再談勵磁功率柜動態(tài)均流問題

余 飛 鐘榮祥 李錦紅 薛林鋒

（中國電器科學(xué)研究院有限公司 廣州 510300）

引言

相關(guān)的國家標準和行業(yè)標準對勵磁裝置功率柜的均流系數(shù)提出了明確要求，功率整流器均流系數(shù)不應(yīng)低于85%。影響勵磁功率柜均流的幾個因素，包括元件通態(tài)特性、元件開通特性、溫度、母排連接方式、交流電壓等[1]。提高均流系數(shù)的方法可歸結(jié)為兩類，即自然均流和智能均流。自然均流立足于主回路等硬件結(jié)構(gòu)，智能均流立足于控制回路。

長電纜均流等依賴主回路硬件結(jié)構(gòu)的自然均流方法很難達到理想的效果，同時成本也是昂貴的。近年來智能均流已經(jīng)成熟應(yīng)用，為了這一新技術(shù)能更加廣泛的推廣應(yīng)用，解除行業(yè)中對智能均流的一些誤解和凝慮，本文對智能均流的原理和應(yīng)用等問題再次進行分析概括和總結(jié)，回答智能均流是否有效，智能均流是否影響強勵功能等問題。

1 智能均流與動態(tài)均流的應(yīng)用

1.1 LTW6200勵磁系統(tǒng)應(yīng)用的智能均流技術(shù)

我們在勵磁功率柜中應(yīng)用過兩種智能均流方法，為了區(qū)別把使用脈沖控制方法的稱為智能均流，使用脈沖調(diào)節(jié)方法的稱為動態(tài)均流[2]。前者用于LTW6200型勵磁系統(tǒng)中，后者用于EXC9x00系列的勵磁系統(tǒng)中。這兩種方法名稱也可以反過來叫，即都是智能均流也都是動態(tài)均流，為了敘述的方便暫且區(qū)別對待。

LTW6200勵磁系統(tǒng)應(yīng)用的智能均流技術(shù)，是由調(diào)節(jié)器智能控制脈沖均流。該均流措施理論上可使均流系數(shù)達100%。

采用這種智能化均流方法的勵磁系統(tǒng)，其原理是通過微控制器來檢測當前投入運行的采用并聯(lián)方式的整流橋個數(shù)n，根據(jù)投入運行的整流橋個數(shù)對晶閘管觸發(fā)脈沖進行控制，簡單講就是控制每個支路的導(dǎo)通時間為1/n個周期，每個支路的導(dǎo)通時長與陽極電壓周期相等。顯然這種方法可以使每個整流橋在n個陽極電壓周期內(nèi)流過電流的平均值相等，從而達到均流的目的。

這種方法由調(diào)節(jié)器智能控制脈沖，是邏輯的開環(huán)控制方法，可全范圍實現(xiàn)均流，與運行工況無關(guān)。智能化均流方法在LTW6200勵磁系統(tǒng)得到成功應(yīng)用，在均流效果上是最好的，這種方法對單橋滿足所有運行工況的系統(tǒng)是不影響強勵功能的，對不同的系統(tǒng)設(shè)計要進行強勵功能校核。隨著LTW6200勵磁系統(tǒng)被新一代的EXC9x00勵磁系統(tǒng)取代，這種智能均流方法也隨之被動態(tài)均流方法所取代。

1.2 EXC9x00勵磁系統(tǒng)應(yīng)用的動態(tài)均流技術(shù)

EXC9000系統(tǒng)[3]應(yīng)用的智能均流技術(shù)，是自反饋脈沖控制均流，是閉環(huán)控制方法，均流效果與運行工況有關(guān)，這種方法我們稱之為動態(tài)均流技術(shù)或動態(tài)均流以區(qū)別于前一種均流方法。

動態(tài)均流方法把晶閘管的通態(tài)平均電流做為控制對象，在硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過適當?shù)能浖惴?，實現(xiàn)并聯(lián)整流橋的同橋臂元件的通態(tài)平均電流盡量一致。

這種方法由功率柜自行控制，可不用調(diào)節(jié)器干預(yù)。

1.3 EXC9000和LTW6200勵磁功率柜的不同

EXC9000勵磁功率柜是在LTW6200功率柜的基礎(chǔ)上升級開發(fā)的產(chǎn)品，主要在智能化方面做了較大的提升。體現(xiàn)在每個功率柜都增加了獨立的基于微處理器的控制單元，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的算法。脈沖放大、高頻處理也在功率柜內(nèi)實現(xiàn)。這為脈沖在調(diào)節(jié)器產(chǎn)生后，再在各個功率柜內(nèi)單獨進行處理創(chuàng)造了客觀條件。

同時，EXC9000勵磁系統(tǒng)面向大中型發(fā)電機組，功率柜數(shù)量可以達到4甚至5個，單橋運行明顯無法滿足機組運行工況。這時，LTW6200勵磁系統(tǒng)采用脈沖控制實現(xiàn)均流的方式已無法滿足要求。

1.4 動態(tài)均流技術(shù)的特點

1）動態(tài)均流技術(shù)通過對各元件流過的電流進行測量，因此各元件的均流情況能得到真實的反映，大大提高了設(shè)備安全運行和維護的便利性。

2）動態(tài)均流技術(shù)基于軟硬件控制回路，通過軟硬件配合實現(xiàn)功率柜之間及不同相之間的均流。它能在較寬的電流范圍內(nèi)有效地實現(xiàn)高水平均流，一致性很好。在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，支路中存在的分布電感就成為決定橋臂電流均流的主要因素。

3）當晶閘管元件參數(shù)在使用一段時間后發(fā)生的改變，交直流側(cè)主回路阻抗平衡度發(fā)生變化等場合，動態(tài)均流技術(shù)有很強的適應(yīng)性，可以不需要采取其它輔助措施，如元件參數(shù)匹配、加長電纜等，可以實現(xiàn)均流系數(shù)高于95%。

4）使用動態(tài)均流技術(shù)，由于在電流給定環(huán)節(jié)能夠自動分辨功率柜的投退情況，在有功率柜退出后，剩余運行中的功率柜之間可繼續(xù)實現(xiàn)動態(tài)均流。

5）這種方法既適用于感性負載，也適用于阻性負載。

6）采用動態(tài)均流技術(shù)可節(jié)省投資。由于不需長電纜均流，可節(jié)省50%以上的交流進線電纜。對硅元件參數(shù)一致性的要求下降，也會節(jié)約采購成本。

2 動態(tài)均流技術(shù)的原理與試驗

2.1 動態(tài)均流技術(shù)的原理

動態(tài)均流方法把晶閘管的通態(tài)平均電流做為控制對象，在硬件電路設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過適當?shù)能浖惴?，實現(xiàn)并聯(lián)整流橋的同橋臂元件的通態(tài)平均電流盡量一致。

舉例說明，當某個橋臂的電流偏大，其自動控制原理說明如下：當有一個橋臂的電流變大，那這個電流值與自己橋臂的電流給定之間的偏差也增大，這時電流調(diào)節(jié)器輸出的與觸發(fā)角相關(guān)信號量也增加，就會使新的觸發(fā)脈沖角度增大，觸發(fā)脈沖滯后產(chǎn)生，導(dǎo)致這個橋臂平均電流減小。動態(tài)均流原理示意圖見圖1。

圖1 動態(tài)均流原理示意圖

自動控制過程時刻對電流變大的橋臂作使電流減小的方向控制，盡量使它的輸出電流大小等于總輸出電流的平均值。自動調(diào)節(jié)器是一個PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)精度高，因此動態(tài)均流技術(shù)可以使均流系數(shù)大幅提高（實際證實可以超過95%），同時具有很強的適應(yīng)性，在一個寬的電流范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)相當高的均流系數(shù)，并且可以克服元件和主回路電氣參數(shù)的影響。

勵磁系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)功能不會受動態(tài)均流技術(shù)影響，勵磁調(diào)節(jié)器脈沖觸發(fā)的起始時間不受影響，更不會影響勵磁系統(tǒng)脈沖觸發(fā)的正確性，它僅僅是通過對電流變大的支路做減小電流的控制來達到幾個并聯(lián)支路同一橋臂電流大小的重新分配。

2.2 動態(tài)均流試驗

對某電站勵磁系統(tǒng)在出廠試驗階段進行動態(tài)均流測試，該發(fā)電機的勵磁電流額定值為1 300 A，硅元件型號5STP 18H4200（1 801 A/4 200 V）。試驗條件：純電阻負載、交直流側(cè)采用銅排排并聯(lián)，由于負載容量限制，電流最大只能做到2 100 A。表1是分別投切動態(tài)均流情況下輸出電流變化時的數(shù)據(jù)。

表1 分別投切動態(tài)均流情況下輸出電流變化時的數(shù)據(jù)

通過示波器觀察，能夠看出橋臂電流變化情況。在圖2～4的示波圖中：1（1）表示1號功率柜1號晶閘管，2（1）表示2號功率柜1號晶閘管，1（4）表示1號功率柜4號晶閘管，2（4）表示2號功率柜4號晶閘管。

在圖2～4的示波圖上看出，電流差異產(chǎn)生的主要原因是元件通態(tài)特性的差異。通過均流控制器的調(diào)節(jié)，使流過電流較大的晶閘管滯后觸發(fā)，就能夠改變晶閘管導(dǎo)通開始部分電流的分配，見圖2～4中標記為A的位置。

圖2 輸出電流500 A時的橋臂電流波形

圖3 輸出電流1 300 A時的橋臂電流波形

圖4 輸出電流2 100 A時橋臂電流波形

通過本試驗可以看出，動態(tài)均流投入，在一定的電流范圍內(nèi)（500～2 100 A，對應(yīng)標幺值為0.38～1.6），都能實現(xiàn)較高的均流系數(shù)。

當遇到輸出電流比較小的工況，由于晶閘管元件門檻電壓參數(shù)不同的影響和硬件電路調(diào)制范圍的限制，均流系數(shù)存在低于理想值的情況。不過均流技術(shù)著重關(guān)注大電流的工況，并且試驗是在極低的交流側(cè)電壓下進行的，現(xiàn)場試驗效果應(yīng)該會更好。

從圖2～4的示波圖可見，均流調(diào)節(jié)的是元件的通態(tài)平均電流，其目標是每個元件的通態(tài)平均電流一致，因此可以得出動態(tài)均流不影響強勵功能的結(jié)論。

3 橋臂電流檢測與給定控制

3.1 橋臂電流檢測

動態(tài)均流立足于控制回路，它是基于橋臂設(shè)定電流與橋臂實際電流的偏差進行PID調(diào)節(jié)的。電流給定控制與整流橋各橋臂電流檢測是實現(xiàn)動態(tài)均流的關(guān)鍵，能否準確測量出各橋臂電流是動態(tài)均流技術(shù)實現(xiàn)的前提。以前的勵磁系統(tǒng)功率柜，通過在直流輸出銅排的正極安裝分流器的方式測量輸出電流的大小，在有幾個功率柜并聯(lián)運行時，這種方式其實不能真實反映每個整流橋輸出電流的大小，更加不能反映每個橋臂電流的大小。

圖5所示的一種測量方法。圖5(a)是在一個功率柜直流側(cè)輸出的正負極各裝一個直流霍爾變送器，每一個功率柜需要兩個變送器，安裝雖然簡單，但要想能夠測量出各個橋臂電流則需要其它技術(shù)如同步信號的配合，并且測量的精度會受霍爾變送器的安裝位置影響。圖5(c)是在每個晶閘管串聯(lián)一個霍爾變送器，簡單直觀，但需要六個變送器，安裝復(fù)雜，維護困難。圖5(b)相對于圖5(a)和圖5(c)是較優(yōu)的選擇，但它想要區(qū)分出正負橋臂電流還需要硬件電路的配合，在EXC9x00勵磁系統(tǒng)中使用的就是這個方法，它是借助于智能化功率柜系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

圖5 三種橋臂電流檢測方法

3.2 電流給定如何產(chǎn)生

動態(tài)均流技術(shù)可以通過兩種方法產(chǎn)生電流給定，如圖6所示，一是勵磁調(diào)節(jié)器把當前的輸出電流大小轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的毫安信號給出圖6（a）；二是幾個并聯(lián)運行的功率柜產(chǎn)生圖6（b）。

圖6 電流給定的產(chǎn)生

由多個功率柜并聯(lián)產(chǎn)生電流給定的優(yōu)點是動態(tài)均流技術(shù)的實現(xiàn)獨立于勵磁調(diào)節(jié)器，在EXC9x00勵磁系統(tǒng)中應(yīng)用的是這個方法，它采用的是電流均分線原理，與調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)器的運行通道無關(guān)。因此，動態(tài)均流也是完全獨立于勵磁調(diào)節(jié)器的。

4 結(jié)束語

1）動態(tài)均流技術(shù)通過對各元件流過的電流進行測量，因此各元件的均流情況能得到真實的反映，大大提高了設(shè)備安全運行和維護的便利性。

2）動態(tài)均流技術(shù)基于軟硬件控制回路，通過軟硬件配合實現(xiàn)功率柜之間及不同相之間的均流。它能在較寬的電流范圍內(nèi)有效地實現(xiàn)高水平均流，一致性很好。

3）當晶閘管元件參數(shù)在使用一段時間后發(fā)生的改變，交直流側(cè)主回路阻抗平衡度發(fā)生變化等場合，動態(tài)均流技術(shù)有很強的適應(yīng)性，可以不需要采取其它輔助措施，如元件參數(shù)匹配、加長電纜等，可以實現(xiàn)均流系數(shù)高于95%。

4）采用動態(tài)均流技術(shù)，由于在電流給定環(huán)節(jié)能夠分辨功率柜的投退，因此當有功率柜退出后，剩余的功率柜之間仍可實現(xiàn)動態(tài)均流。

5）這種方法既適用于感性負載，也適用于阻性負載。

6）采用動態(tài)均流技術(shù)可節(jié)省投資。由于不需長電纜均流，可節(jié)省50%以上的交流進線電纜。對硅元件參數(shù)一致性的要求下降，也會節(jié)約采購成本。

7）原理分析和試驗結(jié)果都表明，動態(tài)均流不影響強勵功能。

8）動態(tài)均流是完全獨立于勵磁調(diào)節(jié)器的，與調(diào)節(jié)器及調(diào)節(jié)器的運行通道無關(guān)。