周吉琦 蘇家財(cái) 吳 龍

（南京南瑞繼保電氣有限公司，南京 211102）

0 引言

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電廠(chǎng)最重要的輔機(jī)之一，勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠運(yùn)行直接關(guān)系到發(fā)電機(jī)及發(fā)電廠(chǎng)乃至電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷提高，600MW、1 000MW及1 000MW以上容量發(fā)電機(jī)逐漸成為電力系統(tǒng)中的主力機(jī)組。在主力機(jī)組中，自并勵(lì)靜止勵(lì)磁方式是主要?jiǎng)?lì)磁方式。在自并勵(lì)靜止勵(lì)磁系統(tǒng)中，勵(lì)磁整流裝置承擔(dān)勵(lì)磁電流供應(yīng)任務(wù)，采用多個(gè)晶閘管整流分支并聯(lián)運(yùn)行的方式。勵(lì)磁整流裝置功率與機(jī)組容量密切相關(guān)，發(fā)電機(jī)容量越大，勵(lì)磁電流越大，整流裝置功率越大，整流分支就越多，如600MW機(jī)組采用至少4分支并聯(lián)、1 000MW機(jī)組采用至少5分支并聯(lián)、1 000MW以上機(jī)組采用多達(dá)8分支并聯(lián)[2]。

隨著晶閘管整流分支增多，各整流分支運(yùn)行中輸出電流的均衡性不可避免地出現(xiàn)惡化趨勢(shì)，尤其是汽輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)中，整流裝置交流側(cè)和直流側(cè)普遍采用共箱匯流母線(xiàn)方式，各整流分支的均衡條件更加惡劣，各個(gè)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(lì)磁系統(tǒng)中并聯(lián)運(yùn)行的多個(gè)整流分支輸出電流出現(xiàn)較大差異而降低整流系統(tǒng)的整體安全裕度，成為各發(fā)電廠(chǎng)運(yùn)維技術(shù)人員關(guān)注的問(wèn)題，因此，各整流分支輸出電流均衡性成為勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行中的重要指標(biāo)參數(shù)。本文主要介紹衡量勵(lì)磁系統(tǒng)整流分支輸出電流均衡性能的特征參數(shù)和多種傳統(tǒng)均流技術(shù)及其局限性，提出一種新型均流系數(shù)控制技術(shù)（動(dòng)態(tài)均流）并闡述其工作原理及技術(shù)特點(diǎn)，最后以一個(gè)實(shí)際工程案例對(duì)動(dòng)態(tài)均流技術(shù)應(yīng)用效果進(jìn)行說(shuō)明。

1 整流裝置均流性能指標(biāo)

1.1 均流系數(shù)及其意義

隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的增加，勵(lì)磁電流也相應(yīng)增大，而由于晶閘管器件技術(shù)參數(shù)的限制，中大型發(fā)電機(jī)磁場(chǎng)繞組額定勵(lì)磁電流均超過(guò)單個(gè)整流分支額定輸出電流?？紤]運(yùn)行冗余度的要求和發(fā)電機(jī)強(qiáng)勵(lì)輸出的要求，勵(lì)磁系統(tǒng)采用多整流支路并列運(yùn)行的方式。大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁整流分支多，整流器件數(shù)量眾多，由于各個(gè)整流器件電氣參數(shù)的分散性和各整流分支回路之間的差異性，并列運(yùn)行的各支路輸出電流不可避免存在差別，有些電氣參數(shù)與輸出電流呈非線(xiàn)性特性，于是均流系數(shù)的概念被提出，用以反映勵(lì)磁系統(tǒng)并列運(yùn)行各整流支路輸出電流的分布均衡特性[3]。勵(lì)磁行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 843—2010《大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》和DL/T 583—2018《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》定義勵(lì)磁整流裝置的均流系數(shù)為“功率整流裝置并聯(lián)運(yùn)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(shù)；n為整流裝置運(yùn)行整流分支數(shù)量；Ii為第i個(gè)整流分支輸出的電流；Imax為最大分支電流。所有運(yùn)行整流分支輸出電流之和即為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，均流系數(shù)也可表示為

式中，If為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。

同樣地，對(duì)于特定的勵(lì)磁系統(tǒng)，當(dāng)各整流分支額定勵(lì)磁電流確定后，勵(lì)磁裝置的裕度系數(shù)由所有整流分支最小裕度系數(shù)決定，即為輸出電流最大的分支的電流裕度系數(shù)。勵(lì)磁裝置的裕度系數(shù)與均流系數(shù)和勵(lì)磁電流相關(guān)，有

式中：IN為整流分支額定電流；λ為電流裕度系數(shù)。

由式（3）可知，均流系數(shù)越大，整流裝置均流性能越好，各并列運(yùn)行整流支路之間電流均衡性越優(yōu)，勵(lì)磁整流裝置安全裕度系數(shù)越大；相反，如果一個(gè)或一些支路輸出的電流小，導(dǎo)致并列運(yùn)行的某個(gè)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(huì)降低，即輸出電流安全裕度會(huì)降低，從而影響勵(lì)磁整流裝置及勵(lì)磁系統(tǒng)的安全裕度。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DLT 843—2010《大型汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》中規(guī)定“功率整流裝置的均流系數(shù)應(yīng)不小于0.9”[4,6]，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 583—2018《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》中規(guī)定“在發(fā)電機(jī)額定工況時(shí)，并聯(lián)整流橋的均流系數(shù)不應(yīng)低于0.9；在空載額定時(shí)，并聯(lián)整流橋的均流系數(shù)不應(yīng)低于0.85”[5]。

1.2 補(bǔ)償型均流方法

勵(lì)磁系統(tǒng)中并列運(yùn)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(shù)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(nèi)阻之間的均衡性、晶閘管導(dǎo)通特性和脈沖觸發(fā)的同步性。整流電壓源內(nèi)阻包括晶閘管導(dǎo)通伏安特性、整流分支連接導(dǎo)體電阻和交流側(cè)各相導(dǎo)體的電抗（自感抗和互感抗）。增加均流系數(shù)，最直接的方法就是降低各整流分支內(nèi)阻抗、觸發(fā)導(dǎo)通特性和觸發(fā)脈沖時(shí)延等的差異性。傳統(tǒng)型均流方法是針對(duì)影響均衡性的不同因素，采用補(bǔ)償措施降低其差異性來(lái)實(shí)現(xiàn)，可稱(chēng)為補(bǔ)償型均流技術(shù)，主要包括：

1）器件參數(shù)匹配法。整流橋采用的晶閘管器件參數(shù)一致性最為關(guān)鍵，原則上各支路的組成器件應(yīng)該盡量采用同一批次產(chǎn)品，其指標(biāo)參數(shù)（晶閘管導(dǎo)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(zhǎng)度調(diào)節(jié)法。各整流支路采用獨(dú)立的交流輸入電纜，相當(dāng)于增加整流分支的交流內(nèi)阻抗，交流輸入接等長(zhǎng)度電纜，電纜長(zhǎng)度反映進(jìn)線(xiàn)阻抗，進(jìn)線(xiàn)阻抗一致，整體阻抗增加，有助于降低差異阻抗對(duì)整體阻抗的影響，從而增加整流分支內(nèi)阻抗的均衡性[7]。

3）均流磁環(huán)匹配法。對(duì)于各整流分支在交流側(cè)和直流側(cè)采用匯流母排連接的勵(lì)磁系統(tǒng)，無(wú)法改變整流分支內(nèi)部母排長(zhǎng)度，可以在銅母排上套裝磁環(huán)或串聯(lián)電抗，根據(jù)整流分支的位置采用不同的磁環(huán)，利用磁環(huán)電抗補(bǔ)償銅母排的阻抗差異，以降低內(nèi)阻抗的差異性，提高均衡性。

4）主回路設(shè)計(jì)法。對(duì)于交流側(cè)和直流側(cè)采用匯流排連接的勵(lì)磁系統(tǒng)，可以設(shè)計(jì)交流進(jìn)線(xiàn)位置在各個(gè)整流分支的中間位置，降低各整流分支連接導(dǎo)體長(zhǎng)度的差異性。

5）強(qiáng)觸發(fā)脈沖。晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間與觸發(fā)電流密切相關(guān)，觸發(fā)電流越大，導(dǎo)通時(shí)間越小，在晶閘管安全范圍內(nèi)采用強(qiáng)觸發(fā)脈沖，減小導(dǎo)通時(shí)間，可以降低晶閘管導(dǎo)通特性和脈沖時(shí)延的差異性對(duì)整流裝置均流系數(shù)的影響[8]。

從工作原理分析和工程應(yīng)用結(jié)果可知，上述均流方法都是以補(bǔ)償為手段，其共同的特點(diǎn)是預(yù)先設(shè)計(jì)且不可變更，均是在勵(lì)磁系統(tǒng)制造及設(shè)計(jì)過(guò)程中確定方案及電氣參數(shù)。但由于晶閘管導(dǎo)通伏安特性的非線(xiàn)性特點(diǎn)，以及磁環(huán)或電抗的飽和非線(xiàn)性特征，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)狀態(tài)不同，輸出電流不同，其總內(nèi)阻特性也呈非線(xiàn)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(shù)不斷變化[9]，以補(bǔ)償為手段的均流技術(shù)難以保證在各種工況下均流系數(shù)的一致性，這也反映在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 583—2018《大中型水輪發(fā)電機(jī)靜止整流勵(lì)磁系統(tǒng)技術(shù)條件》[5]中規(guī)定不同工況下的均流系數(shù)有不同的要求。

2 動(dòng)態(tài)均流技術(shù)

2.1 動(dòng)態(tài)均流技術(shù)的定義

如前分析，以補(bǔ)償為手段的均流技術(shù)通過(guò)調(diào)整各并聯(lián)整流支路內(nèi)部阻抗達(dá)到提高均流系數(shù)的目的。在中小型機(jī)組中，并聯(lián)支路較少的情況下，各支路內(nèi)阻抗差異也較小，應(yīng)用補(bǔ)償型均流技術(shù)的整流裝置，其均流系數(shù)基本可以滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求和勵(lì)磁系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求。但對(duì)于大型發(fā)電機(jī)組，整流分支較多，各支路內(nèi)阻抗差異性也較大，單純靠補(bǔ)償型均流技術(shù)校正整流分支阻抗差異難度非常大，而且補(bǔ)償型均流技術(shù)適用范圍受工程條件約束較多，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用復(fù)雜。實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，補(bǔ)償型均流技術(shù)調(diào)校時(shí)大多對(duì)應(yīng)于發(fā)電機(jī)某個(gè)工況，而發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，勵(lì)磁電流變化范圍較寬，勵(lì)磁功率整流器內(nèi)阻抗隨電流呈非線(xiàn)性特性，在工況變化時(shí)補(bǔ)償型均流技術(shù)難以保證勵(lì)磁系統(tǒng)均流系數(shù)全范圍內(nèi)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。

事實(shí)上，除了通過(guò)改變整流分支內(nèi)阻抗來(lái)改變輸出電流均衡性外，還可以通過(guò)改變整流分支輸出電壓來(lái)改變輸出電流。整流分支輸出電壓由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器或功率柜內(nèi)部的移相電路決定，即主動(dòng)改變整流分支觸發(fā)脈沖時(shí)延，反向利用脈沖時(shí)延差異性對(duì)均衡性的影響，調(diào)整各分支的實(shí)際導(dǎo)通時(shí)間，從而改變各分支輸出的電流，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償整流橋內(nèi)阻抗的非線(xiàn)性特性，提高均流系數(shù)的目的。脈沖時(shí)延調(diào)整可通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn)，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)整流裝置的均流系數(shù)，以規(guī)定均流系數(shù)為目標(biāo)，計(jì)算整流裝置觸發(fā)脈沖角度偏移值，動(dòng)態(tài)調(diào)整各分支輸出電流的均衡性能，達(dá)到勵(lì)磁系統(tǒng)均流系數(shù)全范圍滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求和安全性能要求的目標(biāo)。這種通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量整流分支電流，按照均流系數(shù)的要求，實(shí)時(shí)調(diào)整整流分支輸出電流的均衡性，解決由于發(fā)電機(jī)工況變化時(shí)，整流橋內(nèi)阻抗非線(xiàn)性帶來(lái)的均流特性差異問(wèn)題的方法，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)均流調(diào)節(jié)技術(shù)。

2.2 動(dòng)態(tài)均流調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法和條件

1）完全獨(dú)立的分布式脈沖控制裝置

動(dòng)態(tài)均流調(diào)節(jié)技術(shù)以調(diào)節(jié)為基礎(chǔ)，即需要根據(jù)各個(gè)分支的電流大小來(lái)獨(dú)立調(diào)整某一分支（或某一只晶閘管）的觸發(fā)脈沖角度偏移量，這樣實(shí)際運(yùn)行中，可能每一個(gè)分支（或每一只晶閘管）的觸發(fā)脈沖角度都不相同，因此需要每一個(gè)分支（或每一只晶閘管）的觸發(fā)脈沖都能獨(dú)立生成，要求每個(gè)分支配置獨(dú)立的脈沖生成裝置，即各支路的脈沖信號(hào)不能采用傳統(tǒng)的并聯(lián)方式，而是采用“一個(gè)分支對(duì)應(yīng)一套脈沖移相回路”的配置，使每個(gè)整流分支中每只晶閘管的脈沖觸發(fā)延遲角均能獨(dú)立調(diào)整。實(shí)際運(yùn)行中，每個(gè)觸發(fā)脈沖的角度來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：一個(gè)是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器根據(jù)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁需要計(jì)算出的觸發(fā)延遲角α（主觸發(fā)延遲角）；另一個(gè)是動(dòng)態(tài)均流裝置根據(jù)均流系數(shù)的要求計(jì)算出的觸發(fā)延遲角偏移值Δα（動(dòng)態(tài)均流角），它們的和是最終的觸發(fā)延遲角。動(dòng)態(tài)均流工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)均流工作原理示意圖

2）實(shí)時(shí)測(cè)量整流分支（或晶閘管）電流

均流控制裝置只有檢測(cè)到各支路的電流大小后 才能實(shí)時(shí)計(jì)算勵(lì)磁整流裝置的均流系數(shù)，從而確定各支路觸發(fā)脈沖角度偏移值，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，故需要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)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(jìn)行采樣，可以采用分流器或霍爾傳感器進(jìn)行采樣[10]?？紤]到磁場(chǎng)干擾和絕緣耐壓，宜采用分流器和變送器進(jìn)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(guò)變送器將分流器信號(hào)變換成4～20mA信號(hào)，通過(guò)均流控制裝置采樣即可實(shí)時(shí)測(cè)量各支路（或晶閘管）電流。

3）計(jì)算整流分支（或晶閘管）動(dòng)態(tài)均流角

圖1中各個(gè)整流分支均獨(dú)立進(jìn)行動(dòng)態(tài)均流計(jì)算，各整流分支控制裝置一方面測(cè)量自身分支輸出電流；另一方面通過(guò)整流裝置系統(tǒng)通信獲得整流裝置所有分支輸出電流，實(shí)時(shí)計(jì)算整流裝置均流系數(shù)。根據(jù)設(shè)定的均流系數(shù)目標(biāo)值和整流裝置電流分布情況，通過(guò)PI計(jì)算達(dá)到目標(biāo)值需要調(diào)整的觸發(fā)延遲角偏移值。動(dòng)態(tài)均流偏移角計(jì)算模型框圖如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)均流偏移角計(jì)算模型框圖

圖2中，η為實(shí)時(shí)均流系數(shù)，ηref為均流系數(shù)目標(biāo)值，Im為第m個(gè)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(jì)算模型的比例系數(shù)和積分系數(shù)，Δαmax為模型輸出限幅值，Δαm為第m個(gè)分支動(dòng)態(tài)均流觸發(fā)延遲角偏移值。

均流調(diào)節(jié)過(guò)程為：首先計(jì)算實(shí)時(shí)均流系數(shù)，將均流系數(shù)與目標(biāo)值比較，當(dāng)均流系數(shù)大于或等于目標(biāo)值，則模型計(jì)算輸入為0，保持原值不變；當(dāng)均流系數(shù)小于目標(biāo)值后，模型輸入切換為電流測(cè)量值與電流平均值的差值，按PI計(jì)算動(dòng)態(tài)均流觸發(fā)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(dòng)態(tài)均流調(diào)節(jié)模型參數(shù)整定遵循：模型比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki取小值，防止均流變化過(guò)快影響勵(lì)磁調(diào)節(jié)器正常暫態(tài)調(diào)節(jié)；模型輸入限幅設(shè)定在額定勵(lì)磁電流IfN下整流橋平均電流的0.05倍，即

模型輸出限幅設(shè)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(shè)置為1°左右，即每個(gè)晶閘管的動(dòng)態(tài)均流角度偏差絕對(duì)值不大于1°，晶閘管間導(dǎo)通角差異較小，防止晶閘管間環(huán)流及由于回路故障導(dǎo)致動(dòng)態(tài)均流出現(xiàn)偏差。

3 動(dòng)態(tài)均流技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

南瑞繼保PCS—9400勵(lì)磁系統(tǒng)以各整流分支輸出電流獨(dú)立測(cè)量和分布式觸發(fā)控制裝置為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)全范圍動(dòng)態(tài)均流，均流系數(shù)目標(biāo)可由定值整定，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種型式（自并勵(lì)、無(wú)刷勵(lì)磁、三機(jī)勵(lì)磁等）、各種容量（10～1 000MW）發(fā)電機(jī)勵(lì)磁工程。下面以某電廠(chǎng)300MW自并勵(lì)機(jī)組為例，介紹動(dòng)態(tài)均流技術(shù)的應(yīng)用效果。該勵(lì)磁系統(tǒng)包括1面勵(lì)磁調(diào)節(jié)柜、1面交流進(jìn)線(xiàn)柜、3面整流柜和2面滅磁柜，各柜排列如圖3所示，交流進(jìn)線(xiàn)柜、整流柜和滅磁柜之間采用匯流母排方式，每個(gè)整流柜配置1臺(tái)PCS—9425智能測(cè)控裝置，具有獨(dú)立控制整流橋輸出和動(dòng)態(tài)均流功能。

圖3 勵(lì)磁系統(tǒng)布置

通過(guò)靜態(tài)驗(yàn)證與計(jì)算，校準(zhǔn)每個(gè)支路均流變送器的采樣，整定合適的比例、積分系數(shù)Kp和Ki、模型輸入和輸出限幅值，目標(biāo)均流系數(shù)設(shè)置為0.95。機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后，記錄不同負(fù)荷下在不投及投入動(dòng)態(tài)均流裝置情況下每個(gè)晶閘管電流見(jiàn)表1。

通過(guò)計(jì)算可知，不投入動(dòng)態(tài)均流裝置時(shí)，表1中兩種工況下正極均流系數(shù)分別為0.857和0.854，負(fù)極均流系數(shù)分別為0.851和0.853，均流系數(shù)達(dá)不到DL/T 843—2010規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)；投入動(dòng)態(tài)均流裝置情況下，兩種工況下正、負(fù)極均流系數(shù)均為0.95，超過(guò)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]的規(guī)定值（0.9），均流效果明顯。

表1 不同工況下晶閘管電流

4 結(jié)論

在大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中，不同整流柜之間的自然均流有較大差別，補(bǔ)償型均流方法有較大局限性。動(dòng)態(tài)均流技術(shù)通過(guò)實(shí)時(shí)采集各支路輸出電流、計(jì)算均流角度、對(duì)每個(gè)晶閘管發(fā)送不同角度觸發(fā)脈沖達(dá)到了對(duì)并列整流橋運(yùn)行電流的均衡調(diào)整，提高了機(jī)組運(yùn)行中的均流系數(shù)，實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)均流的功能，對(duì)于解決電流不平衡導(dǎo)致的整流柜局部發(fā)熱、延長(zhǎng)晶閘管壽命具有重要作用，目前，動(dòng)態(tài)均流技術(shù)已經(jīng)在大中型機(jī)組中獲得了廣泛應(yīng)用。