一种应用于短路冲击发电机的静态励磁系统及方法

摘要

本发明提供一种用于短路冲击发电机的静态励磁系统及方法。首先采集发电机的电压和电流信号，然后采用PID算法对采集的发电机的电压和电流信号进行计算，得到控制信号，该控制信号经逻辑运算、模数转换、变压后进入到整流单元，在整流单元内，利用控制信号对整流单元的可控硅导通角进行调节，最后，所述可控硅根据导通角的大小对输入的交流电源的电压和电流进行调节，为发电机转子提供合适的直流电压和电流。

说明书

技术领域

本发明应用涉及发电机励磁领域，特别涉及于短路容量试验中对短路冲 击发电机励磁系统及方法。

背景技术

短路冲击发电机试验系统不同于普通发电机系统，其转子由拖动电机驱 动，进行短路试验时拖动电机断电，发电机转子呈自由旋转状态由转动惯性 提供短路能量。采用直流励磁机供电的励磁系统，在过去的十几年间，是短 路冲击发电机的主要励磁系统。长期的运行经验证明，这种励磁系统的优点 是：具有独立的不受外系统干扰的励磁电源，调节方便。缺点是：相关设备 多，占用空间大，投资大，维护很不方便，且对短路冲击参数调节精度不够 高，尤其是对于短路容量大，短路时间长的容量试验无法满足其试验要求。

近年来，随着电力系统的发展，对短路容量试验的要求也不断增高，要 求励磁功率也相应增大。使用大功率可控硅元件直接控制转子电压电流的静 态励磁系统，具有调节范围广、调节精度高等优点是短路冲击发电机励磁的 最佳方案。

发明内容

本发明提供了一种应用于短路冲击发电机的静态励磁系统及方法，应用 于短路容量试验。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种应用于短路冲击发电机的静态励磁系统，包括：交流电源，通过变 压器与整流单元连接；采集单元：采集发电机电压和电流；控制单元：对采 集的发电机电压和电流进行计算并控制，输出控制信号；逻辑信号输出单元： 对控制信号进行逻辑运算；输出信号转换单元：对逻辑运算后的控制信号进 行模数转换；脉冲变压器：对模数转换后的控制信号进行变压；整流单元： 包括有可控硅，利用控制信号对可控硅的导通角进行调节，进而对交流电源 的电压和电流进行调节，将交流电转为直流电，为发电机转子提供合适的直 流电压和电流。

优选的，所述交流电源在变压器和整流单元之间连接有交流侧保护单元， 主要由熔断器、整流器和阻容吸收保护回路组成，以对交流电源侧的过电压 进行保护。

优选的，所述阻容吸收保护回路主要由并联的整流回路和电容、电阻组成。

优选的，所述整流单元和发电机的转子之间并联有直流侧保护装置，以吸 收直流侧的过电压。

优选的，所述直流侧保护装置主要由一对正反向可控硅并联后串联一个放 电电阻组成。

优选的，所述发电机的转子与直流侧保护装置之间并联有起励电阻，以保 证升压过程平稳进行。

优选的，所述整流单元由四套6脉冲全桥整流装置并联组成。

一种应用于短路冲击发电机的静态励磁方法，首先采集发电机的电压和电 流信号，然后采用PID算法对采集的发电机的电压和电流信号进行计算，得 到控制信号，该控制信号经逻辑运算、模数转换、变压后进入到整流单元， 在整流单元内，利用控制信号对整流单元的可控硅导通角进行调节，最后， 所述可控硅根据导通角的大小对输入的交流电源的电压和电流信号进行调

节，为发电机转子提供合适的电压和电流信号。

优选的，所述控制信号按照以下步骤进行：

步骤1)计算PID算法的调节系数，包括PID算法的比例系数k_p的调节系 数S_p和PID算法积分系数T_d的的调节系数S_d；

在短路起始阶段，计算第i+1时刻发电机电压下降的斜率，以第i+1时刻 发电机电压下降的斜率与第i时刻发电机电压下降的斜率之差与1相加即得 S_p；

在短路结束阶段，计算第i+1时刻发电机电压下降的斜率，以第i+1时刻 发电机电压下降的斜率与第i时刻发电机电压下降的斜率之差与1相加即得 S_p；

在短路持续阶段，比较采集到的发电机的短路电流的大小与设定的定子电 流限定负反馈值Ig，如果发电机的短路电流小于Ig，则所述调节系数为1， 如果发电机的短路电流小于Ig，则以发电机的短路电流与Ig做差，以该差值 与1之和S_d；

步骤2)根据以下公式计算控制信号：

$u\left(n\right)=u(n-1)+S_p{k}_p\left\{\right[e\left(n\right)-e(n-1)]+\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_i}e\left(n\right)+\frac{S_d{T}_d}{\mathrm{\Delta T}}[e\left(n\right)-2e(n-1)+e(n-2)\left]\right\};$

其中，u(n)为控制器在第n时刻输出的控制信号，u(n-1)为控制器在第n-1 时刻输出的控制信号；e(n)为第n时刻采集的电压或电流信号，e(n-1)为第n-1 时刻采集的电压或电流信号，e(n-2)为第n-2时刻采集的电压或电流信号，ΔT 为采集间隔，T_i为ΔT的积分值，T_d为ΔT的微分值。

优选的，所述交流电源经变压器后再进入到整流单元，所述变压器的变 比为16倍。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明实时采集发电 机的电压和电流信号，采用PID算法对采集的发电机的电压和电流信号进行计 算，得到控制信号，该控制信号经逻辑运算、模数转换、变压后进入到整流 单元，在整流单元内，利用控制信号对整流单元的可控硅导通角进行调节， 最后，所述可控硅根据导通角的大小对输入的交流电源的电压和电流信号进 行调节，为发电机转子提供合适的电压和电流信号，适用于短路冲击发电机 在短路容量试验中的应用。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的原理图；

其中：一次电源系统(1)、采集单元(2)、同步信号采集系统(3)、控制、 保护单元(4)、交流保护装置(5)、逻辑信号输出单元(6)、输出信号转换 单元(7)、脉冲变压器(8)、直流保护装置(9)、整流单元(10)。

具体实施方式

请参阅图1及图2所示，本发明励磁系统包括：一次电源系统1(交流电 源)、采集单元2、控制单元、逻辑信号输出单元6、输出信号转换单元7、脉 冲变压器8、整流单元10。所述交流电源通过变压器与整流单元10连接；所 述采集单元2用于采集发电机电压和电流；控制单元用于对采集的发电机电 压和电流进行计算并控制，输出控制信号；逻辑信号输出单元6用于对控制 信号进行逻辑运算；输出信号转换单元7用于对逻辑运算后的控制信号进行 模数转换；脉冲变压器8用于对模数转换后的控制信号进行变压；整流单元 10包括有可控硅，利用控制信号对可控硅的导通角进行调节，进而对交流电 源的电压和电流进行调节，将交流信号转为直流信号，为发电机转子提供合 适的电压和电流。

所述一次电源系统采用35kV交流电源进线，经过一台变比为16倍的短 路变压器将电压降为2188V供给整流单元进行整流。所述整流单元由4套6 脉冲全桥整流装置并联组成。进行短路容量试验时，由脉冲变压器8将接收 到的可控硅导通角触发信号输入至整流单元，使得整流单元按照预期的导通 角进行导通，借此将2188V交流电根据短路容量试验系统需要整流成为电压 电流大小合适的直流电并提供至发电机转子。

根据试验前由操作人员通过远程控制系统给系统输入的短路试验参数如 短路电压、短路电流、短路时间等，控制单元将上述输入条件与接收到的采 集信号进行闭环调节，并快速的输出一个脉冲控制信号，通过逻辑信号输出 单元(与输出信号转换单元将脉冲信号发送至脉冲变压器以实现对整流单元 的控制。

所述励磁系统进一步包括由保护部分，包括交流保护装置、直流保护装 置。其中交流保护装置由整流回路及阻容吸收保护回路组成，主要起吸收交 流电源侧谐波的作用。直流保护装置由正反向的可控硅、吸收电阻及控制板 组成，主要目的为防止发电机转子回路开路所产生的正向或反向的过电压。 控制单元可以自行判断励磁系统的内部故障及接受外部的故障信号，经过处 理可以快速的进行灭磁及分断灭磁开关。

一种应用于短路冲击发电机的静态励磁系统的励磁方法，首先采集发电 机的电压和电流信号，然后采用PID算法对采集的发电机的电压和电流信号 进行计算，得到控制信号，该控制信号经逻辑运算、模数转换、变压后进入 到整流单元，在整流单元内，利用控制信号对整流单元的可控硅导通角进行 调节，最后，所述可控硅根据导通角的大小对输入的交流电源的电压和电流 信号进行调节，为发电机转子提供合适的电压和电流信号。

所述控制信号按照以下步骤进行：

步骤1)计算PID算法的调节系数，包括PID算法的比例系数k_p的调节系 数S_p和PID算法积分系数T_d的的调节系数S_d；

在短路起始阶段，计算第i+1时刻发电机电压下降的斜率，以第i+1时刻 发电机电压下降的斜率与第i时刻发电机电压下降的斜率之差与1相加即得 S_p；

在短路结束阶段，计算第i+1时刻发电机电压下降的斜率，以第i+1时刻 发电机电压下降的斜率与第i时刻发电机电压下降的斜率之差与1相加即得 S_p；

在短路持续阶段，比较采集到的发电机的短路电流的大小与设定的定子电 流限定负反馈值Ig，如果发电机的短路电流小于Ig，则所述调节系数为1， 如果发电机的短路电流小于Ig，则以发电机的短路电流与Ig做差，以该差值 与1之和S_d；

步骤2)根据以下公式计算控制信号：

$u\left(n\right)=u(n-1)+S_p{k}_p\left\{\right[e\left(n\right)-e(n-1)]+\frac{\mathrm{\Delta T}}{T_i}e\left(n\right)+\frac{S_d{T}_d}{\mathrm{\Delta T}}[e\left(n\right)-2e(n-1)+e(n-2)\left]\right\};$

其中，u(n)为控制器在第n时刻输出的控制信号，u(n-1)为控制器在第n-1 时刻输出的控制信号；e(n)为第n时刻采集的电压或电流信号(分别对应步骤 1中的电压调节与电流调节)，e(n-1)为第n-1时刻采集的电压或电流信号， e(n-2)为第n-2时刻采集的电压或电流信号，ΔT为采集间隔，T_i为ΔT的积分 值，T_d为ΔT的微分值。

本发明静态励磁系统一种专门为短路冲击发电机提供短路励磁的解决方 案，由于运行条件特殊，相对于普通励磁系统，其主要特点为：

1、短时负荷：平时不带电，只在短路试验期间运行。

2、强励频繁：短路试验期间需要强励倍数较一般电机的需求要大得

多，且强励倍数调节精度高能自动满足试验需求。

3、去磁频繁，每次试验后均须去磁。

4、电压调节范围广，从0.1～1.1U₀(U₀为额定电压)

本发明励磁系统应用于短路冲击发电机系统因其特殊性在短路试验期间 所提供的励磁电流非常大，其控制系统具有极高的准确性和抗干扰性以保证 能精准的控制发电机转子的电压及电流。

相比较于原有的直流励磁机励磁系统，该静态励磁系统具有以下特点：

励磁容量大：最大励磁电流可以达到27kA，可以满足15kV 100kA的短 路试验要求。

励磁电流不衰减：在多次短路过程中(时间间隔几十毫秒至几十秒)发 电机电压、电流不衰减。

相比于原有的预强励方法(在短路试验前1-2个工频周期内预先投入固 定倍数的励磁电流以保证短路期间的短路电流不衰减)，本发明励磁系统通过 上述算法计算并控制输出在短路开始后3ms即可输出脉冲控制信号以达到精 准控制的目的，不会出现过强励或欠强励的情况，并可以在短路期间根据电 压电流反馈信号对输出参数进行实时的调整。

本发明可以在短路容量试验期间提供精准的励磁以满足最高试验电压 15kV，最大短路电流100kA的各类短路容量试验的需求。