再谈励磁功率柜动态均流问题

2021-08-17钟荣祥李锦红薛林锋

日用电器 2021年7期

余飞钟荣祥李锦红薛林锋

（中国电器科学研究院有限公司广州 510300）

引言

相关的国家标准和行业标准对励磁装置功率柜的均流系数提出了明确要求，功率整流器均流系数不应低于85%。影响励磁功率柜均流的几个因素，包括元件通态特性、元件开通特性、温度、母排连接方式、交流电压等[1]。提高均流系数的方法可归结为两类，即自然均流和智能均流。自然均流立足于主回路等硬件结构，智能均流立足于控制回路。

长电缆均流等依赖主回路硬件结构的自然均流方法很难达到理想的效果，同时成本也是昂贵的。近年来智能均流已经成熟应用，为了这一新技术能更加广泛的推广应用，解除行业中对智能均流的一些误解和凝虑，本文对智能均流的原理和应用等问题再次进行分析概括和总结，回答智能均流是否有效，智能均流是否影响强励功能等问题。

1 智能均流与动态均流的应用

1.1 LTW6200励磁系统应用的智能均流技术

我们在励磁功率柜中应用过两种智能均流方法，为了区别把使用脉冲控制方法的称为智能均流，使用脉冲调节方法的称为动态均流[2]。前者用于LTW6200型励磁系统中，后者用于EXC9x00系列的励磁系统中。这两种方法名称也可以反过来叫，即都是智能均流也都是动态均流，为了叙述的方便暂且区别对待。

LTW6200励磁系统应用的智能均流技术，是由调节器智能控制脉冲均流。该均流措施理论上可使均流系数达100%。

采用这种智能化均流方法的励磁系统，其原理是通过微控制器来检测当前投入运行的采用并联方式的整流桥个数n，根据投入运行的整流桥个数对晶闸管触发脉冲进行控制，简单讲就是控制每个支路的导通时间为1/n个周期，每个支路的导通时长与阳极电压周期相等。显然这种方法可以使每个整流桥在n个阳极电压周期内流过电流的平均值相等，从而达到均流的目的。

这种方法由调节器智能控制脉冲，是逻辑的开环控制方法，可全范围实现均流，与运行工况无关。智能化均流方法在LTW6200励磁系统得到成功应用，在均流效果上是最好的，这种方法对单桥满足所有运行工况的系统是不影响强励功能的，对不同的系统设计要进行强励功能校核。随着LTW6200励磁系统被新一代的EXC9x00励磁系统取代，这种智能均流方法也随之被动态均流方法所取代。

1.2 EXC9x00励磁系统应用的动态均流技术

EXC9000系统[3]应用的智能均流技术，是自反馈脉冲控制均流，是闭环控制方法，均流效果与运行工况有关，这种方法我们称之为动态均流技术或动态均流以区别于前一种均流方法。

动态均流方法把晶闸管的通态平均电流做为控制对象，在硬件电路设计的基础上，通过适当的软件算法，实现并联整流桥的同桥臂元件的通态平均电流尽量一致。

这种方法由功率柜自行控制，可不用调节器干预。

1.3 EXC9000和LTW6200励磁功率柜的不同

EXC9000励磁功率柜是在LTW6200功率柜的基础上升级开发的产品，主要在智能化方面做了较大的提升。体现在每个功率柜都增加了独立的基于微处理器的控制单元，能够实现复杂的算法。脉冲放大、高频处理也在功率柜内实现。这为脉冲在调节器产生后，再在各个功率柜内单独进行处理创造了客观条件。

同时，EXC9000励磁系统面向大中型发电机组，功率柜数量可以达到4甚至5个，单桥运行明显无法满足机组运行工况。这时，LTW6200励磁系统采用脉冲控制实现均流的方式已无法满足要求。

1.4 动态均流技术的特点

1）动态均流技术通过对各元件流过的电流进行测量，因此各元件的均流情况能得到真实的反映，大大提高了设备安全运行和维护的便利性。

2）动态均流技术基于软硬件控制回路，通过软硬件配合实现功率柜之间及不同相之间的均流。它能在较宽的电流范围内有效地实现高水平均流，一致性很好。在动态调节过程中，支路中存在的分布电感就成为决定桥臂电流均流的主要因素。

3）当晶闸管元件参数在使用一段时间后发生的改变，交直流侧主回路阻抗平衡度发生变化等场合，动态均流技术有很强的适应性，可以不需要采取其它辅助措施，如元件参数匹配、加长电缆等，可以实现均流系数高于95%。

4）使用动态均流技术，由于在电流给定环节能够自动分辨功率柜的投退情况，在有功率柜退出后，剩余运行中的功率柜之间可继续实现动态均流。

5）这种方法既适用于感性负载，也适用于阻性负载。

6）采用动态均流技术可节省投资。由于不需长电缆均流，可节省50%以上的交流进线电缆。对硅元件参数一致性的要求下降，也会节约采购成本。

2 动态均流技术的原理与试验

2.1 动态均流技术的原理

举例说明，当某个桥臂的电流偏大，其自动控制原理说明如下：当有一个桥臂的电流变大，那这个电流值与自己桥臂的电流给定之间的偏差也增大，这时电流调节器输出的与触发角相关信号量也增加，就会使新的触发脉冲角度增大，触发脉冲滞后产生，导致这个桥臂平均电流减小。动态均流原理示意图见图1。

图1 动态均流原理示意图

自动控制过程时刻对电流变大的桥臂作使电流减小的方向控制，尽量使它的输出电流大小等于总输出电流的平均值。自动调节器是一个PID调节器，调节精度高，因此动态均流技术可以使均流系数大幅提高（实际证实可以超过95%），同时具有很强的适应性，在一个宽的电流范围内都可以实现相当高的均流系数，并且可以克服元件和主回路电气参数的影响。

励磁系统自身的调节功能不会受动态均流技术影响，励磁调节器脉冲触发的起始时间不受影响，更不会影响励磁系统脉冲触发的正确性，它仅仅是通过对电流变大的支路做减小电流的控制来达到几个并联支路同一桥臂电流大小的重新分配。

2.2 动态均流试验

对某电站励磁系统在出厂试验阶段进行动态均流测试，该发电机的励磁电流额定值为1 300 A，硅元件型号5STP 18H4200（1 801 A/4 200 V）。试验条件：纯电阻负载、交直流侧采用铜排排并联，由于负载容量限制，电流最大只能做到2 100 A。表1是分别投切动态均流情况下输出电流变化时的数据。

表1 分别投切动态均流情况下输出电流变化时的数据

通过示波器观察，能够看出桥臂电流变化情况。在图2～4的示波图中：1（1）表示1号功率柜1号晶闸管，2（1）表示2号功率柜1号晶闸管，1（4）表示1号功率柜4号晶闸管，2（4）表示2号功率柜4号晶闸管。

在图2～4的示波图上看出，电流差异产生的主要原因是元件通态特性的差异。通过均流控制器的调节，使流过电流较大的晶闸管滞后触发，就能够改变晶闸管导通开始部分电流的分配，见图2～4中标记为A的位置。

图2 输出电流500 A时的桥臂电流波形

图3 输出电流1 300 A时的桥臂电流波形

图4 输出电流2 100 A时桥臂电流波形

通过本试验可以看出，动态均流投入，在一定的电流范围内（500～2 100 A，对应标幺值为0.38～1.6），都能实现较高的均流系数。

当遇到输出电流比较小的工况，由于晶闸管元件门槛电压参数不同的影响和硬件电路调制范围的限制，均流系数存在低于理想值的情况。不过均流技术着重关注大电流的工况，并且试验是在极低的交流侧电压下进行的，现场试验效果应该会更好。

从图2～4的示波图可见，均流调节的是元件的通态平均电流，其目标是每个元件的通态平均电流一致，因此可以得出动态均流不影响强励功能的结论。

3 桥臂电流检测与给定控制

3.1 桥臂电流检测

动态均流立足于控制回路，它是基于桥臂设定电流与桥臂实际电流的偏差进行PID调节的。电流给定控制与整流桥各桥臂电流检测是实现动态均流的关键，能否准确测量出各桥臂电流是动态均流技术实现的前提。以前的励磁系统功率柜，通过在直流输出铜排的正极安装分流器的方式测量输出电流的大小，在有几个功率柜并联运行时，这种方式其实不能真实反映每个整流桥输出电流的大小，更加不能反映每个桥臂电流的大小。

图5所示的一种测量方法。图5(a)是在一个功率柜直流侧输出的正负极各装一个直流霍尔变送器，每一个功率柜需要两个变送器，安装虽然简单，但要想能够测量出各个桥臂电流则需要其它技术如同步信号的配合，并且测量的精度会受霍尔变送器的安装位置影响。图5(c)是在每个晶闸管串联一个霍尔变送器，简单直观，但需要六个变送器，安装复杂，维护困难。图5(b)相对于图5(a)和图5(c)是较优的选择，但它想要区分出正负桥臂电流还需要硬件电路的配合，在EXC9x00励磁系统中使用的就是这个方法，它是借助于智能化功率柜系统来实现的。