李志軍，李 淼，劉漢征，秦曉雪

(河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津300130)

0 引言

近年來(lái)，同步發(fā)電機(jī)滅磁方式從傳統(tǒng)的耗能型逐漸向移能型轉(zhuǎn)變，為了提高滅磁的快速性，使用的滅磁電阻也從線性電阻過(guò)渡到非線性電阻以及線性與非線性電阻相結(jié)合的多種組合方式［1］。非線性電阻以其獨(dú)特非線性特征提高了滅磁速度，但其相對(duì)較高的造價(jià)和使用過(guò)程中存在易于爆裂和燃弧的危險(xiǎn)性長(zhǎng)期以來(lái)沒(méi)能夠得到有效解決。隨著在建發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量逐漸提高，發(fā)電機(jī)額定勵(lì)磁電壓和勵(lì)磁電流越來(lái)越大，這就對(duì)發(fā)電機(jī)滅磁過(guò)程提出了更高的要求。因此，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的滅磁方案作對(duì)比研究，結(jié)合當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和電力電子技術(shù)，提出一種兼顧滅磁過(guò)程的經(jīng)濟(jì)性、高效性和快速性的高可靠性智能發(fā)電機(jī)滅磁方案是必要而可行的［2－5］。

本文提出一種利用線性電阻組合的同步發(fā)電機(jī)滅磁電路的方案，該方案利用智能控制裝置獲得的發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況和滅磁過(guò)程中勵(lì)磁電流，找到最佳介入時(shí)機(jī)，通過(guò)控制回路驅(qū)動(dòng)可控電力電子器件門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO 使得二級(jí)線性電阻適時(shí)介入。文中建立了滅磁過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，并以三峽700 MW 水輪發(fā)電機(jī)組為對(duì)象，利用MATLAB 的SIMULINK 工具，分別對(duì)單一線性電阻、非線性SiC 電阻、非線性ZnO 電阻等傳統(tǒng)滅磁方式以及新型線性組合智能滅磁的過(guò)程進(jìn)行了仿真和比對(duì)。

1 滅磁原理和轉(zhuǎn)子滅磁過(guò)程數(shù)學(xué)模型

1.1 傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)滅磁原理及數(shù)學(xué)模型

傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)滅磁原理如圖1所示，圖中R 為線性電阻，也可為非線性電阻，為便于描述，下面以線性電阻為例說(shuō)明。

圖1 傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)線性電阻滅磁原理Fig.1 The de-excitation principle of traditional generator with linear resistor

滅磁時(shí)，滅磁開(kāi)關(guān)主觸頭FMK 斷開(kāi)，滅磁開(kāi)關(guān)輔助觸頭FMK－1 閉合，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組和線性電阻R 構(gòu)成滅磁回路。滅磁過(guò)程中，轉(zhuǎn)子電壓方程為

式中:if為勵(lì)磁電流;R 為線性電阻;rf為磁場(chǎng)繞組;Lf為磁場(chǎng)電感。

考慮到磁場(chǎng)電感Lf是由磁場(chǎng)漏感Lfs和主電感Lad組成，而漏磁通的主要形成路徑是在空氣中，所以磁場(chǎng)漏感Lfs基本是常數(shù)，而主電感Lad受主磁路飽和的影響，可視為勵(lì)磁電流的函數(shù)。所以將上式改寫(xiě)為

常規(guī)發(fā)電機(jī)空載特性與其替代特性相差很小，工程使用是完全允許的［6］。為了易于計(jì)算發(fā)電機(jī)空載特性的飽和效應(yīng)，對(duì)其空載特性可采用下述標(biāo)么值的分析表達(dá)式表示

式中:E0為激磁電動(dòng)勢(shì);與主磁通成正比;if為勵(lì)磁電流，與激磁磁動(dòng)勢(shì)成正比。Ib代表上述兩個(gè)函數(shù)曲線的交點(diǎn)，對(duì)于上述常規(guī)發(fā)電機(jī)空載特性，可選用L=1.1，M=1.95，N=0.95，將它們代入上式中，得Ib= 0.823 。發(fā)電機(jī)主磁鏈對(duì)應(yīng)的直軸電感Lad為

1.2 智能滅磁裝置原理及數(shù)學(xué)模型

本文所提出的智能滅磁裝置原理如圖2所示。

圖2 智能滅磁裝置原理圖Fig.2 The schematic diagram of intelligent de-excitation device

智能滅磁裝置原理為:滅磁開(kāi)關(guān)主觸頭FMK斷開(kāi)，滅磁開(kāi)關(guān)輔助觸頭FMK－1 閉合，滅磁過(guò)程開(kāi)始，由滅磁電阻和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子WF 形成滅磁回路進(jìn)行滅磁。智能滅磁電阻由R1 和R2 兩級(jí)線性電阻構(gòu)成，其中二級(jí)電阻R2 由智能控制裝置控制切除和介入。滅磁回路方程由式(5)、(6)所示。

式中:if0為初始滅磁電流;ifx為R1、R2 串聯(lián)滅磁時(shí)根據(jù)同步電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大、中型同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)要求算出的最大允許滅磁電流值，并根據(jù)滅磁電流最大值來(lái)確定滅磁電阻R1 和R2 的阻值配置［7－8］。

當(dāng)滅磁初始電流if0＜ifx時(shí)，滅磁電流較小，為了實(shí)現(xiàn)快速滅磁，兩級(jí)線性電阻R1、R2 同時(shí)接入滅磁回路中，不需要分級(jí)。當(dāng)滅磁初始電流if0≥ifx時(shí)，在滿(mǎn)足勵(lì)磁電流if＞Ib條件時(shí)，由智能控制裝置產(chǎn)生一個(gè)GTO 導(dǎo)通信號(hào)，將二級(jí)滅磁電阻R2短路，此時(shí)僅有一級(jí)滅磁電阻R1 接入滅磁回路中，隨著電流的逐漸衰減，當(dāng)滿(mǎn)足if≤Ib時(shí)，勵(lì)磁電流dif達(dá)到斜率變化最大處條件時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)GTO 關(guān)斷信號(hào)，瞬時(shí)接入二級(jí)滅磁電阻R2，此時(shí)一級(jí)滅磁電阻R1 和二級(jí)滅磁電阻R2 串聯(lián)共同承擔(dān)滅磁任務(wù)。由式(6)可推導(dǎo)出

滅磁過(guò)程開(kāi)始時(shí)刻先將一級(jí)線性電阻R1 接入到滅磁回路中，通過(guò)計(jì)算勵(lì)磁電流的衰減特性，得到曲線的斜率變化方程，當(dāng)勵(lì)磁電流衰減到斜率變化最大處的時(shí)刻，立即由控制芯片產(chǎn)生GTO驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，將二級(jí)線性電阻R2 接入到滅磁回路中，以實(shí)現(xiàn)安全快速滅磁。

2 智能滅磁的軟硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

硬件系統(tǒng)采用dsPIC30F 系列的一款芯片dsPIC6014A，該芯片不僅擁有豐富的外設(shè)資源，而且具有高速的數(shù)字信號(hào)處理模塊。智能滅磁裝置的硬件設(shè)計(jì)圖如圖3所示，其中虛線框內(nèi)為智 能 控 制 裝 置 部 分。 控 制 芯 片dsPIC30F6014A 通過(guò)綜合分析采集回來(lái)的滅磁開(kāi)關(guān)狀態(tài)、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)以及勵(lì)磁電流，確定二級(jí)電阻R2 的介入時(shí)刻，并在介入時(shí)刻輸出控制信號(hào)控制門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GTO 關(guān)斷或?qū)▽?shí)現(xiàn)二級(jí)電阻的介入［9－10］。

軟件設(shè)計(jì)采用dsPIC 的MPLAB.C30 編譯器作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它完全兼容ANSIC 編譯器，支持dsPIC 結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，并能提供出色的硬件支持。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。

圖3 智能滅磁裝置硬件設(shè)計(jì)Fig.3 The hardware design of intelligent de-excitation device

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.4 The software flow chart of the system

3 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證智能組合線性滅磁方案的可行性以及優(yōu)越性，對(duì)傳統(tǒng)滅磁方式(線性電阻滅磁、ZnO非線性電阻滅磁、SiC 非線性電阻滅磁)和智能滅磁方式在相同工況下分別進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。

3.1 仿真參數(shù)

現(xiàn)以三峽左岸水電廠700 MW 水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)為依據(jù)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。主要數(shù)據(jù)如表1所示。阻滅磁、SiC 非線性電阻滅磁和智能組合線性滅磁分別進(jìn)行了仿真試驗(yàn)［12－13］。由于篇幅所限，僅給出智能組合線性滅磁仿真SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

表1 三峽左岸水電廠700 MW 水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)Tab.1 The generator parameters of the Three Gorges’700 MW hydroelectric generating set

表中:PN為額定功率;UN為額定電壓;n 為額定轉(zhuǎn)速;cosφ 為額定功率因數(shù);IN為額定勵(lì)磁電流;rf為轉(zhuǎn)子電阻;Lf為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)自感;U0為空載勵(lì)磁電壓;U′N(xiāo)為額定勵(lì)磁電壓;Ta定子繞組時(shí)間常數(shù);Lfs磁場(chǎng)繞組漏感;I0為空載勵(lì)磁電流;Td0為d軸開(kāi)路暫態(tài)時(shí)間常數(shù);Xd為d 軸同步電抗;X′d為d 軸瞬變電抗;X″d為d 軸超瞬變電抗;T′d為d 軸短路暫態(tài)時(shí)間常數(shù)。核定一級(jí)線性電阻R1 為0.480 5 Ω，二級(jí)線性電阻R2 為1.258 Ω，假定if0= 4 704 A，計(jì)算得出ifx= 1 935.696 A。對(duì)于ZnO 非線性電阻而言，Ux= kiα，α 取0.046，當(dāng)額定勵(lì)磁電流為4 158A 時(shí)的滅磁反壓取2 kV 時(shí)，k=136 3。同樣，對(duì)SiC 而言，當(dāng)α 取0.36 時(shí)，k =99.6［11］。

3.2 MATLAB 仿真模型的建立和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上設(shè)計(jì)和已經(jīng)推導(dǎo)出的滅磁回路方程數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB 的SIMULINK 仿真工具搭建仿真結(jié)構(gòu)圖，對(duì)線性電阻滅磁、ZnO 非線性電

圖5 智能組合線性滅磁仿真SIMULINK 結(jié)構(gòu)圖Fig.5 The SIMULINK structure diagram of intelligent de-excitation device with linear resistor combination

圖6 四組滅磁仿真結(jié)果Fig.6 Four groups of simulation results

滅磁仿真結(jié)果如圖6所示。圖中初始勵(lì)磁電流if0=4 704 A，滅磁過(guò)程均從第2 s 開(kāi)始，當(dāng)采用純線性電阻滅磁電路滅磁時(shí)，如圖6(a)所示，勵(lì)磁電流在第12 s 時(shí)僅下降至677A，滅磁過(guò)程仍未結(jié)束。圖6(b)為ZnO 非線性電阻滅磁，第7.8 s滅磁基本結(jié)束。圖6(c)為SiC 非線性電阻滅磁，第11.4 s 滅磁基本結(jié)束。圖6(d)為線性電阻組合滅磁，第7.6 s 滅磁基本結(jié)束。

由以上仿真結(jié)果可知，利用線性電阻的恰當(dāng)組合，完全可以達(dá)到甚至優(yōu)于非線性電阻快速滅磁的效果。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大中型機(jī)組一般優(yōu)先考慮滅磁的快速性，選用非線性電阻滅磁。在小型機(jī)組上，基于經(jīng)濟(jì)性考慮，一般犧牲快速性而選擇線性電阻滅磁。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，非線性電阻，尤其是ZnO 電阻的電特性易受使用條件影響產(chǎn)生變化而且易爆，安全性和可靠性較差。盡管SiC 電阻相對(duì)安全，但因?yàn)閮r(jià)格昂貴影響其廣泛使用。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)滅磁方式在安全性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性上難以得到兼顧，而線性電阻智能組合滅磁可以很好地解決以上矛盾。傳統(tǒng)滅磁方式和智能組合線性電阻滅磁方式的各自特點(diǎn)和優(yōu)劣比對(duì)如表2所示［14－16］。

表2 4 種滅磁方法對(duì)比Tab.2 Comparison of four kinds of de-excitation method

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)滅磁方式的不足，本文提出了一種同步發(fā)電機(jī)線性電阻組合智能滅磁方案。該方案利用計(jì)算機(jī)智能技術(shù)，能夠根據(jù)機(jī)組實(shí)際工況和滅磁過(guò)程中勵(lì)磁電流的大小，適時(shí)驅(qū)動(dòng)可關(guān)斷晶閘管GTO 使得二級(jí)線性電阻介入，進(jìn)而達(dá)到快速滅磁的目的。通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)滅磁過(guò)程和智能滅磁過(guò)程中的勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流的變化曲線和滅磁時(shí)間仿真結(jié)果比對(duì)，驗(yàn)證了該方案性能的優(yōu)越性，使得滅磁的快速性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性得到了兼顧，為大型同步發(fā)電機(jī)滅磁提供了一套高性?xún)r(jià)比、經(jīng)濟(jì)、可靠的技術(shù)方案。

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