风火打捆下汽轮发电机组轴系振动机理及机电耦合故障诊断方法研究

The combined transmission of wind and thermal power, i.e. the wind-thermal-bundled power, can meet the long-distance transmission of traditional and renewable energy via transmission system, and also solves the problem of wind power. However, the wind-thermal-bundled power brings electromagnetic oscillations which can excitated the torsional vibration of shafts and electromechanical interaction. The transient characteristics of power network are studied because of transmission, power control, series compensation and network fault under the wind-thermal-bundled power. This project aims to improve and establish the model of a unified model of machine, electricity and network, and studies the mechanism torsional vibration and electromechanical interaction. The experiments of the torsional and bending vibration are carried out based on torsional simulation machine and wind simulating machine. The vibration, torque and current are analyzed based on electromagnetic oscillation, and the method of fault diagnosis is provided based on electromechanical coupling characteristics. Theoretical model combined with experiment method is adopted to study multidisciplinary intercrossing, including of mechanics, fault diagnosis technique, electrodynamics and power network system stability. New theoretical basis and engineering application are supplied for the safe and reliable operation of turbo-generator.

风电与火电组合输送即风火打捆输电外送，在满足传统能源与可再生能源远距离输送的同时，也大大缓解了风电消纳问题。但风火打捆电网工况下的电磁振荡，易导致汽轮发电机组轴系的扭转振动和机电互作用振荡，影响汽轮发电机组的安全运行。本项目研究风火打捆下系统功率控制、串补线路和电网故障等引起的电网暂态变化特征；建立风火打捆下汽轮发电机组轴系扭振机电网统一模型；开展电网冲击下汽轮发电机组轴系扭振和机电互作用的机理研究，并分析关键影响因素。设计风火打捆下汽轮发电机组轴系扭振和弯振模拟试验，分析电磁振荡下机组轴系的振动和扭矩、系统的转矩和电流等参数的诊断特征，提出基于振动、扭矩、转矩和电流等机电耦合特征的故障诊断方法。项目采用理论建模与试验研究相结合的方式，涉及机械系统、故障诊断技术、电力系统和电网稳定等多学科交叉问题，对新的能源结构和并网方式下汽轮发电机组安全运行具有重要的理论价值与实际意义。

风火打捆已成为中国能源架构的一大特色，风火打捆经输电外送，既可以满足大规模传统能源与可再生能源远距离输送的基本要求，也可以提高输电系统的利用率，但以风电为代表的新能源接入到以火电为主的传统电力系统影响汽轮发电机组的运行状态和安全稳定。面向国家科技战略需求，针对电力系统发展带来的新挑战，本课题以风火打捆系统为研究对象，研究风火打捆条件下汽轮发电机组轴系振动机理及机电耦合故障诊断方法。主要研究内容和成果如下：以5MW的双馈式风力发电机组和892.3MW的汽轮发电机组为参数，建立了风火打捆下汽轮发电机组轴系扭振机电网统一模型，主要包括双馈式风力发电机组模型、汽轮发电机组模型和高压直流输电模型；通过模拟风火打捆系统的电网故障和输出方式，研究了风火打捆比例、风电机组换流器控制参数以及不同母线故障对汽轮发电机组轴系扭振的影响，揭示了风火打捆下汽轮发电机组轴系机电耦合响应特性和机电扭振互作用规律。建立了转子-轴承系统多故障的非线性动力学模型，分析了参数变化对转子系统非线性行为和动力学特性的影响，获得了转子裂纹、碰摩、油膜失稳之间的相互作用和转子系统多故障之间的作用规律；针对多故障转子系统展开了不同形式的模拟实验，研究了各故障形式下的系统响应，实现了转子系统多故障耦合作用的非线性动力学实验验证。开展了电网冲击下汽轮发电机组扭振和弯振模拟实验研究，研究了电磁振荡下机组轴系的弯振和扭振、系统的电压和电流等参数的特性，提出基于弯振、扭振、电压和电流等机电耦合特征的故障诊断方法。提出基于变分模态分解和希尔伯特变换的轴系扭振时频分析方法，研究了风火打捆系统下汽轮发电机组轴系扭振包含的各阶模态分量随时间的变化关系，分析了风电机组控制参数影响下和不同母线故障下汽轮发电机组轴系的扭振时频特征，实现了风火打捆条件下汽轮发电机组轴系振动的故障诊断。研究结果对新的能源结构和并网方式下汽轮发电机组安全运行、风火打捆系统汽轮发电机组次同步振荡的抑制和风电机组控制系统设计具有重要意义。