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基于IGBT的開關式勵磁調節器的應用

 1. 背景
  當前很多國有大中型企業都是連續生產型企業，企業在生產過程中需要大量熱能，為了保證生產的連續性和供熱調節需要，各企業均建有自備熱電廠，這些自備熱電廠多配置的是中、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。隨著企業的發展和電網對企業電能質量的要求，老式的勵磁調節器已經不能滿足調壓和調節無功的需要，對其進行技術改造已經勢在必行。
 
  2. 開關式勵磁調節器
  開關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。發展至今已經出現了微機型的開關式勵磁調節器。
  TDWLT-01KS勵磁調節器是基于IGBT的開關式勵磁調節器，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一段時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頻率升高或降低的情況下，更會加大電壓調節誤差；由于沒有采取有效的穩定措施，調節器運行穩定性較差，經常發生無功電壓擺動、并列機組問搶無功等，嚴重時影響發電機組正常運行；階躍響應超調量大，擺動時間長，調節時間常數大，調節電阻過熱、易老化，造成接觸不良，缺乏必要的限制和保護功能。該調節器已經被淘汰。
 
  4. 系統改造
  4.1 方案論證
  對勵磁設備改造時， 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，采用開關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化改造時優先考慮的方案。把IGBT作為勵磁主回路元件串接在勵磁機勵磁繞組中， 利用斬波技術控制IGBT的占空比，來調節勵磁機勵磁電流，從而控制發電機勵磁電壓和無功來達到勵磁自動調節的目的。此改造方案原理簡單，不需另外增加設備，直接通過直流勵磁機的電樞取勵磁源，殘壓起勵，勵磁繞組通過開關管控制和直流勵磁機組成自激系統，主回路元件少，結構簡單可靠，可以根據勵磁機原有勵磁方式靈活地進行配置。
  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IGBT功率回路并聯工作。保留原直流勵磁機、原勵磁設備的滅磁部分（即滅磁開關和滅磁電阻）和磁場變阻器。兩個IGBT開關管與磁場變阻器并聯后與直流勵磁機轉子繞組串聯，由雙套微機勵磁調節器中的主調節器發調節脈沖共同調節兩個IGBT開關管，進而改變發電機勵磁電流，調節發電機無功，共同完成發電機勵磁調節。裝置按大裕度選用IGBT開關管，并設置可靠的保護和吸收電路。
  調節器通過接于機端的電壓互感器、電流互感器以及轉子分流器，測量發電機的定子電壓、機組頻率、有功功率、無功功率以及轉子電流等發電機當前運行工況，和給定值比較后經PID調節計算產生輸出PWM值，PWM范圍為-100%～100%，PWM在0～100%范圍時，控制IGBT占空比在0～100%調節。
  4.3 調節原理
  以電壓閉環調節為例，說明調節過程。
  勵磁調節器根據占空比PWM 形成觸發脈沖，此脈沖通過驅動板進行電壓和頻率放大后驅動IGBT，控制IGBT的開通和關斷的時間，從而控制勵磁機勵磁電流I_lf。IGBT在開關勵磁系統中的工作原理如圖1所示。

圖1 IGBT在開關勵磁系統中的工作原理

 
  5. 存在的問題及解決方案
  5.1 均流問題
  電力電子器件并聯使用，如果器件之間長期不均流，就會導致某個器件長期滿負荷甚至超負荷運行，而另一個器件低負荷運行，長期下去就會造成單一器件的損壞。
  國內外很多文獻對器件均流問題提出了解決方法，比如“下垂法”、“主從均流法”、“自動均流法”、“民主均流法”等，效果不一，各有優缺點。
  為了解決改造工程中的器件均流問題，從工程角度出發，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超負荷運行。
  (2)為了使調節器針對兩個功率器件發出相同的調節脈沖，以保證兩個器件得到的指令一致，強行將兩個器件的占空比調成一致。
  (3)將兩個器件安裝在同一塊散熱板上，盡量保證兩個器件的安裝條件一致。從運行效果和實際測量結果上看，這些措施可以保證兩個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題。
  5.2 勵磁系統的開機問題
  改造保留了磁場變阻器，其與開關式勵磁調節裝置相互作用，如果單獨采用開關式勵磁調節裝置開機，在開機的瞬間會出現較大的電壓波動，導致系統不穩定。
  改造中，通過不斷試驗，最終采用先用磁場變阻器調節開機并網，再投入開關式勵磁調節裝置的方式，不會造成電壓波動的問題，調節過程相當平滑。
  5.3 勵磁系統中的強勵問題
  由于原有的強勵繼電器依然保留，而開關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題。
  分析回路，發現開關式勵磁調節裝置強勵動作后，相當于將并聯回路進行了短接，原來保留的強勵不起作用；如果開關式勵磁調節裝置強勵不動作，原來預留的強勵也可以動作。因此，在實際中將兩部分強勵全部投入，并聯運行。
  5.4誤強勵問題
  新的勵磁系統要求采用三組TV作為系統電壓低還是TV斷線的判據，而實際改造中只有兩組TV，如果兩組TV同時斷線，由于沒有系統TV作為輔助判據，就會造成誤強勵。
  在改造工程中，通過和制造廠家協商，修改了強勵的動作判據，加入發電機斷路器的輔助接點作為輔助判據。如果兩組TV同時斷線，只要發電機出口斷路器未跳閘，就判斷為TV斷線。手動將電壓閉環轉為電流閉環，處理完TV斷線后，再將電流閉環轉為電壓閉環。