再談勵磁功率柜動態均流問題

余 飛 鐘榮祥 李錦紅 薛林鋒

（中國電器科學研究院有限公司 廣州 510300）

引言

相關的國家標準和行業標準對勵磁裝置功率柜的均流系數提出了明確要求，功率整流器均流系數不應低于85%。影響勵磁功率柜均流的幾個因素，包括元件通態特性、元件開通特性、溫度、母排連接方式、交流電壓等[1]。提高均流系數的方法可歸結為兩類，即自然均流和智能均流。自然均流立足于主回路等硬件結構，智能均流立足于控制回路。

長電纜均流等依賴主回路硬件結構的自然均流方法很難達到理想的效果，同時成本也是昂貴的。近年來智能均流已經成熟應用，為了這一新技術能更加廣泛的推廣應用，解除行業中對智能均流的一些誤解和凝慮，本文對智能均流的原理和應用等問題再次進行分析概括和總結，回答智能均流是否有效，智能均流是否影響強勵功能等問題。

1 智能均流與動態均流的應用

1.1 LTW6200勵磁系統應用的智能均流技術

我們在勵磁功率柜中應用過兩種智能均流方法，為了區別把使用脈沖控制方法的稱為智能均流，使用脈沖調節方法的稱為動態均流[2]。前者用于LTW6200型勵磁系統中，后者用于EXC9x00系列的勵磁系統中。這兩種方法名稱也可以反過來叫，即都是智能均流也都是動態均流，為了敘述的方便暫且區別對待。

LTW6200勵磁系統應用的智能均流技術，是由調節器智能控制脈沖均流。該均流措施理論上可使均流系數達100%。

采用這種智能化均流方法的勵磁系統，其原理是通過微控制器來檢測當前投入運行的采用并聯方式的整流橋個數n，根據投入運行的整流橋個數對晶閘管觸發脈沖進行控制，簡單講就是控制每個支路的導通時間為1/n個周期，每個支路的導通時長與陽極電壓周期相等。顯然這種方法可以使每個整流橋在n個陽極電壓周期內流過電流的平均值相等，從而達到均流的目的。

這種方法由調節器智能控制脈沖，是邏輯的開環控制方法，可全范圍實現均流，與運行工況無關。智能化均流方法在LTW6200勵磁系統得到成功應用，在均流效果上是最好的，這種方法對單橋滿足所有運行工況的系統是不影響強勵功能的，對不同的系統設計要進行強勵功能校核。隨著LTW6200勵磁系統被新一代的EXC9x00勵磁系統取代，這種智能均流方法也隨之被動態均流方法所取代。

1.2 EXC9x00勵磁系統應用的動態均流技術

EXC9000系統[3]應用的智能均流技術，是自反饋脈沖控制均流，是閉環控制方法，均流效果與運行工況有關，這種方法我們稱之為動態均流技術或動態均流以區別于前一種均流方法。

動態均流方法把晶閘管的通態平均電流做為控制對象，在硬件電路設計的基礎上，通過適當的軟件算法，實現并聯整流橋的同橋臂元件的通態平均電流盡量一致。

這種方法由功率柜自行控制，可不用調節器干預。

1.3 EXC9000和LTW6200勵磁功率柜的不同

EXC9000勵磁功率柜是在LTW6200功率柜的基礎上升級開發的產品，主要在智能化方面做了較大的提升。體現在每個功率柜都增加了獨立的基于微處理器的控制單元，能夠實現復雜的算法。脈沖放大、高頻處理也在功率柜內實現。這為脈沖在調節器產生后，再在各個功率柜內單獨進行處理創造了客觀條件。

同時，EXC9000勵磁系統面向大中型發電機組，功率柜數量可以達到4甚至5個，單橋運行明顯無法滿足機組運行工況。這時，LTW6200勵磁系統采用脈沖控制實現均流的方式已無法滿足要求。

1.4 動態均流技術的特點

1）動態均流技術通過對各元件流過的電流進行測量，因此各元件的均流情況能得到真實的反映，大大提高了設備安全運行和維護的便利性。

2）動態均流技術基于軟硬件控制回路，通過軟硬件配合實現功率柜之間及不同相之間的均流。它能在較寬的電流范圍內有效地實現高水平均流，一致性很好。在動態調節過程中，支路中存在的分布電感就成為決定橋臂電流均流的主要因素。

3）當晶閘管元件參數在使用一段時間后發生的改變，交直流側主回路阻抗平衡度發生變化等場合，動態均流技術有很強的適應性，可以不需要采取其它輔助措施，如元件參數匹配、加長電纜等，可以實現均流系數高于95%。

4）使用動態均流技術，由于在電流給定環節能夠自動分辨功率柜的投退情況，在有功率柜退出后，剩余運行中的功率柜之間可繼續實現動態均流。

5）這種方法既適用于感性負載，也適用于阻性負載。

6）采用動態均流技術可節省投資。由于不需長電纜均流，可節省50%以上的交流進線電纜。對硅元件參數一致性的要求下降，也會節約采購成本。

2 動態均流技術的原理與試驗

2.1 動態均流技術的原理

動態均流方法把晶閘管的通態平均電流做為控制對象，在硬件電路設計的基礎上，通過適當的軟件算法，實現并聯整流橋的同橋臂元件的通態平均電流盡量一致。

舉例說明，當某個橋臂的電流偏大，其自動控制原理說明如下：當有一個橋臂的電流變大，那這個電流值與自己橋臂的電流給定之間的偏差也增大，這時電流調節器輸出的與觸發角相關信號量也增加，就會使新的觸發脈沖角度增大，觸發脈沖滯后產生，導致這個橋臂平均電流減小。動態均流原理示意圖見圖1。

圖1 動態均流原理示意圖

自動控制過程時刻對電流變大的橋臂作使電流減小的方向控制，盡量使它的輸出電流大小等于總輸出電流的平均值。自動調節器是一個PID調節器，調節精度高，因此動態均流技術可以使均流系數大幅提高（實際證實可以超過95%），同時具有很強的適應性，在一個寬的電流范圍內都可以實現相當高的均流系數，并且可以克服元件和主回路電氣參數的影響。

勵磁系統自身的調節功能不會受動態均流技術影響，勵磁調節器脈沖觸發的起始時間不受影響，更不會影響勵磁系統脈沖觸發的正確性，它僅僅是通過對電流變大的支路做減小電流的控制來達到幾個并聯支路同一橋臂電流大小的重新分配。

2.2 動態均流試驗

對某電站勵磁系統在出廠試驗階段進行動態均流測試，該發電機的勵磁電流額定值為1 300 A，硅元件型號5STP 18H4200（1 801 A/4 200 V）。試驗條件：純電阻負載、交直流側采用銅排排并聯，由于負載容量限制，電流最大只能做到2 100 A。表1是分別投切動態均流情況下輸出電流變化時的數據。

表1 分別投切動態均流情況下輸出電流變化時的數據

通過示波器觀察，能夠看出橋臂電流變化情況。在圖2～4的示波圖中：1（1）表示1號功率柜1號晶閘管，2（1）表示2號功率柜1號晶閘管，1（4）表示1號功率柜4號晶閘管，2（4）表示2號功率柜4號晶閘管。

在圖2～4的示波圖上看出，電流差異產生的主要原因是元件通態特性的差異。通過均流控制器的調節，使流過電流較大的晶閘管滯后觸發，就能夠改變晶閘管導通開始部分電流的分配，見圖2～4中標記為A的位置。

圖2 輸出電流500 A時的橋臂電流波形

圖3 輸出電流1 300 A時的橋臂電流波形

圖4 輸出電流2 100 A時橋臂電流波形

通過本試驗可以看出，動態均流投入，在一定的電流范圍內（500～2 100 A，對應標幺值為0.38～1.6），都能實現較高的均流系數。

當遇到輸出電流比較小的工況，由于晶閘管元件門檻電壓參數不同的影響和硬件電路調制范圍的限制，均流系數存在低于理想值的情況。不過均流技術著重關注大電流的工況，并且試驗是在極低的交流側電壓下進行的，現場試驗效果應該會更好。

從圖2～4的示波圖可見，均流調節的是元件的通態平均電流，其目標是每個元件的通態平均電流一致，因此可以得出動態均流不影響強勵功能的結論。

3 橋臂電流檢測與給定控制

3.1 橋臂電流檢測

動態均流立足于控制回路，它是基于橋臂設定電流與橋臂實際電流的偏差進行PID調節的。電流給定控制與整流橋各橋臂電流檢測是實現動態均流的關鍵，能否準確測量出各橋臂電流是動態均流技術實現的前提。以前的勵磁系統功率柜，通過在直流輸出銅排的正極安裝分流器的方式測量輸出電流的大小，在有幾個功率柜并聯運行時，這種方式其實不能真實反映每個整流橋輸出電流的大小，更加不能反映每個橋臂電流的大小。

圖5所示的一種測量方法。圖5(a)是在一個功率柜直流側輸出的正負極各裝一個直流霍爾變送器，每一個功率柜需要兩個變送器，安裝雖然簡單，但要想能夠測量出各個橋臂電流則需要其它技術如同步信號的配合，并且測量的精度會受霍爾變送器的安裝位置影響。圖5(c)是在每個晶閘管串聯一個霍爾變送器，簡單直觀，但需要六個變送器，安裝復雜，維護困難。圖5(b)相對于圖5(a)和圖5(c)是較優的選擇，但它想要區分出正負橋臂電流還需要硬件電路的配合，在EXC9x00勵磁系統中使用的就是這個方法，它是借助于智能化功率柜系統來實現的。

圖5 三種橋臂電流檢測方法

3.2 電流給定如何產生

動態均流技術可以通過兩種方法產生電流給定，如圖6所示，一是勵磁調節器把當前的輸出電流大小轉化成對應的毫安信號給出圖6（a）；二是幾個并聯運行的功率柜產生圖6（b）。

圖6 電流給定的產生

由多個功率柜并聯產生電流給定的優點是動態均流技術的實現獨立于勵磁調節器，在EXC9x00勵磁系統中應用的是這個方法，它采用的是電流均分線原理，與調節器及調節器的運行通道無關。因此，動態均流也是完全獨立于勵磁調節器的。

4 結束語

1）動態均流技術通過對各元件流過的電流進行測量，因此各元件的均流情況能得到真實的反映，大大提高了設備安全運行和維護的便利性。

2）動態均流技術基于軟硬件控制回路，通過軟硬件配合實現功率柜之間及不同相之間的均流。它能在較寬的電流范圍內有效地實現高水平均流，一致性很好。

3）當晶閘管元件參數在使用一段時間后發生的改變，交直流側主回路阻抗平衡度發生變化等場合，動態均流技術有很強的適應性，可以不需要采取其它輔助措施，如元件參數匹配、加長電纜等，可以實現均流系數高于95%。

4）采用動態均流技術，由于在電流給定環節能夠分辨功率柜的投退，因此當有功率柜退出后，剩余的功率柜之間仍可實現動態均流。

5）這種方法既適用于感性負載，也適用于阻性負載。

6）采用動態均流技術可節省投資。由于不需長電纜均流，可節省50%以上的交流進線電纜。對硅元件參數一致性的要求下降，也會節約采購成本。

7）原理分析和試驗結果都表明，動態均流不影響強勵功能。

8）動態均流是完全獨立于勵磁調節器的，與調節器及調節器的運行通道無關。