智能組合線性電阻滅磁裝置的研究

李志軍，李 淼，劉漢征，秦曉雪

(河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130)

0 引言

近年來，同步發(fā)電機滅磁方式從傳統(tǒng)的耗能型逐漸向移能型轉(zhuǎn)變，為了提高滅磁的快速性，使用的滅磁電阻也從線性電阻過渡到非線性電阻以及線性與非線性電阻相結(jié)合的多種組合方式［1］。非線性電阻以其獨特非線性特征提高了滅磁速度，但其相對較高的造價和使用過程中存在易于爆裂和燃弧的危險性長期以來沒能夠得到有效解決。隨著在建發(fā)電機組的單機容量逐漸提高，發(fā)電機額定勵磁電壓和勵磁電流越來越大，這就對發(fā)電機滅磁過程提出了更高的要求。因此，通過對現(xiàn)有的滅磁方案作對比研究，結(jié)合當(dāng)代計算機技術(shù)和電力電子技術(shù)，提出一種兼顧滅磁過程的經(jīng)濟性、高效性和快速性的高可靠性智能發(fā)電機滅磁方案是必要而可行的［2－5］。

本文提出一種利用線性電阻組合的同步發(fā)電機滅磁電路的方案，該方案利用智能控制裝置獲得的發(fā)電機組運行工況和滅磁過程中勵磁電流，找到最佳介入時機，通過控制回路驅(qū)動可控電力電子器件門極可關(guān)斷晶閘管GTO 使得二級線性電阻適時介入。文中建立了滅磁過程的數(shù)學(xué)模型，并以三峽700 MW 水輪發(fā)電機組為對象，利用MATLAB 的SIMULINK 工具，分別對單一線性電阻、非線性SiC 電阻、非線性ZnO 電阻等傳統(tǒng)滅磁方式以及新型線性組合智能滅磁的過程進行了仿真和比對。

1 滅磁原理和轉(zhuǎn)子滅磁過程數(shù)學(xué)模型

1.1 傳統(tǒng)發(fā)電機滅磁原理及數(shù)學(xué)模型

傳統(tǒng)發(fā)電機滅磁原理如圖1所示，圖中R 為線性電阻，也可為非線性電阻，為便于描述，下面以線性電阻為例說明。

圖1 傳統(tǒng)發(fā)電機線性電阻滅磁原理Fig.1 The de-excitation principle of traditional generator with linear resistor

滅磁時，滅磁開關(guān)主觸頭FMK 斷開，滅磁開關(guān)輔助觸頭FMK－1 閉合，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組和線性電阻R 構(gòu)成滅磁回路。滅磁過程中，轉(zhuǎn)子電壓方程為

式中:if為勵磁電流;R 為線性電阻;rf為磁場繞組;Lf為磁場電感。

考慮到磁場電感Lf是由磁場漏感Lfs和主電感Lad組成，而漏磁通的主要形成路徑是在空氣中，所以磁場漏感Lfs基本是常數(shù)，而主電感Lad受主磁路飽和的影響，可視為勵磁電流的函數(shù)。所以將上式改寫為

常規(guī)發(fā)電機空載特性與其替代特性相差很小，工程使用是完全允許的［6］。為了易于計算發(fā)電機空載特性的飽和效應(yīng)，對其空載特性可采用下述標(biāo)么值的分析表達(dá)式表示

式中:E0為激磁電動勢;與主磁通成正比;if為勵磁電流，與激磁磁動勢成正比。Ib代表上述兩個函數(shù)曲線的交點，對于上述常規(guī)發(fā)電機空載特性，可選用L=1.1，M=1.95，N=0.95，將它們代入上式中，得Ib= 0.823 。發(fā)電機主磁鏈對應(yīng)的直軸電感Lad為

1.2 智能滅磁裝置原理及數(shù)學(xué)模型

本文所提出的智能滅磁裝置原理如圖2所示。

圖2 智能滅磁裝置原理圖Fig.2 The schematic diagram of intelligent de-excitation device

智能滅磁裝置原理為:滅磁開關(guān)主觸頭FMK斷開，滅磁開關(guān)輔助觸頭FMK－1 閉合，滅磁過程開始，由滅磁電阻和發(fā)電機轉(zhuǎn)子WF 形成滅磁回路進行滅磁。智能滅磁電阻由R1 和R2 兩級線性電阻構(gòu)成，其中二級電阻R2 由智能控制裝置控制切除和介入。滅磁回路方程由式(5)、(6)所示。

式中:if0為初始滅磁電流;ifx為R1、R2 串聯(lián)滅磁時根據(jù)同步電機勵磁系統(tǒng)大、中型同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)技術(shù)要求算出的最大允許滅磁電流值，并根據(jù)滅磁電流最大值來確定滅磁電阻R1 和R2 的阻值配置［7－8］。

當(dāng)滅磁初始電流if0＜ifx時，滅磁電流較小，為了實現(xiàn)快速滅磁，兩級線性電阻R1、R2 同時接入滅磁回路中，不需要分級。當(dāng)滅磁初始電流if0≥ifx時，在滿足勵磁電流if＞Ib條件時，由智能控制裝置產(chǎn)生一個GTO 導(dǎo)通信號，將二級滅磁電阻R2短路，此時僅有一級滅磁電阻R1 接入滅磁回路中，隨著電流的逐漸衰減，當(dāng)滿足if≤Ib時，勵磁電流dif達(dá)到斜率變化最大處條件時，產(chǎn)生一個GTO 關(guān)斷信號，瞬時接入二級滅磁電阻R2，此時一級滅磁電阻R1 和二級滅磁電阻R2 串聯(lián)共同承擔(dān)滅磁任務(wù)。由式(6)可推導(dǎo)出

滅磁過程開始時刻先將一級線性電阻R1 接入到滅磁回路中，通過計算勵磁電流的衰減特性，得到曲線的斜率變化方程，當(dāng)勵磁電流衰減到斜率變化最大處的時刻，立即由控制芯片產(chǎn)生GTO驅(qū)動控制信號，將二級線性電阻R2 接入到滅磁回路中，以實現(xiàn)安全快速滅磁。

2 智能滅磁的軟硬件設(shè)計實現(xiàn)

硬件系統(tǒng)采用dsPIC30F 系列的一款芯片dsPIC6014A，該芯片不僅擁有豐富的外設(shè)資源，而且具有高速的數(shù)字信號處理模塊。智能滅磁裝置的硬件設(shè)計圖如圖3所示，其中虛線框內(nèi)為智 能 控 制 裝 置 部 分。 控 制 芯 片dsPIC30F6014A 通過綜合分析采集回來的滅磁開關(guān)狀態(tài)、機組運行狀態(tài)以及勵磁電流，確定二級電阻R2 的介入時刻，并在介入時刻輸出控制信號控制門極可關(guān)斷晶閘管GTO 關(guān)斷或?qū)▽崿F(xiàn)二級電阻的介入［9－10］。

軟件設(shè)計采用dsPIC 的MPLAB.C30 編譯器作為軟件開發(fā)平臺，它完全兼容ANSIC 編譯器，支持dsPIC 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)庫，并能提供出色的硬件支持。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖3 智能滅磁裝置硬件設(shè)計Fig.3 The hardware design of intelligent de-excitation device

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 The software flow chart of the system

3 仿真試驗

為了驗證智能組合線性滅磁方案的可行性以及優(yōu)越性，對傳統(tǒng)滅磁方式(線性電阻滅磁、ZnO非線性電阻滅磁、SiC 非線性電阻滅磁)和智能滅磁方式在相同工況下分別進行了仿真試驗。

3.1 仿真參數(shù)

現(xiàn)以三峽左岸水電廠700 MW 水輪發(fā)電機組參數(shù)為依據(jù)進行仿真實驗。主要數(shù)據(jù)如表1所示。阻滅磁、SiC 非線性電阻滅磁和智能組合線性滅磁分別進行了仿真試驗［12－13］。由于篇幅所限，僅給出智能組合線性滅磁仿真SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

表1 三峽左岸水電廠700 MW 水輪發(fā)電機組參數(shù)Tab.1 The generator parameters of the Three Gorges’700 MW hydroelectric generating set

表中:PN為額定功率;UN為額定電壓;n 為額定轉(zhuǎn)速;cosφ 為額定功率因數(shù);IN為額定勵磁電流;rf為轉(zhuǎn)子電阻;Lf為轉(zhuǎn)子磁場自感;U0為空載勵磁電壓;U′N為額定勵磁電壓;Ta定子繞組時間常數(shù);Lfs磁場繞組漏感;I0為空載勵磁電流;Td0為d軸開路暫態(tài)時間常數(shù);Xd為d 軸同步電抗;X′d為d 軸瞬變電抗;X″d為d 軸超瞬變電抗;T′d為d 軸短路暫態(tài)時間常數(shù)。核定一級線性電阻R1 為0.480 5 Ω，二級線性電阻R2 為1.258 Ω，假定if0= 4 704 A，計算得出ifx= 1 935.696 A。對于ZnO 非線性電阻而言，Ux= kiα，α 取0.046，當(dāng)額定勵磁電流為4 158A 時的滅磁反壓取2 kV 時，k=136 3。同樣，對SiC 而言，當(dāng)α 取0.36 時，k =99.6［11］。

3.2 MATLAB 仿真模型的建立和實驗結(jié)果分析

根據(jù)以上設(shè)計和已經(jīng)推導(dǎo)出的滅磁回路方程數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB 的SIMULINK 仿真工具搭建仿真結(jié)構(gòu)圖，對線性電阻滅磁、ZnO 非線性電

圖5 智能組合線性滅磁仿真SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The SIMULINK structure diagram of intelligent de-excitation device with linear resistor combination

圖6 四組滅磁仿真結(jié)果Fig.6 Four groups of simulation results

滅磁仿真結(jié)果如圖6所示。圖中初始勵磁電流if0=4 704 A，滅磁過程均從第2 s 開始，當(dāng)采用純線性電阻滅磁電路滅磁時，如圖6(a)所示，勵磁電流在第12 s 時僅下降至677A，滅磁過程仍未結(jié)束。圖6(b)為ZnO 非線性電阻滅磁，第7.8 s滅磁基本結(jié)束。圖6(c)為SiC 非線性電阻滅磁，第11.4 s 滅磁基本結(jié)束。圖6(d)為線性電阻組合滅磁，第7.6 s 滅磁基本結(jié)束。

由以上仿真結(jié)果可知，利用線性電阻的恰當(dāng)組合，完全可以達(dá)到甚至優(yōu)于非線性電阻快速滅磁的效果。在傳統(tǒng)設(shè)計中，大中型機組一般優(yōu)先考慮滅磁的快速性，選用非線性電阻滅磁。在小型機組上，基于經(jīng)濟性考慮，一般犧牲快速性而選擇線性電阻滅磁。

根據(jù)工程經(jīng)驗，非線性電阻，尤其是ZnO 電阻的電特性易受使用條件影響產(chǎn)生變化而且易爆，安全性和可靠性較差。盡管SiC 電阻相對安全，但因為價格昂貴影響其廣泛使用。由此可見，傳統(tǒng)滅磁方式在安全性、經(jīng)濟性、可靠性上難以得到兼顧，而線性電阻智能組合滅磁可以很好地解決以上矛盾。傳統(tǒng)滅磁方式和智能組合線性電阻滅磁方式的各自特點和優(yōu)劣比對如表2所示［14－16］。

表2 4 種滅磁方法對比Tab.2 Comparison of four kinds of de-excitation method

4 結(jié)論

針對傳統(tǒng)滅磁方式的不足，本文提出了一種同步發(fā)電機線性電阻組合智能滅磁方案。該方案利用計算機智能技術(shù)，能夠根據(jù)機組實際工況和滅磁過程中勵磁電流的大小，適時驅(qū)動可關(guān)斷晶閘管GTO 使得二級線性電阻介入，進而達(dá)到快速滅磁的目的。通過對傳統(tǒng)滅磁過程和智能滅磁過程中的勵磁電壓、勵磁電流的變化曲線和滅磁時間仿真結(jié)果比對，驗證了該方案性能的優(yōu)越性，使得滅磁的快速性、經(jīng)濟性和可靠性得到了兼顧，為大型同步發(fā)電機滅磁提供了一套高性價比、經(jīng)濟、可靠的技術(shù)方案。

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