自并励发电机励磁的单周期控制概要.docx
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自并励发电机励磁的单周期控制概要
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700MW水轮发电机和1000MW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10MW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KeyueMaSemdley提出的基于Buck电路的单周期控制(Onecycle
control[1]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Buck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
⎩⎨⎧<<<<=Ts
t(Ton0Tont0(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大於比较器另一输入VrefRS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(dt(xdtT1x(tdtt(xTs1
t(yTon0STon
0===∫∫
(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(ydtt(refVrefTs
0==∫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OCCSG同步发电机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:
dqddrippU−Ψ−Ψ=θ(1
qdqqrippU−Ψ+Ψ=θ(2
磁场:
ffffpriUΨ+=(3阻尼绕组:
dddpir1110Ψ+=(4qqqpir1110Ψ+=(5磁链方程:
定子:
dadfaddddiLiLiL1++−=Ψ(6
qaqqqqiLiL1+−=Ψ(7
磁场:
dadffdadfiLiLiL1++−=Ψ(8阻尼绕组:
ddfaddaddiLiLiL1111++−=Ψ(9
qqqaqqiLiL1111+−=Ψ(10
如果只考虑发电机空载,则有id
=iq=0此外由于q轴阻尼绕组无外加电压或感应电压i1q=0.同时假定发电机运行在同步速,则有pθ=1.将磁链方程代入电压方程,可得下述方程组:
(1dadfaddiLiLSU+=(11
dadfadqiLiLU1+=(12
(1ffdadfffiLiLSirU++=(13
(01111ddfadddiLiLSir++=(14
qqqqiSLir11110+=(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if<=Ib则:
Uo==Lfi(16如fi>Ib则Uo=(M*fi/(N+fi(17其中Uo,if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U0’和实际空载特性U0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if<=Ib则:
Lad=λL(18当if>Ib则Lad=λUo/fi,亦即,Lad=λM/(N+fi(19系数λ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acVolt代表端电压幅值。
图4分量法PID计算流程及限幅输出
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acVolt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UniversalBridge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(integrator1/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,再重复上述过程。
4仿真实例
某小型水轮发电机:
额定功率Pn=400Kw,
额定电压Un=6300V,额定功率因数cosφ=0.8
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额定转速750转/分Tdo=1.44sXd=1.31Xd’=0.3Xσ=0.1Xf=1.45Td’=0.33s空载额定电压下,励磁电流82.7a励磁电压14.7V(15°C额定励磁电流、电压165a42.8v(130°CXfs=1.45-1.21=0.24Xad=1.31-0.1=1.21rf(75=0.211ΩLf^=Tdo*rf=1.44*0.211=0.3038Lfs=(0.24/1.45*0.3038=0.0503H空载特性U00.531.01.231.3If0.4881.01.82.45U0’0.531.01.2241.322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(注意图5中acVolt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]SmedleyKM,CukS.“One–cyclecontrolofswitchingconverters”[C].PowerElectronicsSpecialistConferenceRecordof22edAnnualIEEE,1991:
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对应於单相交流电压整流后的半波,当开关频率200Hz時,每个开关周期Ts对应的电压波形如右下图,当占空比d=1时,其1/2半波积分面积即Vref的限值为22×0.005(×Um×Ts=Um=0.00318Um,它是这种情况下Vref的限值,对自并励发电机ππ言,起励过程中端电压及其幅值Um是变化的,所以Vref限值也应该相应变化,图4中的acVolt的输入为Um,这里限幅系数选了0.0028(稍小於上述0.00318,如PID输出大于Vref限值,则输出Vref限值。
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- 发电机 周期 控制 概要