智能组合线性电阻灭磁装置的研究

李志军，李 淼，刘汉征，秦晓雪

(河北工业大学控制科学与工程学院，天津300130)

0 引言

近年来，同步发电机灭磁方式从传统的耗能型逐渐向移能型转变，为了提高灭磁的快速性，使用的灭磁电阻也从线性电阻过渡到非线性电阻以及线性与非线性电阻相结合的多种组合方式［1］。非线性电阻以其独特非线性特征提高了灭磁速度，但其相对较高的造价和使用过程中存在易于爆裂和燃弧的危险性长期以来没能够得到有效解决。随着在建发电机组的单机容量逐渐提高，发电机额定励磁电压和励磁电流越来越大，这就对发电机灭磁过程提出了更高的要求。因此，通过对现有的灭磁方案作对比研究，结合当代计算机技术和电力电子技术，提出一种兼顾灭磁过程的经济性、高效性和快速性的高可靠性智能发电机灭磁方案是必要而可行的［2－5］。

本文提出一种利用线性电阻组合的同步发电机灭磁电路的方案，该方案利用智能控制装置获得的发电机组运行工况和灭磁过程中励磁电流，找到最佳介入时机，通过控制回路驱动可控电力电子器件门极可关断晶闸管GTO 使得二级线性电阻适时介入。文中建立了灭磁过程的数学模型，并以三峡700 MW 水轮发电机组为对象，利用MATLAB 的SIMULINK 工具，分别对单一线性电阻、非线性SiC 电阻、非线性ZnO 电阻等传统灭磁方式以及新型线性组合智能灭磁的过程进行了仿真和比对。

1 灭磁原理和转子灭磁过程数学模型

1.1 传统发电机灭磁原理及数学模型

传统发电机灭磁原理如图1所示，图中R 为线性电阻，也可为非线性电阻，为便于描述，下面以线性电阻为例说明。

图1 传统发电机线性电阻灭磁原理Fig.1 The de-excitation principle of traditional generator with linear resistor

灭磁时，灭磁开关主触头FMK 断开，灭磁开关辅助触头FMK－1 闭合，发电机转子绕组和线性电阻R 构成灭磁回路。灭磁过程中，转子电压方程为

式中:if为励磁电流;R 为线性电阻;rf为磁场绕组;Lf为磁场电感。

考虑到磁场电感Lf是由磁场漏感Lfs和主电感Lad组成，而漏磁通的主要形成路径是在空气中，所以磁场漏感Lfs基本是常数，而主电感Lad受主磁路饱和的影响，可视为励磁电流的函数。所以将上式改写为

常规发电机空载特性与其替代特性相差很小，工程使用是完全允许的［6］。为了易于计算发电机空载特性的饱和效应，对其空载特性可采用下述标么值的分析表达式表示

式中:E0为激磁电动势;与主磁通成正比;if为励磁电流，与激磁磁动势成正比。Ib代表上述两个函数曲线的交点，对于上述常规发电机空载特性，可选用L=1.1，M=1.95，N=0.95，将它们代入上式中，得Ib= 0.823 。发电机主磁链对应的直轴电感Lad为

1.2 智能灭磁装置原理及数学模型

本文所提出的智能灭磁装置原理如图2所示。

图2 智能灭磁装置原理图Fig.2 The schematic diagram of intelligent de-excitation device

智能灭磁装置原理为:灭磁开关主触头FMK断开，灭磁开关辅助触头FMK－1 闭合，灭磁过程开始，由灭磁电阻和发电机转子WF 形成灭磁回路进行灭磁。智能灭磁电阻由R1 和R2 两级线性电阻构成，其中二级电阻R2 由智能控制装置控制切除和介入。灭磁回路方程由式(5)、(6)所示。

式中:if0为初始灭磁电流;ifx为R1、R2 串联灭磁时根据同步电机励磁系统大、中型同步发电机励磁系统技术要求算出的最大允许灭磁电流值，并根据灭磁电流最大值来确定灭磁电阻R1 和R2 的阻值配置［7－8］。

当灭磁初始电流if0＜ifx时，灭磁电流较小，为了实现快速灭磁，两级线性电阻R1、R2 同时接入灭磁回路中，不需要分级。当灭磁初始电流if0≥ifx时，在满足励磁电流if＞Ib条件时，由智能控制装置产生一个GTO 导通信号，将二级灭磁电阻R2短路，此时仅有一级灭磁电阻R1 接入灭磁回路中，随着电流的逐渐衰减，当满足if≤Ib时，励磁电流dif达到斜率变化最大处条件时，产生一个GTO 关断信号，瞬时接入二级灭磁电阻R2，此时一级灭磁电阻R1 和二级灭磁电阻R2 串联共同承担灭磁任务。由式(6)可推导出

灭磁过程开始时刻先将一级线性电阻R1 接入到灭磁回路中，通过计算励磁电流的衰减特性，得到曲线的斜率变化方程，当励磁电流衰减到斜率变化最大处的时刻，立即由控制芯片产生GTO驱动控制信号，将二级线性电阻R2 接入到灭磁回路中，以实现安全快速灭磁。

2 智能灭磁的软硬件设计实现

硬件系统采用dsPIC30F 系列的一款芯片dsPIC6014A，该芯片不仅拥有丰富的外设资源，而且具有高速的数字信号处理模块。智能灭磁装置的硬件设计图如图3所示，其中虚线框内为智 能 控 制 装 置 部 分。 控 制 芯 片dsPIC30F6014A 通过综合分析采集回来的灭磁开关状态、机组运行状态以及励磁电流，确定二级电阻R2 的介入时刻，并在介入时刻输出控制信号控制门极可关断晶闸管GTO 关断或导通实现二级电阻的介入［9－10］。

软件设计采用dsPIC 的MPLAB.C30 编译器作为软件开发平台，它完全兼容ANSIC 编译器，支持dsPIC 结构标准库，并能提供出色的硬件支持。系统软件流程图如图4所示。

图3 智能灭磁装置硬件设计Fig.3 The hardware design of intelligent de-excitation device

图4 系统软件流程图Fig.4 The software flow chart of the system

3 仿真试验

为了验证智能组合线性灭磁方案的可行性以及优越性，对传统灭磁方式(线性电阻灭磁、ZnO非线性电阻灭磁、SiC 非线性电阻灭磁)和智能灭磁方式在相同工况下分别进行了仿真试验。

3.1 仿真参数

现以三峡左岸水电厂700 MW 水轮发电机组参数为依据进行仿真实验。主要数据如表1所示。阻灭磁、SiC 非线性电阻灭磁和智能组合线性灭磁分别进行了仿真试验［12－13］。由于篇幅所限，仅给出智能组合线性灭磁仿真SIMULINK 结构图如图5所示。

表1 三峡左岸水电厂700 MW 水轮发电机组参数Tab.1 The generator parameters of the Three Gorges’700 MW hydroelectric generating set

表中:PN为额定功率;UN为额定电压;n 为额定转速;cosφ 为额定功率因数;IN为额定励磁电流;rf为转子电阻;Lf为转子磁场自感;U0为空载励磁电压;U′N为额定励磁电压;Ta定子绕组时间常数;Lfs磁场绕组漏感;I0为空载励磁电流;Td0为d轴开路暂态时间常数;Xd为d 轴同步电抗;X′d为d 轴瞬变电抗;X″d为d 轴超瞬变电抗;T′d为d 轴短路暂态时间常数。核定一级线性电阻R1 为0.480 5 Ω，二级线性电阻R2 为1.258 Ω，假定if0= 4 704 A，计算得出ifx= 1 935.696 A。对于ZnO 非线性电阻而言，Ux= kiα，α 取0.046，当额定励磁电流为4 158A 时的灭磁反压取2 kV 时，k=136 3。同样，对SiC 而言，当α 取0.36 时，k =99.6［11］。

3.2 MATLAB 仿真模型的建立和实验结果分析

根据以上设计和已经推导出的灭磁回路方程数学模型，利用MATLAB 的SIMULINK 仿真工具搭建仿真结构图，对线性电阻灭磁、ZnO 非线性电

图5 智能组合线性灭磁仿真SIMULINK 结构图Fig.5 The SIMULINK structure diagram of intelligent de-excitation device with linear resistor combination

图6 四组灭磁仿真结果Fig.6 Four groups of simulation results

灭磁仿真结果如图6所示。图中初始励磁电流if0=4 704 A，灭磁过程均从第2 s 开始，当采用纯线性电阻灭磁电路灭磁时，如图6(a)所示，励磁电流在第12 s 时仅下降至677A，灭磁过程仍未结束。图6(b)为ZnO 非线性电阻灭磁，第7.8 s灭磁基本结束。图6(c)为SiC 非线性电阻灭磁，第11.4 s 灭磁基本结束。图6(d)为线性电阻组合灭磁，第7.6 s 灭磁基本结束。

由以上仿真结果可知，利用线性电阻的恰当组合，完全可以达到甚至优于非线性电阻快速灭磁的效果。在传统设计中，大中型机组一般优先考虑灭磁的快速性，选用非线性电阻灭磁。在小型机组上，基于经济性考虑，一般牺牲快速性而选择线性电阻灭磁。

根据工程经验，非线性电阻，尤其是ZnO 电阻的电特性易受使用条件影响产生变化而且易爆，安全性和可靠性较差。尽管SiC 电阻相对安全，但因为价格昂贵影响其广泛使用。由此可见，传统灭磁方式在安全性、经济性、可靠性上难以得到兼顾，而线性电阻智能组合灭磁可以很好地解决以上矛盾。传统灭磁方式和智能组合线性电阻灭磁方式的各自特点和优劣比对如表2所示［14－16］。

表2 4 种灭磁方法对比Tab.2 Comparison of four kinds of de-excitation method

4 结论

针对传统灭磁方式的不足，本文提出了一种同步发电机线性电阻组合智能灭磁方案。该方案利用计算机智能技术，能够根据机组实际工况和灭磁过程中励磁电流的大小，适时驱动可关断晶闸管GTO 使得二级线性电阻介入，进而达到快速灭磁的目的。通过对传统灭磁过程和智能灭磁过程中的励磁电压、励磁电流的变化曲线和灭磁时间仿真结果比对，验证了该方案性能的优越性，使得灭磁的快速性、经济性和可靠性得到了兼顾，为大型同步发电机灭磁提供了一套高性价比、经济、可靠的技术方案。

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