低压发电机黑启动励磁装置.pdf

本发明涉及励磁装置技术领域，具体涉及一种低压发电机黑启动励磁装置。本发明的励磁装置由于设置了具有黑启动功能的起励模块，在完全无电的情况下自启动，为发电机提供初始励磁电流；本发明的励磁装置由于设置了控制模块和全控桥功率模块，通过发电机的电压、电流、频率等运行状态指标产生控制信号，全控桥功率模块输出合适的励磁电流，维持发电机的极端电压。

权利要求书1.  一种低压发电机黑启动励磁装置，其特征在于，该装置包括：通过不控整流单元与发电机定子端连接的起励模块，所述起励模块被配置为在停电状态下进行自启动并为发电机提供初始励磁电流；控制模块，所述控制模块包括检测发电机输出端电压的电压检测单元、检测发电机的输出电流的电流检测单元、检测发电机的转子励磁绕组电流的励磁电流检测单元和核心控制单元，所述核心控制单元被配置为根据该输出端电压、输出电流、励磁电流进行运行状态分析并产生一控制信号；与发电机定子端连接的全控桥功率模块，所述全控桥功率模块被配置为根据控制模块的控制信号产生运行励磁电流并输出至励磁绕组；以及与励磁绕组连接的切换单元，所述切换单元被配置为在起励模块的初始励磁电流、以及全控桥功率模块的运行励磁电流之间进行切换。2.  根据权利要求1所述的低压发电机黑启动励磁装置，其特征在于，所述起励模块包括：利用发电机的机端电压提供励磁电流的黑启动单元；与黑启动单元连接的过流限制单元；与过流限制单元和切换单元连接的过流保护单元。3.  根据权利要求2所述的低压发电机黑启动励磁装置，其特征在于，所述黑启动单元包括热敏电阻和热保险元件。4.  根据权利要求1所述的低压发电机黑启动励磁装置，其特征在于，所述控制模块还包括：系统电压检测单元，用于检测电网额定电压，并将检测结果发送至核心控制单元；同步信号检测单元，用于检测发电机同步信号，并将检测结果发送至核心控制单元；频率检测单元，用于检测发电机电压输出频率，并将检测结果发送至核心控制单元。5.  根据权利要求4所述的低压发电机黑启动励磁装置，其特征在于，所述控制模块还包括：开关量检测单元，用于检测发电机的开关量，并将检测结果发送至核心控制单元；信号输出单元，包括用于输出控制信号的触发信号输出器、用于产生脉冲列的脉冲列发生器。6.  根据权利要求5所述的低压发电机黑启动励磁装置，其特征在于，所述信号输出单元还包括功率隔离放大器。7.  根据权利要求1所述的低压发电机黑启动励磁装置，其特征在于，所述电压检测单元包括依次相连的电压电流转换电路、隔离变流器、电流电压转换电路、文氏滤波电路、偏置放大电路和限幅滤波电路。8.  根据权利要求4所述的低压发电机黑启动励磁装置，其特征在于，所述频率检测单元包括相互连接的文氏滤波电路和比较器电路。9.  根据权利要求1所述的低压发电机黑启动励磁装置，其特征在于，所述全控桥功率模块包括：与发电机定子连接、用于提供励磁电源的励磁变压器；与控制模块和切换单元连接、用于产生运行励磁电流的可控硅全控桥。10.  根据权利要求1所述的低压发电机黑启动励磁装置，其特征在于，所述核心控制单元包括信号转换子单元和数字信号处理子单元，所述信号转换子单元被配置为将电压、电流模拟信号转化为数字信号，所述数字信号子单元被配置为对数字信号进行运行状态分析并产生控制信号。

说明书低压发电机黑启动励磁装置
技术领域
本发明涉及励磁装置技术领域，具体涉及一种低压发电机黑启动励磁装置。
背景技术
现在的励磁装置主要针对电力系统标准配置的发电机系统设计，相关国家标准也基于标准型发电机组的励磁装置而制定，作为低压机组，尤其是农村低压小水电，尚无或很少有对此专门设计的励磁装置。
电力系统标准配置的发电厂站，均配置可靠的直流（蓄电池）电源系统及厂用交流电源系统，对于很多不具备上述条件的偏远山区小型水电站，由于电源基础条件的不具备，微机化控制技术的应用还非常不普及，还多采用手动、模拟技术来实现简单的控制，存在发电机黑启动需求，人工操作环节多，安全隐患大，工作不稳定等情况。
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的境况。
目前针对低压机组的微机无刷励磁已比较多，但多是从小型化和低价格两个方面考虑，且仍然是基于标准发电机组励磁的考虑，无法满足该类型发电机无电黑启动、电压波动大、有无功波动大、机组稳定性差，负荷冲击率高的特殊工况，因而导致该类型发电机组运行不稳定，非正常停机率高，同时由于该类型机组所配置的保护功能弱，既影响发电效率，又威胁到发电机组的安全。
由于该类型发电机多属于偏远山区微型和小型电站，机组容量都不大，一般在80KW～1000KW之间，从投资的规模和配置的经济性考虑，所配置的励磁装置的价格都比较低，基于价格及服务成本的考虑，现有技术中缺少此类装置，从而导致现有技术中此类装置的性能都比较低，都仅采用了标准发电机励磁装置的简化和低配置化，针对性辅助功能少，实际上无法满足该类用户稳定运行的要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提出一种低压发电机黑启动励磁装置。
本发明的技术方案包括一种低压发电机黑启动励磁装置，包括：
通过不控整流单元与发电机定子端连接的起励模块，所述起励模块被配置为在停电状态下进行自启动并为发电机提供初始励磁电流；
控制模块，所述控制模块包括检测发电机输出端电压的电压检测单元、检测发电机的输出电流的电流检测单元、检测发电机的转子励磁绕组电流的励磁电流检测单元和核心控制单元，所述核心控制单元被配置为根据该输出端电压、输出电流、励磁电流进行运行状态分析并产生一控制信号；
与发电机定子端连接的全控桥功率模块，所述全控桥功率模块被配置为根据控制模块的控制信号产生运行励磁电流并输出至励磁绕组；
以及
与励磁绕组连接的切换单元，所述切换单元被配置为在起励模块的初始励磁电流、以及全控桥功率模块的运行励磁电流之间进行切换。
优选地，所述起励模块包括：
利用发电机的机端电压提供励磁电流的黑启动单元；
与黑启动单元连接的过流限制单元；
与过流限制单元和切换单元连接的过流保护单元。
优选地，所述黑启动单元包括热敏电阻和热保险元件。
优选地，所述控制模块还包括：
系统电压检测单元，用于检测电网额定电压，并将检测结果发送至核心控制单元；
同步信号检测单元，用于检测发电机同步信号，并将检测结果发送至核心控制单元；
频率检测单元，用于检测发电机电压输出频率，并将检测结果发送至核心控制单元。
优选地，所述控制模块还包括：
开关量检测单元，用于检测发电机的开关量，并将检测结果发送至核心控制单元；
信号输出单元，包括用于输出控制信号的触发信号输出器、用于产生脉冲列的脉冲列发生器。
优选地，所述信号输出单元还包括功率隔离放大器。
优选地，所述电压检测单元包括依次相连的电压电流转换电路、隔离变流器、电流电压转换电路、文氏滤波电路、偏置放大电路和限幅滤波电路。
优选地，所述频率检测单元包括相互连接的文氏滤波电路和比较器电路。
优选地，所述全控桥功率模块包括：
与发电机定子连接、用于提供励磁电源的励磁变压器；
与控制模块和切换单元连接、用于产生运行励磁电流的可控硅全控桥。
优选地，所述核心控制单元包括信号转换子单元和数字信号处理子单元，所述信号转换子单元被配置为将电压、电流模拟信号转化为数字信号，所述数字信号子单元被配置为对数字信号进行运行状态分析并产生控制信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明的励磁装置由于设置了具有黑启动功能的起励模块，在完全无电的情况下自启动，为发电机提供初始励磁电流；本发明的励磁装置由于设置了控制模块和全控桥功率模块，通过发电机的电压、电流、频率等运行状态指标产生控制信号，全控桥功率模块输出合适的励磁电流，维持发电机的极端电压。
附图说明
图1是本发明实施例1的励磁装置的结构框图。
图2是本发明实施例1的励磁装置中控制模块的结构框图。
图3是本发明实施例1的励磁装置中电压检测单元的电路图。
图4是本发明实施例1的励磁装置中频率检测单元的电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供了一种低压发电机黑启动励磁装置，与现有技术相比，其不同之处在于，该装置包括：
通过不控整流单元与发电机定子端连接的起励模块，所述起励模块被配置为在停电状态下进行自启动并为发电机提供初始励磁电流；
控制模块，所述控制模块包括检测发电机输出端电压的电压检测单元、检测发电机的输出电流的电流检测单元、检测发电机的转子励磁绕组电流的励磁电流检测单元和核心控制单元，所述核心控制单元被配置为根据该输出端电压、输出电流、励磁电流进行运行状态分析并产生一控制信号；
与发电机定子端连接的全控桥功率模块，所述全控桥功率模块被配置为根据控制的模块的控制信号产生运行励磁电流并输出至励磁绕组；
以及
与励磁绕组连接的切换单元，所述切换单元被配置为在起励模块的初始励磁电流、以及全控桥功率模块的运行励磁电流之间进行切换。
具体地，上述的励磁装置由于设置了具有黑启动功能的起励模块，在完全无电的情况下自启动，为发电机提供初始励磁电流；上述的励磁装置由于设置了控制模块和全控桥功率模块，通过发电机的电压、电流、频率等运行状态指标产生控制信号，全控桥功率模块输出合适的励磁电流，维持发电机的极端电压。
实施例1：
本发明的实施例1提供了一种低压发电机黑启动励磁装置，请参阅图1所示，该励磁装置包括：起励模块1、控制模块2、全控桥功率模块3和切换单元4，其中，起励模块1通过不控整流单元5与发电机定子端连接，起励模块1被配置为在停电状态下进行自启动并为发电机提供初始励磁电流；控制模块2包括电压检测单元21、电流检测单元22、励磁电流检测单元23和核心控制单元24，电压检测单元21检测发电机输出端电压，电流检测单元22检测发电机的输出电流，励磁电流检测单元23检测发电机的转子励磁绕组电流，核心控制单元24被配置为根据该输出端电压、输出电流、励磁电流进行运行状态分析并产生一控制信号；全控桥功率模块3与发电机定子端连接，全控桥功率模块3被配置为根据控制模块2的控制信号产生运行励磁电流并输出至励磁绕组；切换单元4与励磁绕组连接，切换单元4被配置为在起励模块1的初始励磁电流、以及全控桥功率模块3的运行励磁电流之间进行切换。全控桥功率模块3包括励磁变压器31和可控硅全控桥32，其中，励磁变压器31与发电机定子连接、用于提供励磁电源；可控硅全控桥32与控制模块2和切换单元4连接、用于产生运行励磁电流。
请继续参阅图1所示，作为一个优选方案，起励模块1包括：黑启动单元11、过流限制单元12和过流保护单元13，其中，黑启动单元11利用发电机的机端电压提供励磁电流，过流限制单元12与黑启动单元连接，过流保护单元13与过流限制单元12和切换单元4连接。黑启动单元11包括热敏电阻和热保险元件。
请参阅图2所示，控制模块2还包括系统电压检测单元25、同步信号检测单元26、频率检测单元27、开关量检测单元28和信号输出单元29；系统电压检测单元25用于检测电网额定电压，并将检测结果发送至核心控制单元24；同步信号检测单元26用于检测发电机同步信号，并将检测结果发送至核心控制单元24；频率检测单元27用于检测发电机电压输出频率，并将检测结果发送至核心控制单元24；开关量检测单元28用于检测发电机的开关量，并将检测结果发送至核心控制单元24；信号输出单元29包括用于输出控制信号的触发信号输出器291、用于产生脉冲列的脉冲列发生器292、以及功率隔离放大器293。
请参阅图3所示，电压检测单元21包括依次相连的电压电流转换电路211、隔离变流器212、电流电压转换电路213、文氏滤波电路214、偏置放大电路215和限幅滤波电路216。
请参阅图4所示，频率检测单元27包括相互连接的文氏滤波电路271和比较器电路272。
R1~R14为0.5%精度的标准电阻，根据输入电压的参数计算选取。
C1~C3为5%精度的标准贴片电容。
T1为标准变流器，本发明采用型号为DVDI-10。
OMP1为标准运算放大器，本发明采用型号为LM124。
另外，核心控制单元24包括信号转换子单元和数字信号处理子单元，所述信号转换子单元被配置为将电压、电流模拟信号转化为数字信号，所述数字信号子单元被配置为对数字信号进行运行状态分析并产生控制信号。该励磁装置还包括用于显示发电机运行状态的数码循环显示单元。
本实施例的励磁装置在完全无电的情况下，利用热敏技术和线性电阻配合，构成自适应型启动回路，待发电机接近额定转速后，以发电机残压为电源，给发电机提供起始的励磁电流，使发电机机端输出较高的电压（>30%），以供励磁装置正常工作。
控制模块起到微机励磁控制作用，在机端电压高于一定值（30%）后，控制电源正常工作，控制模块正常工作，判断当前的电机状态和控制指令（电压、频率、启动励磁控制指令等），发出可控硅全控桥所需要的控制脉冲，使可控硅全控桥投入正常工作，黑启动单元自动退出，随即励磁控制单元调节发电机电压到目标值或到空载状态，完成发电机黑启动。
当发电机带负荷运行，实时监测发电机的频率，当出现负荷高于发电机输出功率导致频率降低，或负荷低于发电机输出功率导致频率升高，进行智能频压补偿，通过调整负荷来稳定发电机的输出频率，实现发电机组的稳定运行。
以DSP为励磁装置的核心控制单元，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。
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。
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。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。