危磊
武汉科创源科技有限公司 430056
摘要： 本文介绍了一种应用于小水电的黑启动无刷励磁装置，介绍了其工作原理及在实际运用中的技术方案。
关键词： 黑启动 无刷励磁 小水电 孤网运行
前言：目前全国已建成农村水电站45000多座，装机容量5900多万千瓦，年发电量2000多亿千瓦时，约占全国水电的三分之一，在增加能源供应、减排温室气体、保护生态环境等方面发挥了重要作用，为农村发展、农民增收和民生改善做出了重要贡献。
小水电，尤其是农村小水电，由于其上网为县级地方电网，甚至是孤网运行，在停机状态下，常处于电厂无电状态，需要采取纯手动开机，外加电池或通过电压继电器和时间继电器构成的正反馈起励回路建立初始电压，然后相应的励磁装置才能投入正常工作。
基于电网崩溃的黑启动技术在电力系统已有多种方式及预案，但都是基于大中型电站单机启动或通过柴油机组启动，建立电网初始电源，再逐渐恢复电网各厂用电，逐渐启动发电机组，恢复大电网正常运行的模式。而对于小型水电站以及偏远孤网运行的机组的黑启动问题，针对该类机组的励磁装置本身的研究却很少，用户只能面临要么增加投资，配置可靠的电源装置，要么只能选用简单模拟励磁装置外加零时干电池启动的境况。
1、黑启动励磁装置的特点
通过多年的实践工作，提成了一种发电机组黑启动无刷励磁装置，尤其适用于无厂用交直流电源场所的低压水轮发电机组，包括：
—微机励磁控制单元，作为本装置的核心控制部件，实现正常运行状态下发电机输出电压/无功的控制；
—励磁变压器，为功率单元提供交流励磁电源，实现励磁回路（包括励磁绕组等）与一次回路的隔离。
—功率单元，为发电机提供受控制的励磁电流，建立发电机所需要的受控的磁场，保证发电机正常转动后发出（感应）电来；
—黑启动单元，保证发电机在初始阶段为发电机组提供初始励磁电源，对于无厂用交直流电源的小型发电机组，此时微机励磁控制单元和功率单元往往由于无电源或电源电压低还处于无法工作状态。
—切换单元，在励磁装置进入常规运行状态后，切除黑启动单元。
2、其独有特点
黑启动单元包括不控整流单元、自适应黑启动功率单元等构成。不控整流单元将交流电源转换为直流电源，通过自适应黑启动功率单元后提供给励磁绕组，建立初始的缓慢增强的感应磁场。
自适应黑启动功率单元采用了热敏、热熔、线性和非线性器件组合设计而成，具有宽适应、自保护、自恢复等特点。
黑启动单元可以确保发电机在低残压（1%，4V）状态下自动建立稳步升高的机端电压（黑启动）。
微机励磁控制单元具备从无电不控状态到有电（工作电源正常）智能进入对应工作工况的自适应控制模式。
全面兼容常规无刷励磁装置，既在有外界电源的情况下，实现正常启动（常规控制→功率单元→输出励磁电流到励磁绕组），黑启动单元自动退出。
3、具体方案
利用发电机的残压，通过黑启动单元，建立起励磁控制所需要的最低工作电源；微机励磁控制单元通过对发电机的电压、电流、功率因数角、主励磁机励磁电流、系统电压等信号的检测和计算，经过核心PID控制运算和判断后，发出可控硅控制信号，再经过相关的脉冲列信号单元、隔离放大单元以及脉冲变压器的隔离，最终去驱动可控硅全控整流桥，输出发电机组主励磁机需要的直流励磁电源。
其特点在于：
1.利用热敏、非线性技术，构成自适应型黑启动回路，在发电机接近额定转速后，给发电机提供起始励磁电流，使发电机机端输出较高（>30%）的电压，以供励磁装置正常工作；
2.微机励磁控制单元，在机端电压高于一定值（30%）后，控制电源正常工作，微机控制单元正常工作，智能判断当前的电机状态（电压、频率）等，发出全控桥功率单元所需要的控制脉冲，使全控桥功率单元投入正常工作，退出黑启动单元；
3.以DSP为励磁装置核心控制单元，采用交流采样，自适应PID控制技术，增设简洁、可靠、必要的发电机限制和保护功能，以实现恶劣环境下的发电机组安全高效运行；
4.恒压、恒无功、恒功率因数多种运行方式的智能切换，以实现发电机组高效运行，同时又确保小网（孤网）的安全运行；
5.直观的数码循环显示单元，提供远视角、低光照等恶劣环境下的直观显示。
4、具体实施方式
1.图一为本方案一个实例型系统原理框图，虚框内即为本方案的微机励磁控制部分。包括了各种电压、电流、频率、同步信号检测单元、核心控制单元、脉冲放大单元等，其核心器件为TI公司TMS320F28335，其它器件均为常规工业或军用级运放、数字芯片及0.5%精度的各种电阻，5%虚精度的各种电容。
框外为励磁装置功率环节，包括励磁变压器、可控硅功率单元和黑启动功率控制单元。
除励磁变压器外，其它单元均置于一个铝合金机箱内，美观抗干扰能力强。
2.图二为本方案的黑启动原理框图，包含5个功能模块，不控整流单元、变阻启动单元、过流限制单元和过流保护单元、切换单元，该环节核心器件为标准的热敏、线性和非线性器件，实现发电机自适应正反馈起励升压功能。
3.图三为本方案的应用实例系统原理框图，描述了应用系统的各主要单元。
5.图四为本方案的应用实例系统原理图，描述了应用系统的电气连接原理。
论文作者:危磊
论文发表刊物:《防护工程》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/11
标签：单元论文; 励磁论文; 发电机论文; 装置论文; 机组论文; 功率论文; 电源论文; 《防护工程》2018年第21期论文;