信号；时间定值t
warning
可设定在0.5s～4.0s范围内取值。对本实施例，t
warning
设为1.0s。
[0076]
进一步的，参见图4，前述的步骤(3)中，控制信号i3经过滤波h
f
(s)得到下一级控制信号i4，此处的滤波h
f
(s)是高通滤波或者带通滤波；当采用高通滤波时，高通滤波是一个二阶滤波器，截止频率为2.5hz，阻尼系数为0.707，带宽为3.535hz，增益为1；当采用带通滤波时，带通滤波器是一个二阶滤波器，中心频率为15hz，带宽为40hz，阻尼系数为1.333，增益为1。在本具体实施例中，h
f
(s)的详细表达式为：
[0077]
高通滤波：
[0078]
带通滤波：
[0079]
进一步的，参见图4，前述的步骤(3)中，采用式3，将i4转换成电压控制量u
sedc
：
[0080]
u
sedc
＝k
sedc
·
i4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式3
[0081]
其中，k
sedc
为增益系数，其物理单位是p.u./ma，p.u.表示标幺值；增益系数k
sedc
按在50％～100％u
ceilling
/8ma范围内取值，其中u
ceilling
是励磁系统顶值电压的标幺值。对于本实施例，发电机额定励磁电压的标幺值为：426.5v/152.6v＝2.795p.u.，励磁系统顶值电压的标幺值为：u
ceilling
＝2
×
2.795p.u./0.8＝6.9875p.u.，所以增益系数可以在(50％～100％)
×
6.9875p.u./8ma的范围内取值，该范围大约是：0.437～0.873p.u./ma；对于本实施例，最终取k
sedc
＝0.625p.u./ma。
[0082]
最后，参见图4，按前述的步骤(4)将电压控制量u
sedc
叠加至励磁电压控制闭环的输出信号中，叠加后的信号u
k
为励磁控制电压信号，u
k
需要限幅，u
k
限制在u
k.min
～u
k.max
范围内，对于本实施例，u
k.min
＝-5.253p.u.，u
k.max
＝7.894p.u.。
[0083]
本发明的一种汽轮发电机组励磁调节器装置实施例，如图5所示，包括依次连接的以下单元：
[0084]
接收判别单元：用于接收阻尼控制装置送出的4～20ma控制信号i1，判别控制信号i1是否异常；是则设置控制信号i2为12ma；否则设置控制信号i2等于i1。所述异常指：出现越限异常或者异常频率信号串扰。
[0085]
去偏置单元：用于将控制信号i2减去偏置量12ma，得到下一级控制信号i3。
[0086]
滤波单元：用于将控制信号i3经过高通滤波或者带通滤波得到下一级控制信号i4。
[0087]
电压控制量生成单元：用于将控制信号i4乘以增益系数转换成电压控制量u
sedc
。
[0088]
叠加单元：用于将电压控制量u
sedc
叠加至励磁电压控制闭环的输出信号中，叠加后的信号u
k
为励磁控制电压信号，完成附加励磁阻尼控制的功能。
[0089]
其中，接收判别单元中越限异常的判别方法具体为：如果i1小于设定的下限值i
min.set
或者大于设定的上限值i
max.set
，则认为控制信号i1出现了越限形式的异常。
[0090]
其中，接收判别单元中异常频率信号串扰的判别方法为：控制信号i1滤除次同步频率分量之后的有效值越限，判定为异常频率信号串扰。
[0091]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围。凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何等同替换或改动，并不超出本发明保护范围。