专题综述抑制大型汽轮发电机组轴系扭振的控制技术综述（哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001）李士勇周畅王西田型汽轮发电机组轴系扭振的控制技术的研究成果，主要介绍了引起轴系扭振的串联电容补偿、直流输电系统及控制系统等因素，以及采用的附加励磁控制等相关控制技术。提出了用耗散结构论、混沌学及突变论等非线性理论分析轴系扭振的机理和规律的新方法，以及对轴系扭振进行智能控制的新思想，并展望了这一研究领域的发展方向。
智能控制1前言随着大功率机组的投产，国内外陆续发生多起轴系扭振造成机组严重损毁的重大事故。仅1969年至1988年间国内外扭振引起的轴系事故就达30多起尤其是1999年以来，我国发生了机组轴段多处断裂的恶性事故。
大型汽轮发电机组轴系扭振的一个显著特点就是机电耦合的扭振，因此网机扭振问题引起设计、制造、科研和运行各方面的高度重视。对网机扭振的预测和控制的研究不仅具有重大的理论意义，而且对于灾变防治和经济运行具有极大的工程应用价值。我国已将此类问题列为国家重点基础研究发展规划项目进行研究，本综述就是开展此项研究工作的需要而提出的。
2机电扰动下的轴系扭振引起轴系扭振的电气扰动包括电气短路故障、自动重合闸、非同期并网、甩负荷及串联电容补偿、高压直流输电的调节环节和电力系统稳定器等不适当配置等机械方面的扰动有调速系统晃动、快控汽门等。机电扰动下的轴系扭振分为三种形式，即次同步共振（SSR）、超同步共振和振荡扭矩冲击性扭振2.1次同步共振诱发SSR的主要因素有串联电容补偿，直流输电，加装不当的电力系统稳定器，发电机励磁系统，可控硅控制系统和电液调节系统的反馈作用等。国内外对其机理、分析方法、防止和抑制措施已进行了大量的研究，并取得一定的效果。下面就采用控制与调节手段抑制SSR加以介绍。
为提高输电能力在电力系统中串联电容补偿是产生SSR的主要原因，国内外所做的大量研究主要是通过对励磁系统的改进来抑制SSR的。1975年文献首次使用励磁系统抑制轴系扭振，提出的用发电机无功功率作为反馈信号的负阻尼稳定器（NDS）扩大了稳定区域。文献用有功功率和无功功率作为NDS的输入信号，得到了一个鲁棒稳定系统。但此类控制器通常只能抑制很少几种扭振模态。70年代提出的电力系统稳定器（PSS），最初是用来阻尼系统低频振荡的。文献分析了PSS对扭振的阻尼作用及多参数反馈的线性励磁控制的可行性，并提出用线性最优励磁控制（LOEC）抑制多个不稳定扭振模态，在大范围电容补偿下，能有效地稳定易发生SSR的系统。文献[ 6]提出用相邻质量块之间的扭角差作为反馈量，得到附加次最优励磁控制器，分析表明系统的特征值明显左移。但由于最优励磁控制设计较复杂，反馈量不易测量，至今未付诸实施。文献[ 7]提出了用模态控制理论设计PSS为发电机提供阻尼力矩，文献[ 8]提出在静态无功补偿器和励磁控制器中，用人工神经网络（ANN）适应控制器增益来阻尼SSR ，时域仿真都证明了它们的有效性。
理论上，汽轮机的汽门调节也能抑制SSR，用于励磁系统的各种控制理论技术亦可用于汽门调节，并可取得良好的抑制效果。
由于汽轮发电机组轴系与直热能动力工程流联合系统的相互作用，直流输电的投运也成为诱发SSR的一种原因。高压直流（HVDC）输电中定电流或定功率控制系统的带宽一般为10～30 Hz ，而汽轮发电机组低阶扭振固有频率通常又在这个频率范围内，因此高压直流换流器就可能经定功率、电流、电压和用于提高低频振荡稳定性的辅助功率控制回路激励扭振模式。改进换流器的控制或给电流控制器增加一个辅助次同步阻尼控制可消除此问题。文献[ 9]指出，由于HVDC是有源且快速可控，所以有可能利用HVDC的特性，采用适当的控制措施，使其成为抑制SSR的手段，并给HVDC设计了一个抑制SSR的附加控制器。
机组容量的扩大使转子一阶扭振频率在10 Hz以下，高速伺服系统及快速励磁系统足以对转速中的扭振成分做出反应，导致调速系统和励磁系统与扭振的相互作用而发生扭振。所以在设计控制系统时应充分考虑扭振的不利影响。文献[ 10]分析了汽轮机调速系统与轴系扭振的相互作用，指出调速系统中影响扭振稳定的因素，并提出防止此类扭振的措施。
柔性交流输电技术（FACTS）是用于控制交流输电的新技术，使用良好的控制策略的FACTS器件可以抑制轴系扭振。其中的静止无功补偿（SVC）、次同步共振阻尼器（SSR Damper）和可控串联补偿（TCSC）都已投入运行，并能对SSR提供阻尼作用。但TC SC存在高次谐波，能否激发SSR尚在研究之中。
2.2超同步共振电网三相负荷不平衡，各种不对称短路可引起超同步共振。
汽轮机叶片和大型发电机的风扇叶片对倍频共振极为敏感，汽轮机长叶片在这种共振状态下易断裂飞脱，以致在轴系中产生很大的不平衡力，甚至造成严重事故。
目前防止和抑制超同步共振的对策有限制负序电流和轴系调频，对其进行分析的适用模型和相关的控制策略的报道在国内外尚不多见。
2 .3振荡扭矩冲击性扭振瞬时性对称与不对称短路，自动重合闸，非同期并网，甩负荷，短时间快控汽门及线路开关切合操作等突发性扰动，将有可能产生短时间冲击性扭矩，形成短时间冲击性轴系扭振。其中以自动重合闸和非同期并网对轴系扭振的响应最为严重。目前抑制此种扭振的措施主要是限制其运行操作条件和优化判据。
2 .4轴系扭振的主动控制以上对轴系扭振的控制都属被动控制，实际上，汽轮发电机组控制系统正常运行的控制要求与抑制轴系扭振的控制要求并不一致。文献[ 11]提出了采用振动主动控制消除轴系扭振危害的技术措施。随后又在国产200 MW汽轮发电机组转子轴系扭振主动控制模拟试验台上进行了阻尼减振和主动控制减振等多项实验研究，结果表明主动控制可以有效地抑制轴系扭振。振动主动控制为有源控制，能量由外界能源补充，具有适应性强，调整与修改较方便等优点但闭环控制系统的环节较多，各环节都可能失效，必须在保证可靠方面采取措施。
3轴系扭振的分析方法目前广泛使用的轴系扭振分析方法有特征根法、扫频法、复转矩系数法和时域仿真法。文献[ 12]介绍了这几种分析方法，并比较了各自的优势与不足。轴系扭振的分析方法日益丰富，文献[ 13]将扭振的分析扩展到非线性区，并研究了扭转动态的Hopf分岔现象，文献[ 14]提出了用ANN分析扭振，这些研究都为控制系统的设计提供了有利条件。
4机械振动与轴系扭振长期以来对轴系扭振的研究都是以电力系统的扰动为主的，很少考虑汽轮机本身的振动问题。引起机械振动的因素中，属强迫振动的振源有轴承座刚度不足，转子质量不平衡，机组中心不正等属自激振荡的有油膜振荡，涡动运动。汽轮发电机转子的机械振动和扭转振动是同时存在的，在传统的系统分析中，通常将机械振动视为次要因素而被忽略。根据混沌动力学原理，简单的非线性规则反复作用，也可能产生复杂的动力学行为，所以对汽轮发电机组轴系扭振的分析研究就需要综合考虑各方面的相互作用。
5基于非线性科学的轴系扭振分析及控制5 .1汽轮发电机系统非线性动力学特性汽轮发电机组由机组轴系、汽轮机及调速系统、同步发电机、同步发电机励磁调节系统及电网五部分组成。各子系统的动态特性十分复杂，尤其是同步发电机，包含电磁和机电两方面的过渡特性调速系统和励磁系统简化后仍带有非线性环节，快速励磁系热能动力工程2000年统的时间常数相对较小，故阻尼小，机电耦合系统易振荡转子上的柔性部件在动态上和转子耦合在一起产生附加扭转振型，而机组轴系具有挠性、大质量、大惯性等特点电网中串联电容补偿形成了RLC回路，易发生次同步电气振荡。同时各子系统之间存在相互作用，当系统受到扰动时，在机电耦合状态下，可能发生一些不可预期的特性。这些都构成了汽轮发电机组轴系扭振的复杂非线性特性。
由于汽轮发电机组的复杂非线性及其运行条件的多变性，采用线性系统理论对其进行分析并抑制扭振是难以奏效的，这就促使我们必须寻求新的理论及控制方法来深刻分析并有效抑制轴系扭振。
5 .2轴系扭振的非线性科学分析及其智能控制根据热力学原理，将与外界同时进行物质和能量交换的系统称为开放系统。开放系统在远离平衡状态的条件下，与外界交换物质和能量的过程中可通过能量耗散和内部的非线性动力学机制，形成和维持宏观的时空有序结构，称之为耗散结构。普利高津提出的耗散结构论研究一个开放系统由混沌向有序转化的机理、条件和规律。它指出，一个远离平衡态的开放系统，当外界条件或系统的某个参数变化到一定的临界值时，通过涨落发生突变，就有可能从原来的混沌无序状态转变为一种时间、空间或功能有序的新状态。汽轮发电机系统在运行过程中，需不断地交换能量，其中部分能量会因密封不严或系统振荡而耗散。不确定干扰使系统偏离平衡态，在各种非线性因素相互作用下，可诱发控制系统出现正反馈，导致系统振荡，进而形成轴系扭振，使系统进一步远离平衡态，满足耗散结构形成的条件。
通常混沌指一个确定的非线性系统，在一定的条件下，其状态会呈现出类似随机的复杂现象，其基本特征之一就是系统的状态轨线对于初始条件的极端敏感性，混沌现象的发生是由系统自身非线性属性所决定的。轴系发生扭振是从平衡态到不平衡态的演化。当扭矩平衡受到破坏时，系统的非线性进一步增强，发生分岔现象，非线性因素相互作用进一步加剧，最终可出现混沌现象。
一个复杂系统总的发展趋势有三种基本形式：一是系统处于一种稳定结构二是系统发生振荡或崩溃三是系统从一种稳态结构向另一种稳态结构演化。几乎所有的稳定系统在一定条件下都可以转化为不稳和振荡，但可以通过改变控制系统的结构和参数来调整系统结构的稳定性。突变论就是以系统结构稳定性研究为基本出发点的，认为突变现象的本质是系统（或过程）从一种稳定结构（状态）到另一种稳定结构（状态）的跃迁。系统内部的随机涨落是推动系统转变的决定因素，涨落具有两重性，利用其积极的一面，可使涨落导致有序，即由混沌无序状态转化为时空或功能有序的新状态。对于汽轮发电机组轴系扭振而言，就是使其达到新的扭矩平衡。
智能控制系统本质上是复杂的非线性系统，智能控制器不仅可对复杂对象进行参数控制，而且可根据动态特性的需要而自适应地改变其控制结构。汽轮发电机组由多个子系统组成，彼此之间存在强烈的相互作用。协同学就是讨论由许多子系统组成的系统在形成有序结构时的协同作用和支配原理的，根据协同学，可以智能协调控制机组各子系统的相互作用，使控制效果达到最好。
智能控制系统的本质非线性为控制复杂非线性系统提供了有效的途径。近年来，人工神经元网络和模糊控制已被广泛地应用于电力系统，如暂态、动态稳定性分析，负荷预报及电力系统控制等，并取得了良好的效果。已经证明，三层前向神经网络能以任意精度逼近任意非线性函数，并具有并行处理能力，强鲁棒性，自组织自学习能力，及预测等能力。
模糊控制适于解决因过程本身的不确定性和不精确性带来的困难，控制形式简单易于实现。利用模糊控制和神经网络控制对轴系扭振进行控制，可在保持系统稳定前提下避免扭振的发生，并进一步改善和提高系统的控制性能。
6展望随着控制理论的发展和完善，许多新的控制理论与技术已应用于电力系统，并取得了良好的预期效果。其中一些先进的控制策略也可望用于抑制轴系扭振。
6 .1轴系扭振的微分几何控制随着非线性控制理论的发展，近代微分几何理论被引入非线性控制。在我国学者的不懈努力下，非线性控制理论成功地应用于电力系统中的非线性励磁控制，汽轮发电机组汽门开度非线性控制等，并已取得重要成果。
可以考虑应用微分几何控制理论来研究抑制轴系扭振问题。但须指出，微分几何控制理论在涉及系统可逆性质和在动态反馈下结构性质时呈现病态，且对参数摄动缺乏鲁棒性。
6 .2轴系扭振的智能控制鉴于机电耦合系统的复杂非线性，以及智能控制理论分析处理非线性系统的有效性，我们提出采用智能控制理论及方法，对大型汽轮发电机组轴系扭振进行预测和控制。根据耗散结构论分析扭振的机理和规律，在此基础上应用混沌力学理论研究扭振形成吸引子的性质，进而应用模糊逻辑、神经网络、遗传算法及粗糙集合等人工智能理论与技术研究一类智能控制规律抑制轴系扭振。当出现扭振先兆时进行科学准确地预测，并根据所获得的特征变量的信息进行实时智能控制，以避免一振即失稳的剧烈振荡，抑制导致失稳的发散性振荡，加快收敛性振荡的收敛速度。综上所述，我们认为应用基于非线性科学的智能控制理论对轴系扭振进行预测和控制，是一种较好的新途径。
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