基于IGBT的開(kāi)關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的應(yīng)用

1. 背景

  當(dāng)前很多國(guó)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(guò)程中需要大量熱能，為了保證生產(chǎn)的連續(xù)性和供熱調(diào)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(jī)組。
  這些中、小火電機(jī)組大部分配置的均為直流勵(lì)磁機(jī)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)大部分都采用老式的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，如KFD-3勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。隨著企業(yè)的發(fā)展和電網(wǎng)對(duì)企業(yè)電能質(zhì)量的要求，老式的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器已經(jīng)不能滿足調(diào)壓和調(diào)節(jié)無(wú)功的需要，對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造已經(jīng)勢(shì)在必行。
 
 2. 開(kāi)關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器

  開(kāi)關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是利用晶閘管或IGBT為核心功率器件，輔助以外圍調(diào)節(jié)和控制回路而組成的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。發(fā)展至今已經(jīng)出現(xiàn)了微機(jī)型的開(kāi)關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。
  TDWLT-01KS勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是基于IGBT的開(kāi)關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，廣泛應(yīng)用于各種中、小火電機(jī)組中。
 
  3. 系統(tǒng)現(xiàn)狀

  某25MW火電機(jī)組采用的是直流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁方式，配置的是KFD-3勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。該調(diào)節(jié)器主要由相復(fù)勵(lì)裝置和電壓校正器兩部分組成。相復(fù)勵(lì)裝置主要由相復(fù)勵(lì)變壓器、電抗器、補(bǔ)償電容器、升壓自耦變壓器及輸出整流器等構(gòu)成；電壓校正器由測(cè)量、放大、調(diào)整三部分構(gòu)成。
  雖然該調(diào)節(jié)器在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)起到了很好的調(diào)節(jié)作用，但是由于傳統(tǒng)相復(fù)勵(lì)式調(diào)節(jié)器采用磁放大器，利用鐵心的磁飽和特性進(jìn)行電壓測(cè)量、誤差放大和電流控制，因此調(diào)節(jié)精度低。其測(cè)量變壓器的飽和度不僅取決于電壓的高低，還對(duì)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(diào)節(jié)誤差；由于沒(méi)有采取有效的穩(wěn)定措施，調(diào)節(jié)器運(yùn)行穩(wěn)定性較差，經(jīng)常發(fā)生無(wú)功電壓擺動(dòng)、并列機(jī)組問(wèn)搶無(wú)功等，嚴(yán)重時(shí)影響發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行；階躍響應(yīng)超調(diào)量大，擺動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)大，調(diào)節(jié)電阻過(guò)熱、易老化，造成接觸不良，缺乏必要的限制和保護(hù)功能。該調(diào)節(jié)器已經(jīng)被淘汰。
 
  4. 系統(tǒng)改造

  4.1 方案論證

  對(duì)勵(lì)磁設(shè)備改造時(shí)， 如果整體拆除直流勵(lì)磁機(jī)更換自并激勵(lì)磁系統(tǒng)，一次性投資太大，而且自并激改造時(shí)需要增加大容量勵(lì)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(lì)磁機(jī)，采用開(kāi)關(guān)式微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器替代直流勵(lì)磁機(jī)原勵(lì)磁裝置是勵(lì)磁設(shè)備自動(dòng)化改造時(shí)優(yōu)先考慮的方案。把IGBT作為勵(lì)磁主回路元件串接在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組中， 利用斬波技術(shù)控制IGBT的占空比，來(lái)調(diào)節(jié)勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流，從而控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓和無(wú)功來(lái)達(dá)到勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。此改造方案原理簡(jiǎn)單，不需另外增加設(shè)備，直接通過(guò)直流勵(lì)磁機(jī)的電樞取勵(lì)磁源，殘壓起勵(lì)，勵(lì)磁繞組通過(guò)開(kāi)關(guān)管控制和直流勵(lì)磁機(jī)組成自激系統(tǒng)，主回路元件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，可以根據(jù)勵(lì)磁機(jī)原有勵(lì)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(nèi)部配置完全獨(dú)立、互為備用的兩套微機(jī)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)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(lì)磁機(jī)、原勵(lì)磁設(shè)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(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)，由雙套微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中的主調(diào)節(jié)器發(fā)調(diào)節(jié)脈沖共同調(diào)節(jié)兩個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)管，進(jìn)而改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)無(wú)功，共同完成發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)。裝置按大裕度選用IGBT開(kāi)關(guān)管，并設(shè)置可靠的保護(hù)和吸收電路。
  調(diào)節(jié)器通過(guò)接于機(jī)端的電壓互感器、電流互感器以及轉(zhuǎn)子分流器，測(cè)量發(fā)電機(jī)的定子電壓、機(jī)組頻率、有功功率、無(wú)功功率以及轉(zhuǎn)子電流等發(fā)電機(jī)當(dāng)前運(yùn)行工況，和給定值比較后經(jīng)PID調(diào)節(jié)計(jì)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(diào)節(jié)。
  4.3 調(diào)節(jié)原理

  以電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)為例，說(shuō)明調(diào)節(jié)過(guò)程。
  勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)占空比PWM 形成觸發(fā)脈沖，此脈沖通過(guò)驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行電壓和頻率放大后驅(qū)動(dòng)IGBT，控制IGBT的開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間，從而控制勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流Ilf。IGBT在開(kāi)關(guān)勵(lì)磁系統(tǒng)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(zhǎng)期不均流，就會(huì)導(dǎo)致某個(gè)器件長(zhǎng)期滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行，而另一個(gè)器件低負(fù)荷運(yùn)行，長(zhǎng)期下去就會(huì)造成單一器件的損壞。

  國(guó)內(nèi)外很多文獻(xiàn)對(duì)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(shù)的一致性，這樣就保證了器件不會(huì)超負(fù)荷運(yùn)行。

  (2)為了使調(diào)節(jié)器針對(duì)兩個(gè)功率器件發(fā)出相同的調(diào)節(jié)脈沖，以保證兩個(gè)器件得到的指令一致，強(qiáng)行將兩個(gè)器件的占空比調(diào)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(yùn)行效果和實(shí)際測(cè)量結(jié)果上看，這些措施可以保證兩個(gè)功率器件運(yùn)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(lì)磁系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)問(wèn)題

  改造保留了磁場(chǎng)變阻器，其與開(kāi)關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置相互作用，如果單獨(dú)采用開(kāi)關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置開(kāi)機(jī)，在開(kāi)機(jī)的瞬間會(huì)出現(xiàn)較大的電壓波動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

  改造中，通過(guò)不斷試驗(yàn)，最終采用先用磁場(chǎng)變阻器調(diào)節(jié)開(kāi)機(jī)并網(wǎng)，再投入開(kāi)關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的方式，不會(huì)造成電壓波動(dòng)的問(wèn)題，調(diào)節(jié)過(guò)程相當(dāng)平滑。

  5.3 勵(lì)磁系統(tǒng)中的強(qiáng)勵(lì)問(wèn)題

  由于原有的強(qiáng)勵(lì)繼電器依然保留，而開(kāi)關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置本身也具備強(qiáng)勵(lì)功能，這樣就出現(xiàn)了兩部分強(qiáng)勵(lì)功能怎樣配合、強(qiáng)勵(lì)倍數(shù)如何整定的問(wèn)題。

  分析回路，發(fā)現(xiàn)開(kāi)關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作后，相當(dāng)于將并聯(lián)回路進(jìn)行了短接，原來(lái)保留的強(qiáng)勵(lì)不起作用；如果開(kāi)關(guān)式勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置強(qiáng)勵(lì)不動(dòng)作，原來(lái)預(yù)留的強(qiáng)勵(lì)也可以動(dòng)作。因此，在實(shí)際中將兩部分強(qiáng)勵(lì)全部投入，并聯(lián)運(yùn)行。

  5.4誤強(qiáng)勵(lì)問(wèn)題

  新的勵(lì)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(shí)際改造中只有兩組TV，如果兩組TV同時(shí)斷線，由于沒(méi)有系統(tǒng)TV作為輔助判據(jù)，就會(huì)造成誤強(qiáng)勵(lì)。

  在改造工程中，通過(guò)和制造廠家協(xié)商，修改了強(qiáng)勵(lì)的動(dòng)作判據(jù)，加入發(fā)電機(jī)斷路器的輔助接點(diǎn)作為輔助判據(jù)。如果兩組TV同時(shí)斷線，只要發(fā)電機(jī)出口斷路器未跳閘，就判斷為TV斷線。手動(dòng)將電壓閉環(huán)轉(zhuǎn)為電流閉環(huán)，處理完TV斷線后，再將電流閉環(huán)轉(zhuǎn)為電壓閉環(huán)。