發電機勵磁整流裝置動態均流技術及其應用

周吉琦 蘇家財 吳 龍

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

發電機勵磁系統是發電廠最重要的輔機之一，勵磁系統的可靠運行直接關系到發電機及發電廠乃至電力系統的安全穩定運行[1-2]。隨著發電機單機容量的不斷提高，600MW、1 000MW及1 000MW以上容量發電機逐漸成為電力系統中的主力機組。在主力機組中，自并勵靜止勵磁方式是主要勵磁方式。在自并勵靜止勵磁系統中，勵磁整流裝置承擔勵磁電流供應任務，采用多個晶閘管整流分支并聯運行的方式。勵磁整流裝置功率與機組容量密切相關，發電機容量越大，勵磁電流越大，整流裝置功率越大，整流分支就越多，如600MW機組采用至少4分支并聯、1 000MW機組采用至少5分支并聯、1 000MW以上機組采用多達8分支并聯[2]。

隨著晶閘管整流分支增多，各整流分支運行中輸出電流的均衡性不可避免地出現惡化趨勢，尤其是汽輪發電機組勵磁系統中，整流裝置交流側和直流側普遍采用共箱匯流母線方式，各整流分支的均衡條件更加惡劣，各個整流分支的相似程度直接影響整流分支輸出電流的均衡性。如何有效防止勵磁系統中并聯運行的多個整流分支輸出電流出現較大差異而降低整流系統的整體安全裕度，成為各發電廠運維技術人員關注的問題，因此，各整流分支輸出電流均衡性成為勵磁系統運行中的重要指標參數。本文主要介紹衡量勵磁系統整流分支輸出電流均衡性能的特征參數和多種傳統均流技術及其局限性，提出一種新型均流系數控制技術（動態均流）并闡述其工作原理及技術特點，最后以一個實際工程案例對動態均流技術應用效果進行說明。

1 整流裝置均流性能指標

1.1 均流系數及其意義

隨著發電機單機容量的增加，勵磁電流也相應增大，而由于晶閘管器件技術參數的限制，中大型發電機磁場繞組額定勵磁電流均超過單個整流分支額定輸出電流。考慮運行冗余度的要求和發電機強勵輸出的要求，勵磁系統采用多整流支路并列運行的方式。大型發電機勵磁系統，勵磁整流分支多，整流器件數量眾多，由于各個整流器件電氣參數的分散性和各整流分支回路之間的差異性，并列運行的各支路輸出電流不可避免存在差別，有些電氣參數與輸出電流呈非線性特性，于是均流系數的概念被提出，用以反映勵磁系統并列運行各整流支路輸出電流的分布均衡特性[3]。勵磁行業標準DL/T 843—2010《大型汽輪發電機勵磁系統技術條件》和DL/T 583—2018《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統技術條件》定義勵磁整流裝置的均流系數為“功率整流裝置并聯運行各支路（或各橋）電流的平均值與最大支路電流值之比”[4-5]，即

式中：η為整流裝置均流系數；n為整流裝置運行整流分支數量；Ii為第i個整流分支輸出的電流；Imax為最大分支電流。所有運行整流分支輸出電流之和即為發電機勵磁電流，均流系數也可表示為

式中，If為發電機勵磁電流。

同樣地，對于特定的勵磁系統，當各整流分支額定勵磁電流確定后，勵磁裝置的裕度系數由所有整流分支最小裕度系數決定，即為輸出電流最大的分支的電流裕度系數。勵磁裝置的裕度系數與均流系數和勵磁電流相關，有

式中：IN為整流分支額定電流；λ為電流裕度系數。

由式（3）可知，均流系數越大，整流裝置均流性能越好，各并列運行整流支路之間電流均衡性越優，勵磁整流裝置安全裕度系數越大；相反，如果一個或一些支路輸出的電流小，導致并列運行的某個支路輸出電流異常大，而受整流分支最大電流的限制，整體輸出電流會降低，即輸出電流安全裕度會降低，從而影響勵磁整流裝置及勵磁系統的安全裕度。行業標準DLT 843—2010《大型汽輪發電機勵磁系統技術條件》中規定“功率整流裝置的均流系數應不小于0.9”[4,6]，行業標準DL/T 583—2018《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統技術條件》中規定“在發電機額定工況時，并聯整流橋的均流系數不應低于0.9；在空載額定時，并聯整流橋的均流系數不應低于0.85”[5]。

1.2 補償型均流方法

勵磁系統中并列運行整流分支之間的均衡性能反映整流分支之間的各電氣參數均衡水平。在輸出電壓一致條件下，各整流支路的均流主要取決于并列電壓源內阻之間的均衡性、晶閘管導通特性和脈沖觸發的同步性。整流電壓源內阻包括晶閘管導通伏安特性、整流分支連接導體電阻和交流側各相導體的電抗（自感抗和互感抗）。增加均流系數，最直接的方法就是降低各整流分支內阻抗、觸發導通特性和觸發脈沖時延等的差異性。傳統型均流方法是針對影響均衡性的不同因素，采用補償措施降低其差異性來實現，可稱為補償型均流技術，主要包括：

1）器件參數匹配法。整流橋采用的晶閘管器件參數一致性最為關鍵，原則上各支路的組成器件應該盡量采用同一批次產品，其指標參數（晶閘管導通電壓和晶閘管斜率電阻）離散越小，輸出電壓的差別就越小，均流性能也就越好。

2）電纜長度調節法。各整流支路采用獨立的交流輸入電纜，相當于增加整流分支的交流內阻抗，交流輸入接等長度電纜，電纜長度反映進線阻抗，進線阻抗一致，整體阻抗增加，有助于降低差異阻抗對整體阻抗的影響，從而增加整流分支內阻抗的均衡性[7]。

3）均流磁環匹配法。對于各整流分支在交流側和直流側采用匯流母排連接的勵磁系統，無法改變整流分支內部母排長度，可以在銅母排上套裝磁環或串聯電抗，根據整流分支的位置采用不同的磁環，利用磁環電抗補償銅母排的阻抗差異，以降低內阻抗的差異性，提高均衡性。

4）主回路設計法。對于交流側和直流側采用匯流排連接的勵磁系統，可以設計交流進線位置在各個整流分支的中間位置，降低各整流分支連接導體長度的差異性。

5）強觸發脈沖。晶閘管的導通時間與觸發電流密切相關，觸發電流越大，導通時間越小，在晶閘管安全范圍內采用強觸發脈沖，減小導通時間，可以降低晶閘管導通特性和脈沖時延的差異性對整流裝置均流系數的影響[8]。

從工作原理分析和工程應用結果可知，上述均流方法都是以補償為手段，其共同的特點是預先設計且不可變更，均是在勵磁系統制造及設計過程中確定方案及電氣參數。但由于晶閘管導通伏安特性的非線性特點，以及磁環或電抗的飽和非線性特征，導致發電機狀態不同，輸出電流不同，其總內阻特性也呈非線性變化。因此，隨著輸出電流不同，整流分支之間阻抗均衡性也在不斷變化，即均流系數不斷變化[9]，以補償為手段的均流技術難以保證在各種工況下均流系數的一致性，這也反映在行業標準DL/T 583—2018《大中型水輪發電機靜止整流勵磁系統技術條件》[5]中規定不同工況下的均流系數有不同的要求。

2 動態均流技術

2.1 動態均流技術的定義

如前分析，以補償為手段的均流技術通過調整各并聯整流支路內部阻抗達到提高均流系數的目的。在中小型機組中，并聯支路較少的情況下，各支路內阻抗差異也較小，應用補償型均流技術的整流裝置，其均流系數基本可以滿足標準要求和勵磁系統安全運行的要求。但對于大型發電機組，整流分支較多，各支路內阻抗差異性也較大，單純靠補償型均流技術校正整流分支阻抗差異難度非常大，而且補償型均流技術適用范圍受工程條件約束較多，現場應用復雜。實際工程應用時，補償型均流技術調校時大多對應于發電機某個工況，而發電機組運行過程中，勵磁電流變化范圍較寬，勵磁功率整流器內阻抗隨電流呈非線性特性，在工況變化時補償型均流技術難以保證勵磁系統均流系數全范圍內滿足標準要求。

事實上，除了通過改變整流分支內阻抗來改變輸出電流均衡性外，還可以通過改變整流分支輸出電壓來改變輸出電流。整流分支輸出電壓由勵磁調節器或功率柜內部的移相電路決定，即主動改變整流分支觸發脈沖時延，反向利用脈沖時延差異性對均衡性的影響，調整各分支的實際導通時間，從而改變各分支輸出的電流，達到實時補償整流橋內阻抗的非線性特性，提高均流系數的目的。脈沖時延調整可通過軟件控制實現，在發電機運行過程中實時檢測整流裝置的均流系數，以規定均流系數為目標，計算整流裝置觸發脈沖角度偏移值，動態調整各分支輸出電流的均衡性能，達到勵磁系統均流系數全范圍滿足標準要求和安全性能要求的目標。這種通過實時測量整流分支電流，按照均流系數的要求，實時調整整流分支輸出電流的均衡性，解決由于發電機工況變化時，整流橋內阻抗非線性帶來的均流特性差異問題的方法，稱為動態均流調節技術。

2.2 動態均流調節技術實現方法和條件

1）完全獨立的分布式脈沖控制裝置

動態均流調節技術以調節為基礎，即需要根據各個分支的電流大小來獨立調整某一分支（或某一只晶閘管）的觸發脈沖角度偏移量，這樣實際運行中，可能每一個分支（或每一只晶閘管）的觸發脈沖角度都不相同，因此需要每一個分支（或每一只晶閘管）的觸發脈沖都能獨立生成，要求每個分支配置獨立的脈沖生成裝置，即各支路的脈沖信號不能采用傳統的并聯方式，而是采用“一個分支對應一套脈沖移相回路”的配置，使每個整流分支中每只晶閘管的脈沖觸發延遲角均能獨立調整。實際運行中，每個觸發脈沖的角度來自兩個方面：一個是勵磁調節器根據發電機勵磁需要計算出的觸發延遲角α（主觸發延遲角）；另一個是動態均流裝置根據均流系數的要求計算出的觸發延遲角偏移值Δα（動態均流角），它們的和是最終的觸發延遲角。動態均流工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 動態均流工作原理示意圖

2）實時測量整流分支（或晶閘管）電流

均流控制裝置只有檢測到各支路的電流大小后 才能實時計算勵磁整流裝置的均流系數，從而確定各支路觸發脈沖角度偏移值，并進行相應的調整，故需要勵磁系統具備整流分支（或晶閘管）電流采樣功能。由于各分支（或晶閘管）電流存在直流電流分量，不能直接采用電流互感器進行采樣，可以采用分流器或霍爾傳感器進行采樣[10]。考慮到磁場干擾和絕緣耐壓，宜采用分流器和變送器進行直流電流采樣，即在各分支（或晶閘管）回路中安裝分流器，再通過變送器將分流器信號變換成4～20mA信號，通過均流控制裝置采樣即可實時測量各支路（或晶閘管）電流。

3）計算整流分支（或晶閘管）動態均流角

圖1中各個整流分支均獨立進行動態均流計算，各整流分支控制裝置一方面測量自身分支輸出電流；另一方面通過整流裝置系統通信獲得整流裝置所有分支輸出電流，實時計算整流裝置均流系數。根據設定的均流系數目標值和整流裝置電流分布情況，通過PI計算達到目標值需要調整的觸發延遲角偏移值。動態均流偏移角計算模型框圖如圖2所示。

圖2 動態均流偏移角計算模型框圖

圖2中，η為實時均流系數，ηref為均流系數目標值，Im為第m個整流分支輸出電流值，Iav為整流裝置各分支輸出電流平均值，ΔImax為模型輸入限幅值，Kp和Ki分別為計算模型的比例系數和積分系數，Δαmax為模型輸出限幅值，Δαm為第m個分支動態均流觸發延遲角偏移值。

均流調節過程為：首先計算實時均流系數，將均流系數與目標值比較，當均流系數大于或等于目標值，則模型計算輸入為0，保持原值不變；當均流系數小于目標值后，模型輸入切換為電流測量值與電流平均值的差值，按PI計算動態均流觸發延遲角偏移值，若電流大于平均值，則需要增加角度，降低電流；若電流小于平均值，則需要減小角度，增加電流。

動態均流調節模型參數整定遵循：模型比例系數Kp和積分系數Ki取小值，防止均流變化過快影響勵磁調節器正常暫態調節；模型輸入限幅設定在額定勵磁電流IfN下整流橋平均電流的0.05倍，即

模型輸出限幅設置為較小值，防止故障造成的整流橋電流變化不均衡影響智能均流功能；一般輸出限值設置為1°左右，即每個晶閘管的動態均流角度偏差絕對值不大于1°，晶閘管間導通角差異較小，防止晶閘管間環流及由于回路故障導致動態均流出現偏差。

3 動態均流技術的現場應用

南瑞繼保PCS—9400勵磁系統以各整流分支輸出電流獨立測量和分布式觸發控制裝置為基礎，實現全范圍動態均流，均流系數目標可由定值整定，已經廣泛應用于各種型式（自并勵、無刷勵磁、三機勵磁等）、各種容量（10～1 000MW）發電機勵磁工程。下面以某電廠300MW自并勵機組為例，介紹動態均流技術的應用效果。該勵磁系統包括1面勵磁調節柜、1面交流進線柜、3面整流柜和2面滅磁柜，各柜排列如圖3所示，交流進線柜、整流柜和滅磁柜之間采用匯流母排方式，每個整流柜配置1臺PCS—9425智能測控裝置，具有獨立控制整流橋輸出和動態均流功能。

圖3 勵磁系統布置

通過靜態驗證與計算，校準每個支路均流變送器的采樣，整定合適的比例、積分系數Kp和Ki、模型輸入和輸出限幅值，目標均流系數設置為0.95。機組并網運行后，記錄不同負荷下在不投及投入動態均流裝置情況下每個晶閘管電流見表1。

通過計算可知，不投入動態均流裝置時，表1中兩種工況下正極均流系數分別為0.857和0.854，負極均流系數分別為0.851和0.853，均流系數達不到DL/T 843—2010規定的標準；投入動態均流裝置情況下，兩種工況下正、負極均流系數均為0.95，超過行業標準[4-5]的規定值（0.9），均流效果明顯。

表1 不同工況下晶閘管電流

4 結論

在大型發電機勵磁系統中，不同整流柜之間的自然均流有較大差別，補償型均流方法有較大局限性。動態均流技術通過實時采集各支路輸出電流、計算均流角度、對每個晶閘管發送不同角度觸發脈沖達到了對并列整流橋運行電流的均衡調整，提高了機組運行中的均流系數，實現了在線、實時、動態均流的功能，對于解決電流不平衡導致的整流柜局部發熱、延長晶閘管壽命具有重要作用，目前，動態均流技術已經在大中型機組中獲得了廣泛應用。