一种智能控制励磁可控硅整流桥出力的方法

摘要

一种智能控制励磁可控硅整流桥出力的方法，包括如下步骤：1.采集并联运行整流桥的各可控硅电流；2.将采集数据传送至励磁调节器；3.励磁调节器的数字均流模块对传送来的数据进行逻辑判断和运算，得出实现均流的各可控硅触发脉冲角度延迟数据；4.调节器发出触发脉冲角度延迟的处理指令，控制各可控硅的触发脉冲角度延迟，以此来控制各整流桥和各可控硅的出力；5.循环上述过程。通过延迟各个功率柜相同桥臂位置上的可控硅的触发脉冲角度，来均衡控制并联于同一桥臂位置上的可控硅之间的电流，以达到控制整流桥和可控硅的出力，进而达到柜均流和管均流的效果，保证励磁系统长期稳定可靠运行。

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种控制励磁系统中并联可控硅整流桥出力的方法，特别是一种多柜并联情况下整流桥间和管间均流的智能调节方法，属于电力系统励磁控制技术领域。

背景技术

大容量自并励机组在电力系统中已成为主力机组，其励磁功率柜均采用可控硅整流桥并联运行。功率单元的均流问题是现代励磁系统的一大难题。由于并联的各个功率单元参数不一致，导致各个功率单元出力不一致，从而影响功率单元寿命，给系统的长期稳定运行带来隐患。又由于设计功率并联支路和选取可控硅型号时，是按照假定均流的系数来进行的，因此在常规励磁系统均流系数达标(均流系数一般不小于0.85)的表象下，并不能表示系统是可靠的，尤其是当系统中存在故障功率柜的情况下，电流在可控硅之间的分配更是不均衡的。在可控硅参数特性一致性不好的情况下，电流不均衡导致可控硅的冲击电流将一直存在(一般可控硅20ms冲击能力达到平均通态电流的5-10倍)，对可控硅的长期稳定运行带来隐患。

针对各个功率单元出力不一致的问题，目前采用可控硅参数匹配、交直流侧进出线匹配、交流侧加均流电抗器等措施仅能满足整流桥之间的均流要求，但上述均流方法增加了系统设计、工程施工以及维护的难度，增加了设备的投资，而且往往达不到理想的均流效果，并且不能实现可控硅管间的均流。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有均流方法的缺点，提供一种能实现整流桥间和管间均流的智能控制励磁可控硅整流桥出力的方法。

本发明进一步要解决的技术问题是：提供一种实现本发明方法的智能控制部件。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

本发明是基于对影响并列运行可控硅励磁整流桥出力的因素作出如下分析后，提出的智能控制方法。

图1为励磁系统主回路电气原理示意图(以两个整流桥并列运行为例)。图中E_a、E_b、E_c为A、B、C三相电势；L_a，L_b、L_c分别为A、B、C三相交流侧铜排或电缆电感；T₁₁～T₁₆为整流桥1的可控硅；T₂₁～T₂₆为整流桥2的可控硅；L_f为转子电感。其中影响可控硅出力的因素有：整流桥交流侧进线、直流侧出线、换相过程中的电流分配以及可控硅参数等。

可控硅的电流分配从每次换相开始就进行。图2为图1中的可控硅电流分配回路原理示意图。图中L_1a，L_2a分别为整流桥1、2可控硅支路交流侧铜排或电缆电感；L_1d，L_2d分别为整流桥1、2直流侧铜排或电缆电感；其余同图1。

对该回路进行分析和方程求解，可得出函数关系式 $>>i>1>>(>t>)>>=>f>>(>\alpha >,>>e>>>\lambda >1>>t>\; >,>>e>>>\lambda >2>>t>\; >)>>,>>>式中i1(t)为换相过程中流过可控硅T$₁₁的电流；α为可控硅T₁₁的触发脉冲角度；λ1、λ2为关系系数。

由上述关系式可以看出，通过延迟每个可控硅的触发脉冲角度，就可以达到控制可控硅电流分配的结果，可以用来实现整流桥和可控硅间的均流。

本发明具体控制整流桥和可控硅出力的方法包括如下步骤：一、采集并联运行整流桥的各可控硅电流；二、将采集数据传送至励磁调节器；三、励磁调节器的数字均流模块对传送来的数据进行逻辑判断和运算，得出实现均流的各可控硅触发脉冲角度延迟数据；四、调节器发出触发脉冲角度延迟的处理指令，控制各可控硅的触发脉冲角度延迟，以此来控制各整流桥和各可控硅的出力；五、循环上述过程。

上述步骤三、中，励磁调节器的数字均流模块的步骤是：(1)、根据发来的各可控硅的电流值，判断是否达到柜均流；(2)、如未达到柜均流，则启动柜均流算法，结束本次均流运算；(3)、如已达到柜均流，则判断是否达到管均流；(4)、如未达到管均流，则启动管均流算法，结束本次均流运算；(5)、如已达到管均流，就结束本次均流运算；(6)、循环上述过程。

上述步骤(2)中，柜均流算法步骤是：a、根据各可控硅的电流值计算得出各整流柜的输出电流；b、比较输出电流大小；c、根据比较结果，计算出各柜对应桥臂上的可控硅实现均流的触发脉冲角度延迟数据。

上述步骤(4)中，管均流算法步骤是：a、比较同一桥臂位置上的可控硅的电流值；b、根据比较结果，计算出每个可控硅的实现均流的触发脉冲角度延迟数据。

为了便于实现本发明控制方法，本发明还提供了一种智能控制部件PIU，装配在每台功率柜内，用于完成整流桥运行数据采集、利用通信网络发送数据，传达并执行励磁调节器对每个可控硅的触发脉冲角度延迟的处理指令，还可以监控整流桥运行状况。PIU的组成及功能将在下文参照附图并结合实施例进行详细描述。

本发明的有益效果如下：通过延迟各个功率柜相同桥臂位置上的可控硅的触发脉冲角度，来均衡控制并联于同一桥臂位置上的可控硅之间的电流，以达到控制整流桥和可控硅的出力，进而达到柜均流和管均流的效果。运用本发明方法可使柜间均流系数达到0.99，可控硅管间均流系数达到0.95。本发明真正意义上控制了每个可控硅的触发脉冲，克服了以往均流方法的局限性，从而保证励磁系统可控硅整流桥的长期稳定可靠运行。

附图说明

图1为励磁系统主回路电气原理示意图(以两个整流桥并列运行为例)。

图2为图1中的可控硅电流分配回路原理示意图。

图3为本发明智能控制整流桥和可控硅出力的方法流程图。

图4为本发明励磁调节器数字均流模块流程图。

图5为本发明励磁调节器数字均流模块中柜均流算法流程图。

图6为本发明励磁调节器数字均流模块中管均流算法流程图。

图7为本发明智能控制部件PIU的组成示意图。

图8为本发明智能控制部件PIU的电路原理图。

图9为本发明智能控制部件PIU脉冲回路示意图。

图10为试验例的效果-C相触发脉冲角度经过延迟2度处理可控硅电流波形图。

图11为试验例的效果-C相触发脉冲角度未经过延迟处理可控硅电流波形图。

具体实施方式

实施例中，本发明智能控制整流桥和可控硅出力的方法步骤如图3所示，励磁调节器的数字均流模块的运行步骤如图4所示，柜均流算法步骤如图5所示，管均流算法步骤如图6所示。图5、图6中比较逻辑框中的“1/32”、“1/16”是根据具体算法自行设定的，延迟角度的“设定步长”也可以根据具体算法自行设定，例如：360°的1/10000为一个步长。

如图7所示，本发明智能控制部件PIU的组成包括中央处理单元1、电源模块2、开入量回路3、模拟量回路4、开出量逻辑控制回路5、脉冲处理回路6、脉冲输出回路7、通信网络回路8、LDU操作显示面板9。

PIU的电路原理图参见图8。图中，U1为DSP芯片，作为中央处理芯片；U2为A/D采样芯片，作为模数转换芯片；U3为八缓冲器/驱动器芯片，作为总线驱动芯片；U4为精密单位增益差动放大器，作为电流信号采集芯片；U5、U6为光耦芯片，作为信号隔离芯片。

下面是PIU的有关性能、功能介绍：

①交直流双路供电。PIU采用交直流220V双路供电，保证PIU本身供电的可靠性，当一路电源掉电时不影响PIU的正常供电。在PIU的电源回路中，AC220V和DC220V各自经过整流模块后并联，再经过电源模块变换出PIU运行所需的+5V、±12V和多路+24V等电源。

②交流进线三相电流采样。电流霍尔元件工作在功率柜内大电流、强磁场、高谐波电磁环境中，为增强测量环节的电磁抗扰度，PIU利用差分放大电路来获取其输出的+/-10mA的电流信号。三只霍尔元件分别安装在交流侧三相铜排上，通过判别铜排上电流的方向来区分流经整流桥正负桥臂上可控硅的电流，从而得到正负桥臂上各自的电流。PIU中的采样电路和128点采样算法，可以较准确的得出各个可控硅的通态平均电流和电流有效值。

③可控硅壳温测量。利用功率柜中安装的测温元件，PIU还可以监测可控硅的壳温。综合可控硅的壳温和电流，便可准确判断可控硅导通情况，监测可控硅的工作状态。根据可控硅壳温与出力的稳态关系，结合在线检测到的可控硅工作状态，提前对可控硅进行状态评价。对于一些运行在比较恶劣环境中(如粉尘、湿热等)的功率柜，可以根据壳温的变化得到调节器专家诊断系统的告警，给出可能的事故预想，帮助运行人员在日常生产、维护中能够及时发现系统隐患，采取措施，防范于未然。

④风道及风机工况监控。利用风道温度、风道风速、风压继电器状态、风机电源监控信号等信息，PIU可监控风道工况，当出现风机停风或滤网堵塞等异常情况时，及时定位故障，发出告警。对风机供电电源的监测，PIU可判断供电电源的异常，诸如掉电、过载等情况，并结合功率柜的操作回路控制风机的投切，同时发出告警。

⑤通讯网络。PIU与调节器之间的信息交换通过通讯网络来实现。可选择使用互为热备用的通讯网络，保证信息传输的可靠性。每个功率柜上的PIU和调节器都连接在通讯网络上。通过通讯网络，每个PIU向调节器发送可控硅电流、可控硅温度、风机运行情况、各熔断器状态等功率柜运行数据。同样通过通讯网络，调节器给每个PIU发出不同的均流、限负荷、切负荷等指令。

⑥脉冲回路。通常的励磁系统中调节器输出的触发脉冲直接接入脉冲变压器，进而触发可控硅。图1所示的系统中，以+A相脉冲为例，本发明PIU脉冲回路见图9。调节器发来的脉冲进入PIU后，首先去除传输过程中产生的干扰，防止干扰被放大，影响脉冲处理。强弱变换单元将脉冲信号变换为弱信号，以便用数字方式处理脉冲。脉冲处理单元根据调节器发来的指令，对触发脉冲角度进行延迟处理后，再放大输出。PIU发出的脉冲和调节器发出的脉冲经过“二选一”的切换逻辑后，再接入脉冲变压器来触发可控硅。通过对脉冲的处理可实现数字均流。脉冲切换逻辑由PIU综合均流投退信号、功率柜运行数据和PIU自身运行情况来完成。在触发回路发生故障时，根据可控硅的工作状态，PIU的脉冲检测功能可以定位触发回路故障点，发出告警。

脉冲回路的可靠性对于智能功率柜的可靠性至关重要。脉冲变压器是脉冲回路中重要的一环，由于脉冲变压器是差分输入且驱动可控硅需要比较大的电流，因此现场通常采用能够耐受电站恶劣电磁环境的屏蔽电缆或双绞线。在PIU将脉冲从强信号变换为弱信号的过程中易受到电磁干扰，因此在调节器与功率柜距离较远的系统中，需要非常小心设计脉冲变换回路，防止干扰放大，误触发可控硅，有必要利用PIU对脉冲传输中的干扰进行数字处理。

⑦操作显示面板LDU。在LDU上可以翻看PIU的采集到的功率柜运行数据，如可控硅电流、可控硅温度、风道风速风温、风机运行情况等，也可以查看故障告警等信息。在LDU上还可以进行PIU参数设置等操作。

⑧中央处理单元。中央处理单元是PIU运行的核心，完成PIU的所有数据处理，包括三相铜排电流采样算法、脉冲延迟算法、可控硅温度、风道风速和温度、网络通讯信息、LDU操作、均流算法、故障定位等。

由于PIU参与了智能功率柜运行的多个环节，所以PIU本身的可靠性直接影响到了功率柜的稳定运行。因此在PIU本身掉电、硬软件故障时，PIU具有综合故障硬节点输出，用于强制将PIU发出的脉冲切换成调节器发出的脉冲。此时，风机控制逻辑也使得风机不再受PIU故障的影响。这样可以保证在PIU故障情况下，脉冲的传输和风机的控制能正常工作，功率柜仍然能够按没有数字均流方式下运行。

如图9所示，以+A相脉冲为例，a点为延迟前的+A相脉冲，b点为延迟后的+A相脉冲。每台功率柜上的+A相可控硅的脉冲延迟不同，就可以调整每台功率柜+A相可控硅的触发脉冲角度，从而控制流过该可控硅的电流。调节器根据系统的运行情况发出适当的均流指令，以达到系统的长期稳定运行。

通过通讯网络，调节器准确快速接收到各个功率柜中的PIU发来的可控硅电流和风机风速、可控硅温度、各熔断器状态等功率柜的运行数据。调节器综合各个功率柜的运行情况，分配各柜之间、各管之间的出力，再通过通讯网络给PIU发出均流等指令。在调节器均流功能模块中，首先进行柜之间的均流控制，将各柜的输出电流调整一致。然后进行各管之间的均流控制，在这个过程中，每改变一次脉冲，都需重新进行一次柜均流。这样反复进行均流控制，直到均流系数达到满意为止。该过程中管均流系数一般无需设置过高，在0.9-0.95之间即可，就可使得柜均流达到0.99。调节器数字均流模块的具体流程参见图4。

当系统发生故障时，调节器还可以根据故障等级对各柜各管进行限负荷、切负荷，并快速定位故障发出告警。这种功能在多功率柜出现非同桥臂同时故障时，可以灵活分配故障柜各管之间的电流，使得即使出现多柜故障，仍然保证正常运行，为检修争取了充分的时间。

值得注意的是，在调节器进行均流控制时，其本身的电压闭环或电流闭环调节过程应当基本稳定，转子电流趋于平稳，不能因为均流控制而影响到电压调节精度。另外均流过程也不宜过快，每次均流控制结果稳定后再进行下一步的控制。

本装置在硬件和软件上均设置了均流的投切控制，需硬件和软件都投入均流使能才能进行均流控制，以便处理紧急事故。在自动均流之外还配备了手动均流，可人为进行均流控制，进行一系列均流试验，摸索均流规律，以便优化均流算法。数字均流模块中还具备多种限制功能，如从硬件和软件上防止均流调节单偏以及触发角度延迟上限等，确保均流调节过程稳定可靠。

试验例

本发明在现场进行了试验，现场试验系统的额定励磁电流为1580A，由两台功率柜并联运行。由于现场试验条件所限，分别在励磁电流为800A，1015A，1220A三个稳定点进行了均流试验。

电力行业标准DL489-92中对励磁系统整流功率柜的均流试验有如下描述：

在额定励磁电流下，测量每个整流桥臂的支路电流，并计算均流系数。其计算公式为

$>>>K>i>>=>>>>\Sigma >>i>=>1>>m>>>I>i>>>>m>>I>max>>>>>>$

式中：——m条并联支路电流的和；

m——并联支路数；

I_max——并联支路中的电流最大值。

如表1所示，均流投入后，柜均流系数较均流退出时有显著提高，可达到0.99附近。可见该系统可实现较好的柜均流。其中柜均流系数的计算参考上述的均流系数计算公式。

上述标准中指出均流系数的计算使用的是每个整流桥臂的支路电流，而不是每个功率柜的输出电流。现场试验中，在励磁电流为1015A时，利用霍尔测流元件和PIU测得均流投入前后两台功率柜各桥臂电流，如表2所示。可以看出均流投入后，各桥臂的均流系数可达到0.9以上，管均流的效果良好。

图10、图11分别为功率柜1的-C相触发脉冲角度经过延迟控制前后的电流波形，此时的励磁电流为1015A。图中可见触发脉冲角度延时可有效的调节可控硅的电流，通过适当的脉冲延迟便能达到管均流。

现场的试验结果表明本发明提出的智能控制可控硅整流功率桥出力的方法切实有效，均流效果明显。另外，在现场还对PIU的其它功能，如风机切换逻辑、脉冲切换逻辑、故障告警、均流退出等进行了试验，确保系统的安全可靠运行。

                      表1 三个试验点功率柜输出电流及均流系数

  励磁电流            均流退出              均流投入 功率柜1 功率柜2  柜均流系数 功率柜1 功率柜2  柜均流系数  800A  365A  435A  0.919  395A  405A  0.987  1015A  480A  535A  0.948  505A  510A  0.995  1220A  585A  635A  0.960  605A  615A  0.992

          表2 励磁电流为1015A时功率柜各桥臂电流及均流系数

  桥臂           均流退出           均流投入 功率柜1 功率柜2  均流系数 功率柜1 功率柜2  均流系数  +A相  246A  340A  0.86  264A  322A  0.91  -A相  252A  334A  0.88  267A  319A  0.92  +B相  249A  337A  0.87  265A  321A  0.91  -B相  238A  348A  0.84  261A  325A  0.90  +C相  243A  343A  0.85  264A  322A  0.91  -C相  253A  333A  0.88  268A  320A  0.92