基于IGBT的開關式勵磁調節(jié)器的應用

1. 背景

  當前很多國有大中型企業(yè)都是連續(xù)生產(chǎn)型企業(yè)，企業(yè)在生產(chǎn)過程中需要大量熱能，為了保證生產(chǎn)的連續(xù)性和供熱調節(jié)需要，各企業(yè)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(jié)大部分都采用老式的勵磁調節(jié)器，如KFD-3勵磁調節(jié)器。隨著企業(yè)的發(fā)展和電網(wǎng)對企業(yè)電能質量的要求，老式的勵磁調節(jié)器已經(jīng)不能滿足調壓和調節(jié)無功的需要，對其進行技術改造已經(jīng)勢在必行。
 
 2. 開關式勵磁調節(jié)器

  開關式勵磁調節(jié)器是利用晶閘管或IGBT為核心功率器件，輔助以外圍調節(jié)和控制回路而組成的勵磁調節(jié)器。發(fā)展至今已經(jīng)出現(xiàn)了微機型的開關式勵磁調節(jié)器。
  TDWLT-01KS勵磁調節(jié)器是基于IGBT的開關式勵磁調節(jié)器，廣泛應用于各種中、小火電機組中。
 
  3. 系統(tǒng)現(xiàn)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(jié)器。該調節(jié)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(jié)器在很長一段時間內起到了很好的調節(jié)作用，但是由于傳統(tǒng)相復勵式調節(jié)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(jié)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，更會加大電壓調節(jié)誤差；由于沒有采取有效的穩(wěn)定措施，調節(jié)器運行穩(wěn)定性較差，經(jīng)常發(fā)生無功電壓擺動、并列機組問搶無功等，嚴重時影響發(fā)電機組正常運行；階躍響應超調量大，擺動時間長，調節(jié)時間常數(shù)大，調節(jié)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(jié)器已經(jīng)被淘汰。
 
  4. 系統(tǒng)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(tǒng)，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(jié)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(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， 利用斬波技術控制IGBT的占空比，來調節(jié)勵磁機勵磁電流，從而控制發(fā)電機勵磁電壓和無功來達到勵磁自動調節(jié)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(tǒng)，主回路元件少，結構簡單可靠，可以根據(jù)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(jié)器（選用TDWLT-01系列）以及兩組IGBT回路，兩個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(lián)后與直流勵磁機轉子繞組串聯(lián)，由雙套微機勵磁調節(jié)器中的主調節(jié)器發(fā)調節(jié)脈沖共同調節(jié)兩個IGBT開關管，進而改變發(fā)電機勵磁電流，調節(jié)發(fā)電機無功，共同完成發(fā)電機勵磁調節(jié)。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(jié)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(fā)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(fā)電機當前運行工況，和給定值比較后經(jīng)PID調節(jié)計算產(chǎn)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(jié)。
  4.3 調節(jié)原理

  以電壓閉環(huán)調節(jié)為例，說明調節(jié)過程。
  勵磁調節(jié)器根據(jù)占空比PWM 形成觸發(fā)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Ilf。IGBT在開關勵磁系統(tǒng)中的工作原理如圖1所示。

 

 
  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(lián)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(yōu)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(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(shù)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(jié)器針對兩個功率器件發(fā)出相同的調節(jié)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(tǒng)的開機問題

  改造保留了磁場變阻器，其與開關式勵磁調節(jié)裝置相互作用，如果單獨采用開關式勵磁調節(jié)裝置開機，在開機的瞬間會出現(xiàn)較大的電壓波動，導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

  改造中，通過不斷試驗，最終采用先用磁場變阻器調節(jié)開機并網(wǎng)，再投入開關式勵磁調節(jié)裝置的方式，不會造成電壓波動的問題，調節(jié)過程相當平滑。

  5.3 勵磁系統(tǒng)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(jié)裝置本身也具備強勵功能，這樣就出現(xiàn)了兩部分強勵功能怎樣配合、強勵倍數(shù)如何整定的問題。

  分析回路，發(fā)現(xiàn)開關式勵磁調節(jié)裝置強勵動作后，相當于將并聯(lián)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(jié)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(lián)運行。

  5.4誤強勵問題

  新的勵磁系統(tǒng)要求采用三組TV作為系統(tǒng)電壓低還是TV斷線的判據(jù)，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(tǒng)TV作為輔助判據(jù)，就會造成誤強勵。

  在改造工程中，通過和制造廠家協(xié)商，修改了強勵的動作判據(jù)，加入發(fā)電機斷路器的輔助接點作為輔助判據(jù)。如果兩組TV同時斷線，只要發(fā)電機出口斷路器未跳閘，就判斷為TV斷線。手動將電壓閉環(huán)轉為電流閉環(huán)，處理完TV斷線后，再將電流閉環(huán)轉為電壓閉環(huán)。