基于IGBT的開(kāi)關(guān)式勵磁調節器的應用

1. 背景

  當前很多國有大中型企業(yè)都是連續生產(chǎn)型企業(yè)，企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中需要大量熱能，為了保證生產(chǎn)的連續性和供熱調節需要，各企業(yè)均建有自備熱電廠(chǎng)，這些自備熱電廠(chǎng)多配置的是中、小火電機組。
  這些中、小火電機組大部分配置的均為直流勵磁機，勵磁調節大部分都采用老式的勵磁調節器，如KFD-3勵磁調節器。隨著(zhù)企業(yè)的發(fā)展和電網(wǎng)對企業(yè)電能質(zhì)量的要求，老式的勵磁調節器已經(jīng)不能滿(mǎn)足調壓和調節無(wú)功的需要，對其進(jìn)行技術(shù)改造已經(jīng)勢在必行。
 
 2. 開(kāi)關(guān)式勵磁調節器

  開(kāi)關(guān)式勵磁調節器是利用晶閘管或IGBT為核心功率器件，輔助以外圍調節和控制回路而組成的勵磁調節器。發(fā)展至今已經(jīng)出現了微機型的開(kāi)關(guān)式勵磁調節器。
  TDWLT-01KS勵磁調節器是基于IGBT的開(kāi)關(guān)式勵磁調節器，廣泛應用于各種中、小火電機組中。
 
  3. 系統現狀

  某25MW火電機組采用的是直流勵磁機的勵磁方式，配置的是KFD-3勵磁調節器。該調節器主要由相復勵裝置和電壓校正器兩部分組成。相復勵裝置主要由相復勵變壓器、電抗器、補償電容器、升壓自耦變壓器及輸出整流器等構成；電壓校正器由測量、放大、調整三部分構成。
  雖然該調節器在很長(cháng)一段時(shí)間內起到了很好的調節作用，但是由于傳統相復勵式調節器采用磁放大器，利用鐵心的磁飽和特性進(jìn)行電壓測量、誤差放大和電流控制，因此調節精度低。其測量變壓器的飽和度不僅取決于電壓的高低，還對頻率敏感，在某些事故造成局部電網(wǎng)頻率升高或降低的情況下，更會(huì )加大電壓調節誤差；由于沒(méi)有采取有效的穩定措施，調節器運行穩定性較差，經(jīng)常發(fā)生無(wú)功電壓擺動(dòng)、并列機組問(wèn)搶無(wú)功等，嚴重時(shí)影響發(fā)電機組正常運行；階躍響應超調量大，擺動(dòng)時(shí)間長(cháng)，調節時(shí)間常數大，調節電阻過(guò)熱、易老化，造成接觸不良，缺乏必要的限制和保護功能。該調節器已經(jīng)被淘汰。
 
  4. 系統改造

  4.1 方案論證

  對勵磁設備改造時(shí)， 如果整體拆除直流勵磁機更換自并激勵磁系統，一次性投資太大，而且自并激改造時(shí)需要增加大容量勵磁變壓器及可控硅整流裝置，施工難度較大。因此，保留直流勵磁機，采用開(kāi)關(guān)式微機勵磁調節器替代直流勵磁機原勵磁裝置是勵磁設備自動(dòng)化改造時(shí)優(yōu)先考慮的方案。把IGBT作為勵磁主回路元件串接在勵磁機勵磁繞組中， 利用斬波技術(shù)控制IGBT的占空比，來(lái)調節勵磁機勵磁電流，從而控制發(fā)電機勵磁電壓和無(wú)功來(lái)達到勵磁自動(dòng)調節的目的。此改造方案原理簡(jiǎn)單，不需另外增加設備，直接通過(guò)直流勵磁機的電樞取勵磁源，殘壓起勵，勵磁繞組通過(guò)開(kāi)關(guān)管控制和直流勵磁機組成自激系統，主回路元件少，結構簡(jiǎn)單可靠，可以根據勵磁機原有勵磁方式靈活地進(jìn)行配置。
  4.2 改造方案

  改造部分為一面屏柜，內部配置完全獨立、互為備用的兩套微機式勵磁調節器（選用TDWLT-01系列）以及兩組IGBT回路，兩個(gè)IGBT功率回路并聯(lián)工作。保留原直流勵磁機、原勵磁設備的滅磁部分（即滅磁開(kāi)關(guān)和滅磁電阻）和磁場(chǎng)變阻器。兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管與磁場(chǎng)變阻器并聯(lián)后與直流勵磁機轉子繞組串聯(lián)，由雙套微機勵磁調節器中的主調節器發(fā)調節脈沖共同調節兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管，進(jìn)而改變發(fā)電機勵磁電流，調節發(fā)電機無(wú)功，共同完成發(fā)電機勵磁調節。裝置按大裕度選用IGBT開(kāi)關(guān)管，并設置可靠的保護和吸收電路。
  調節器通過(guò)接于機端的電壓互感器、電流互感器以及轉子分流器，測量發(fā)電機的定子電壓、機組頻率、有功功率、無(wú)功功率以及轉子電流等發(fā)電機當前運行工況，和給定值比較后經(jīng)PID調節計算產(chǎn)生輸出PWM值，PWM范圍為-100%～100%，PWM在0～100%范圍時(shí)，控制IGBT占空比在0～100%調節。
  4.3 調節原理

  以電壓閉環(huán)調節為例，說(shuō)明調節過(guò)程。
  勵磁調節器根據占空比PWM 形成觸發(fā)脈沖，此脈沖通過(guò)驅動(dòng)板進(jìn)行電壓和頻率放大后驅動(dòng)IGBT，控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間，從而控制勵磁機勵磁電流Ilf。IGBT在開(kāi)關(guān)勵磁系統中的工作原理如圖1所示。

 

 
  5. 存在的問(wèn)題及解決方案

  5.1 均流問(wèn)題
  電力電子器件并聯(lián)使用，如果器件之間長(cháng)期不均流，就會(huì )導致某個(gè)器件長(cháng)期滿(mǎn)負荷甚至超負荷運行，而另一個(gè)器件低負荷運行，長(cháng)期下去就會(huì )造成單一器件的損壞。

  國內外很多文獻對器件均流問(wèn)題提出了解決方法，比如“下垂法”、“主從均流法”、“自動(dòng)均流法”、“民主均流法”等，效果不一，各有優(yōu)缺點(diǎn)。

  為了解決改造工程中的器件均流問(wèn)題，從工程角度出發(fā)，采用了以下方法：

  (1)選用大裕度的功率器件并保證所選器件參數的一致性，這樣就保證了器件不會(huì )超負荷運行。

  (2)為了使調節器針對兩個(gè)功率器件發(fā)出相同的調節脈沖，以保證兩個(gè)器件得到的指令一致，強行將兩個(gè)器件的占空比調成一致。

  (3)將兩個(gè)器件安裝在同一塊散熱板上，盡量保證兩個(gè)器件的安裝條件一致。從運行效果和實(shí)際測量結果上看，這些措施可以保證兩個(gè)功率器件運行電流分配的一致性，較好地解決了器件的均流問(wèn)題。

  5.2 勵磁系統的開(kāi)機問(wèn)題

  改造保留了磁場(chǎng)變阻器，其與開(kāi)關(guān)式勵磁調節裝置相互作用，如果單獨采用開(kāi)關(guān)式勵磁調節裝置開(kāi)機，在開(kāi)機的瞬間會(huì )出現較大的電壓波動(dòng)，導致系統不穩定。

  改造中，通過(guò)不斷試驗，最終采用先用磁場(chǎng)變阻器調節開(kāi)機并網(wǎng)，再投入開(kāi)關(guān)式勵磁調節裝置的方式，不會(huì )造成電壓波動(dòng)的問(wèn)題，調節過(guò)程相當平滑。

  5.3 勵磁系統中的強勵問(wèn)題

  由于原有的強勵繼電器依然保留，而開(kāi)關(guān)式勵磁調節裝置本身也具備強勵功能，這樣就出現了兩部分強勵功能怎樣配合、強勵倍數如何整定的問(wèn)題。

  分析回路，發(fā)現開(kāi)關(guān)式勵磁調節裝置強勵動(dòng)作后，相當于將并聯(lián)回路進(jìn)行了短接，原來(lái)保留的強勵不起作用；如果開(kāi)關(guān)式勵磁調節裝置強勵不動(dòng)作，原來(lái)預留的強勵也可以動(dòng)作。因此，在實(shí)際中將兩部分強勵全部投入，并聯(lián)運行。

  5.4誤強勵問(wèn)題

  新的勵磁系統要求采用三組TV作為系統電壓低還是TV斷線(xiàn)的判據，而實(shí)際改造中只有兩組TV，如果兩組TV同時(shí)斷線(xiàn)，由于沒(méi)有系統TV作為輔助判據，就會(huì )造成誤強勵。

  在改造工程中，通過(guò)和制造廠(chǎng)家協(xié)商，修改了強勵的動(dòng)作判據，加入發(fā)電機斷路器的輔助接點(diǎn)作為輔助判據。如果兩組TV同時(shí)斷線(xiàn)，只要發(fā)電機出口斷路器未跳閘，就判斷為T(mén)V斷線(xiàn)。手動(dòng)將電壓閉環(huán)轉為電流閉環(huán)，處理完TV斷線(xiàn)后，再將電流閉環(huán)轉為電壓閉環(huán)。