自并励发电机励磁的单周期控制

1、自并励发电机励磁的单周期控制陈贤明 吕宏水 王伟 朱晓东(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司,江苏省南京市 210003摘要:近年来,用于脉宽调制(PWM的单周期控制,因结构紧凑、所用元器件少和具有快速性,已得到广泛重视、应用,文献2探讨了单周期控制在中小型发电机励磁上应用的可能性,利用了直流励磁机的直流电压或单相交流电压作励磁电源,成功地仿真了发电机励磁在单周期控制下的工作情况,当前为提高对发电机励磁的可靠性,自并励发电机用得较多,文中探讨了单周期控制在自并励发电机上的应用并进行了Simulink 仿真,证明是可行的。关键词: 单周期控制,发电机,自并励励磁,仿真0 前言近年来发电机励磁技

2、术的发展,由过去的模拟式励磁,发展到数字式(或称微计算机型励磁,各种限制、保护性能齐全,包括电力系统稳定器等,完全能满足当代大型,如700 MW 水轮发电机和1000 MW 汽轮发电机的励磁要求,比较完善,特别是对大型发电机来讲,这样做完全是必要的,但对10 MW 及以下的中小型发电机,用上述数字式励磁,有些大材小用,许多功能用不上,并且价格上也偏贵,反过来仍用模拟式励磁,用晶闸管励磁,要有同步电路,触发电路板等,用的元器件较多,也影响运行的可靠性,文献2探讨了一种用很少元器件的单周期控制模拟电路,来实现对中小型发电机的励磁控制。自并励励磁系统由于所用设备少,无需外部励磁电源,可靠性高,己广泛

3、用于发电机励磁,为此,本文探讨了用单周期控制发电机自并励的可能,并成功地进行了仿真,得出了有用的结果。上世纪90年代初,由华人学者Keyue Ma Semdley提出的基于Buck电路的单周期控制(One cyclecontrol1方法,它是一种新型非线性大信号的脉宽调制(PWM控制,由于该方法有控制速度快,控制电路简单,成本低,己引起广大业内人士的重视,开始在整流器的功率因数校正(PFC,有源电力滤波器(APF,并网逆变器(或换流器等上应用,并且有关厂家也推出了OCC的芯片。随着石油等资源的日益匮乏,各种可再生能源的开发愈来愈受到重视,应该说除了开发大的水力资源外,今后也要充分利用和开发中小

4、水力资源,显然中小型的水力发电设备在今后必将会获得发展,对励磁利用单周期控制,可大大降低中小型发电机励磁设备的成本,因为比较简单,可靠性就高,再加上它的反应快,动态性能好,这就是为什么引起作者的重视。本文探讨的自并励发电机励磁的单周期控制,励磁不用外部电源,而是从发电机机端的励磁变压器获取,经二极管整流桥整流,利用单周期控制的可调斩波来控制励磁电压和电流。单周期控制可分为4类,即A:恒频PWM,B:恒导通时间,C:恒截止时间,D:变化开关时间。实际中是以恒频,即恒开关周期的控制用得多,其它三类控制产生的开关周期的谐波,比较难以消除。因此被广泛采用的是恒开关周期的单周期控制。1 恒频单周期控制B

5、uck 电路的原理恒频PWM开关单周期控制原理如图1所示,假定开关SW以开关频率fs=1/Ts,开关函数k(t工作<<<<=Tst (Ton 0Ton t 0( 1t (k 图1 恒频PWM 单周期控制原理图(1式中Ton 为每周期开关导通时间,Ts 为开关周期,显然每周期开关关断时间Toff=Ts-Ton 占空比d 是开关导通时间和开关周期的比:d=Ton/Ts,它是由图1上的参考信号Vref 调制。由此可看出开关SW 的输入量x(t和输出量y(t的关系为:y(t=k(tx(t(2开关SW 一旦由时钟脉冲clock 接通,积分器也开始工作,当积分值Vint 大於比较器

6、另一输入Vref RS 触发器复位,其Q 端输出变为”0”,开关SW 关断,积分器复位,一个开关周期结束,直到下1亇时钟脉冲來到。假设开关频率远大於输入信号x(t频率,可认为在一个开关周期内x(t为常数,则y(t的平均值为:t (d t (x dt T 1x(tdt t (x Ts 1t (y Ton 0S Ton0=(3单周期控制的本质是通过控制占空比d(t,使得x(t在每周期的导通时间Ton 内的积分等于参考量ref(t在一个开关周期的积分Vref,亦即t (y dt t (ref Vref Ts0= 从而使每个开关周期中,开关输出量的平均值y(t等于参考量ref(t的平均值。2 自并励发

7、电机单周期控制原理图2 为自并励发电机单周期控制原理图,发电机磁场部分除了磁场开关FB、灭磁电阻R 外,还有续流二极管D,单周期控制用的开关SW,这里选用了电力电子元件IGBT,按照实际需要也可选用GTO,IGCT,IEGT 等元件。可以看出上述电路也属于降压的Buck 电路。 图2 自并励发电机单周期控制原理图通常中小型发电机励磁的主要任务是维持发电机机端电压恒定,以及在并网运行时,能合理自动调节元功,图2中Ug±QC 单元是用于端电压测量和无功调节(调差,单周期控制器OCC 主要元件如图1所示,因为供电是交流,则需增加二极管整流桥,此外为保证足够的调节精度,除了OCC SG 同步

8、发电机FB 磁场开关R 灭磁电阻D 续流二极管POWER 励磁电源由单相励磁变压器EPT 供给,开关SW(IGBT,OCC 单周期控制器Ug±QC 端电压测量和无功补偿(调差单元外,还应增加PID 调节器。可以看出,采用上述单周期控制的方法,只用一只主要功率控制元件,也只需一亇控制输出信号,显然能做到用尽量少的元器件。本文拟通过用单周期控制自并励发电机空载起励以及在空载状态下做+10%额定电压的阶跃来验证其调节性能。作者利用Matlab/Simulink 软件进行仿真。该软件提供了电气设备的工具箱SimPowerSystem,有着丰富元器件,包括各类电机,电力电子器件,电源等等。考虑

9、到其中的同步发电机模型不够完善,比如关于空载特牲的非线性等,本文采用了由d,q 坐标轴下Park 方程出发构成的Simulink 模型,但是在单周期控制方面直接采用SimPowerSystem 中的器件,显然两者之间,需适当配合才能得出应有的结果。3 同步发电机数学模型3.1 同步发电机在d,q 坐标轴内的 Park 微分方程组的表示如下:电压方程:定子: d q d d ri p p U = (1q d q q ri p p U += (2磁场: f f f f p r i U += (3 阻尼绕组: d d d p i r 1110+= (4 q q q p i r 1110+= (5 磁

10、链方程:定子: d ad f ad d d d i L i L i L 1+= (6q aq q q q i L i L 1+= (7磁场: d ad f f d ad f i L i L i L 1+= (8 阻尼绕组:d d f ad d ad d i L i L i L 1111+= (9q q q aq q i L i L 1111+= (10如果只考虑发电机空载,则有 i d= i q =0 此外由于q 轴阻尼绕组无外加电压或感应电压 i 1q =0 .同时假定发电机运行在同步速,则有p=1. 将磁链方程代入电压方程,可得下述方程组:(1d ad f ad d i L i L S U

11、 += (11d ad f ad q i L i L U 1+= (12(1f f d ad f f f i L i L S i r U += (13(01111d d f ad d d i L i L S i r += (14q q q q i SL i r 11110+= (15其中S=d/dt 方程 (11 到 (14 是同步发电机空载下的方程,显然也可适用于发电机建压和端电压阶跃研究3.2 为在仿真计算中便于计及空载特性的非线性,采用了文献3 推荐的表达式:如i f <= Ib 则: Uo=L f i (16 如f i >Ib 则 Uo=(M*f i /(N+f i (17

12、 其中Uo ,i f 均为空载特性的标幺值, Ib 是上述2个函数交点的励磁电流。如果实际的空载特性己知,就可用试凑法逐步确定合适的系数 L, M, N。使替代空载特性U 0 和实际空载特性U 0 的误差很小,在工程中完全允许应用。 对应于主磁链的直轴互感Lad当 i f <= Ib 则: Lad =L (18 当 i f >Ib 则 Lad =Uo /f i , 亦即,Lad =M/(N+f i (19 系数是用来求 Lad的实际值,亨利3.3 求解微分方程组的仿真文献2中较祥细介绍了解微分方程(11至(14和式(18,(19的Simulink 结构图。图3为对自并励发电机励磁在

13、单周期控制下,空载起励和做端电压阶跃试验的仿真总结构图 图3 自并励发电机空载、励磁单周期控制下仿真结构图它的子模块SGmdl 代表空载同步发电机,其端电压U0经励磁变压器EPT ,供电给励磁系统,这里PID1调节器输入为定子端电压Uo 的标幺值和参考值Ref ,在本仿真PID 采用分量法计祘,它的结构如图4所示,PID 的输出作为单周期控制器(OCC的Uref 输入,用以控制每个开关周期的占空比,从而迏到控制励磁的目的。注意由于自并励发电机起励过程中端电压,亦即EPT(变比0.028的输出电压是变化的,呈图4下部的形式 。其中ac V olt 代表端电压幅值。 图4 分量法PID计算流程及限

14、幅输出图3中开关Switch和Step用于实现自并励发电机空载起励时点火用,这里外部初励电压Uf0(13伏,持续一段时间(0.2”后切至自励系统。Step1用于发电机端电压的设定和做端电压阶跃试验的设定。 图5 单周期器控制(OCC模块结构图图3中的OCC模块代表单周期控制器,它的结构如图5示,应该指出图3的单元是用Simulink 工具箱中的,而OCC中的单元全都取自SimPowerSystem工具箱,有些信号两者是不能直接连接的。比如图5左上角用了可控电压源,使它能从端子ac V olt接受大小可变的单相交流电压幅值。图5代表了用单相交流电压作为励磁供电电源,经单相二极管整流桥Univer

15、sal Bridge整流后,经斩波开关SW(这里是IGBT,接到负载R,L上,后者大小分别与发电机磁场电阻和磁场电感相同,在R,L上的电压应该就是发电机磁场电压Uf,为与Simulink匹配,这亇Uf不能从R,L两端引出,要用电压测量单元引出。图5上D是续流二极管。OCC单元输出电压,在每亇开关周期都要由积分器 (integrator 1/S积分,然后在比较器上和Vref相比较,如果积分值大于Vref,比较器立即由”0”变”1”,使RS触发器复位,Q端变”0”,关断IGBT,与此同時!Q端由”0”变”1”,通过开关将积分器清零,直至下一个开关脉冲clk再次加到RS触发器的置位端S,再重复上述过

16、程。4 仿真实例某小型水轮发电机:额定功率Pn=400 Kw,额定电压Un=6300V, 额定功率因数cos=0.82009 全国水电自动化技术学术交流研讨会暨全国水电厂自动化技术信息网成立 30 周年纪念座谈会论文集 额定转速 750 转/分 Tdo=1.44s Xd=1.31 Xd=0.3 X=0.1 Xf=1.45 Td=0.33s 空载额定电压下，励磁电流 82.7 a 励磁电压 14.7V(15°C 额定励磁电流、电压 165a 42.8 v (130°C Xfs=1.45-1.21=0.24 Xad=1.31-0.1=1.21 rf(75=0.211 Lf=Td

17、o*rf=1.44*0.211=0.3038 Lfs=(0.24/1.45*0.3038=0.0503 H 空载特性 U0 0.53 1.0 1.23 1.3 If 0.488 1.0 1.8 2.45 U0 0.53 1.0 1.224 1.322 注：前 2 行为发电机实测空载特性，后 2 行为利用公式(16,(17所得的替代特性，L=1.086, M=1.7 ,N=0.7 可 看出，两者误差很小 这里供电电源假定来自单相励磁变压器 EPT，发电机额定相电压为 6300/1.732=3637.V，变压 器变比取 0.028/1.414=0.0198,即 EPT 输出交流电压为 72v(注意

18、图 5 中 ac Volt 端子输入是电压幅值 自并励发电机空载起励时， 如果发电机剩磁不够， 就必需用初励点火， 本仿真中用初励 Uf0=13V(见 图 3持续 0.2”后再切换至自励，由于自励电压开始阶段较低，起励至额定电压时间较长，待稳 定后再作+10%额定的阶跃，从而观察励磁单周期控制的效果。PID 参数选用 Kp=100,Ki=2,Kd=10。 另外 PID 调节输出，即 Vref 必须要限幅，如果太大，将失去调节作用。自并励发电机起励時， 供电电压是变化的，因此 Vref 的限幅也必需相应变化，附录中说明了选择限幅的方法。 另外一亇重要问题是开关频率，即 IGBT 工作频率，一般情

19、况下，希望选得高些，这样易于 消去因开关频率产生的谐波，动态性能更好，但是开关频率高，除非用零电压、零电流的软开关， 否则会损耗太大，本仿真采用了开关频率 200Hz，即开关周期 Ts=5ms，相当于每一开关周期对 应着 50 赫芝工频(单相全波整流1/2 正弦半波。如果励磁变压器和整流桥均是三相，开关频率宜 选用 300 或 600 赫芝。 图 6 是励磁在单周期控制下， 自并励发电机起励至额定电压和作+10%电压跃升试验的仿真结 果。图 6A 表示了发电机起励至额定的定子端电压 U0，稳定后於 t=2.5s 瞬刻，做+10%端电压跃 升试验，可以看出端电压上升开始较慢，到额定后和电压跃升后

20、都很稳定，超调小，动态性能良 好。图 6B 为励磁电压、电流 Uf，和 if，后者在稳定前略有过冲，属正常调节。 图 6C 为 PID 调节器输出 Uref，起励开始前一阶段和 t=2.5”电压跃升开始一直为限幅强励， 当电压稳定后进入正常调节。图 6D 表示了 d 轴阻尼绕组的电流 i1d，它的趋势是对抗磁场电流的 变化，总的看，其值较小起的作用不明显。图 6E 表示励磁变压器输出的单相交流正弦电压 Uac 及电流 iac，的波形，它们和发电机端电压 U0 成正比变化。图 6F 为 OCC 模块中的整流桥输出直 流电压波形某一段的展开。考虑到图 6B 中励磁电压波形密集，难以观察清楚，为此在

21、图 6G 中把 Uf 的波形在不同时段加以展开，可看出起励阶段波形为全开放。中间阶段代表端电压稳定后的调 节波形，后面代表了电压跃升和进入新的稳定的调节波形。 6 自并励发电机励磁的单周期控制 陈贤明 等 （a） （b） （c） （d） （e） （f） （g） 7 2009 全国水电自动化技术学术交流研讨会暨全国水电厂自动化技术信息网成立 30 周年纪念座谈会论文集 图 6 在励磁单周期控制下，自并励发电机空载起励至额定电压，在 t=2.5”作+10%跃升试验仿 真结果节波形，后面代表了电压跃升和进入新的稳定的调节波形。 5 结论 通过本文的仿真说明自并励发电机，特别是中小型发电机励磁用单周期

22、控制是可行的，自并 励发电机励磁电源来自本机，不依赖外部电源，可靠性高，当发电机剩磁不足时，也只要求小容 量直流电源，短时充磁一下。 单周期控制线路简单，用的元器件少，如用了积分器，比较器，PID 调节器，实际只要一片 模拟式线性集成电路，再加 RS 触发器、脉冲发生器、电力电子器件(主开关及其驱动器，以及二 极管整流桥，此外还有端电压测量及调差单元。 本仿真中励磁变压器 EPT 采用的单相，整流桥也是单相的，如需采用三相，也是可以的，则 是在选用电力电子主开关的开关频率，应适当考虑。 参考文献 1 Smedley K M, Cuk S. “Onecycle control of switching converters” C. Power Electronics Specialist Conference Record of 22ed Annual IEEE, 1991: 888-896 2 陈贤明等 ”中小型发电机励磁的单周期控制” 水电自动化与大坝监测 2009 No.2 3 B.A.托尔文斯基”同步发电机通用空载特性及其分析表达式”前苏联<<电力工厂论文集>>