劉佳寧, 劉 婷, 祝洪峰, 王思超, 萬振寧, 郝正強

(1. 遼寧大學 輕型產(chǎn)業(yè)學院, 遼寧 沈陽 110036；2. 東北大學 信息科學與工程學院, 遼寧 沈陽 110189)

靜止無功發(fā)生器半實物仿真實驗平臺的電路設計

劉佳寧1, 劉 婷1, 祝洪峰1, 王思超1, 萬振寧1, 郝正強2

(1. 遼寧大學 輕型產(chǎn)業(yè)學院, 遼寧 沈陽 110036；2. 東北大學 信息科學與工程學院, 遼寧 沈陽 110189)

根據(jù)靜止無功發(fā)生器(SVG)的工作原理,以TMS320F2812為主控芯片,搭建了靜止無功發(fā)生器半實物仿真實驗平臺,完成了主電路、采集電路、驅動電路、保護電路及輔助電路的設計,給出主要電路的原理圖。該仿真實驗平臺結構簡單、功能完善、采用模塊化設計,能夠驗證各種控制算法,可供學生分組協(xié)作實驗,幫助學生理解無功功率補償?shù)墓ぷ髟砗涂刂撇呗缘认嚓P知識。

靜止無功發(fā)生器； 半實物仿真平臺； 電路設計

隨著電力系統(tǒng)裝機容量擴大,非線性負荷和無功負荷產(chǎn)生的無功電流和諧波電流也隨之增加,它們會降低電網(wǎng)的供電質量,影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。適當安裝無功功率補償裝置可以減少無功功率在電網(wǎng)中的流動,提高電能質量、降低電網(wǎng)損耗、維持系統(tǒng)的安全可靠運行[1-3]。靜止無功發(fā)生器(SVG)具有損耗小、響應快、諧波含量少、所用電容器和電抗器容量小等優(yōu)勢[4],因而在大型輸變電站和終端用電企業(yè)中已得到了廣泛應用[5-6]。然而,高?，F(xiàn)有的SVG實驗裝置多為工程應用裝置,難以滿足教學、實驗、演示要求,實驗教學效果欠佳[7-8]。

為了加深學生對于無功功率補償?shù)恼J識,提高教學質量,筆者根據(jù)SVG的原理,進行了半實物仿真平臺的電路設計。該仿真平臺本著實用、可靠、便捷、簡單的原則,只保留必要的功能,在保證可靠性、實用性的前提下,采用盡量少的元件,縮小體積、降低成本。該仿真平臺具有簡潔的電路組成、便捷的輔助功能、可靠的保護措施,具有易于學生觀摩、操作、改裝、移植成果的框架結構。

1 靜止無功發(fā)生器半實物仿真平臺的結構

依據(jù)SVG的工作原理[9-10],設計的仿真平臺主要包括主電路、主控板、采集電路、驅動電路、保護電路和輔助電路等幾個功能模塊,具體結構如圖1所示。仿真對象與電網(wǎng)經(jīng)變壓器隔離,負荷直接連接在變壓器的輸出點,仿真平臺通過電感與電網(wǎng)相連。

SVG的主電路實質是一個電流源,可根據(jù)指令控制開關動作,從而發(fā)出符合要求的補償電流,完成無功、負序和諧波的補償。采集電路用于采集電網(wǎng)和母線電壓、SVG和負荷電流的瞬時值,同時變換信號并傳送給主控板。驅動電路是主控板和主電路之間的轉換電路,用來驅動功率橋的開關元件,實現(xiàn)脈沖控制信號的隔離與功率放大。保護電路的主要功能包括橋臂直通保護和直流母線過壓過流保護。輔助電路由通信電路和基準電源構成。

圖1 硬件系統(tǒng)結構圖

2 主電路的設計

主電路是無功補償功能的基礎部分,主電路設計包括電路設計、參數(shù)計算和元器件選型等工作。

2.1 主電路設計

SVG仿真平臺主電路設計如圖2所示,包括三相功率半橋、直流側電容及均壓電路、電容充電電路、電壓警示電路以及RCD緩沖吸收電路。

三相功率半橋由6個IGBT模塊組成,負責將直流電壓逆變?yōu)榻涣麟妷?從而在連接電感上產(chǎn)生輸出電流。IGBT開關速度快、工作頻率高、驅動功率小、耐壓能力強,能夠滿足SVG的要求[11]。

直流電容用于儲存電能、維持直流母線電壓,兩串兩并的連接方式需要配套電阻R8和R10進行均壓,保證電容電壓的自動平衡。電阻R1和開關管Q1組成了直流電容充電電路。通電時各IGBT關閉,裝置處于不控整流階段,通過IGBT的續(xù)流二極管整流輸出,實現(xiàn)對電容充電。當DSP主板通電后,要求直流母線電壓在程序控制下迅速升高至設定值。因此,直流電容電壓要經(jīng)過兩個快速升高過程:從0到不控整流電壓、從不控整流電壓到直流設定電壓。受直流電容的影響,電壓的快速升高會導致電流急劇上升,為避免裝置發(fā)生過流,要在兩個升壓過程中對裝置進行限流。針對第一個升壓過程,在直流回路設置充電電阻:裝置啟動時,電阻R1進行限流充電；當直流電壓達到一定值后,系統(tǒng)控制Q1導通,把R1從回路中切除。裝置停機后,均壓電阻還能起到泄放電容電流的作用,提高電容使用壽命,防止觸電事故發(fā)生。

電阻R9和發(fā)光二極管D4共同組成直流電壓警示電路,當直流電壓增大時二極管發(fā)光,警示操作人員防止觸電。另外,為每個IGBT配置了緩沖吸收回路,可有效防止IGBT在開通和關斷瞬間過壓或過流,避免器件因工作點超出安全區(qū)而損壞。

2.2 主電路參數(shù)計算

SVG仿真平臺設計容量為5 kVA,頻率為50 Hz,三相三線制。由三相三線隔離變壓器變壓后獲得三相交流輸入電壓,相電壓有效值220 V。裝置交流參數(shù)已知,即可推算直流電路主要參數(shù)。

圖2 SVG主電路設計圖

因此,直流側電壓額定值取800 V。考慮相關國家標準允許的電網(wǎng)電壓最高波動幅度規(guī)定,設定直流側電壓最高值為額定值的1.2倍,即Vdc_max=1.2Vdc=960(V)。根據(jù)SVG電路結構及運行原理,單個開關元件在運行時最高承受電壓為2/3Vdc。應選元件耐壓值為其兩端電壓最大值的2倍,即元件耐壓值為直流側電壓最大值的1.33倍,約1 200V。

根據(jù)仿真平臺額定容量,得到交流側額定電流:

考慮裝置損耗,取交流側額定電流有效值為8A,最大電流有效值設為額定電流的1.2倍,即9.6A。

綜上,選擇額定電壓為1 200V,額定電流為40A/25℃、25A/100℃的FGA25N120型IGBT。

SVG在工作時,對直流電容的容量要求不高,電容參數(shù)采用以下經(jīng)驗公式計算:

式中,I0為逆變橋交流側額定電流,ω為工頻角頻率,Vdc為直流側額定電壓；K為系統(tǒng)允許的直流側母線電壓波動系數(shù),取0.01～0.1。選擇4顆耐壓值550V、容量1 500μF的直流電解電容,兩串兩并連接后,總耐壓1 100V,總容量1 500μF。

連接電感主要起到濾波和控制電流的作用,根據(jù)工程實測經(jīng)驗值進行選取。本實驗平臺具有容量小、開關頻率高的特點,因此電感值取2mH。

3 采集電路的設計

采集電路負責收集整個系統(tǒng)的電壓、電流等參數(shù),將模擬量轉換為數(shù)字量,并在此基礎上計算電網(wǎng)電壓、負荷電流、SVG輸出電流等數(shù)據(jù)。

采集電路需要對電網(wǎng)交流電壓、負荷交流電流、SVG輸出交流電流、直流母線電壓4組/8個數(shù)據(jù)進行采集、變換和整定,最后傳輸給主控板。需采集數(shù)據(jù)的詳細信息如表1所示。

表1 運行參數(shù)采集設定表

交流電壓采集選用擇明電子ZMPT101B型電壓互感器。交流側電壓最大有效值為475 V,取一次側限流電阻475/0.002=237.5 kΩ,使用5個阻值為47.5 kΩ,精度1%的電阻串聯(lián)。輸出電流的有效值為2 mA,采樣電阻為100 Ω,則互感器副邊電壓峰值為0.282 8 V。而后的調理電路可將互感器輸出電壓放大5.11倍,電壓范圍變?yōu)椤?.445 1 V,再進行直流偏置,最終得到范圍在0.056 9～2.947 1 V的輸出電壓。交流電壓采樣電路如圖3所示。

圖3 交流電壓采集電路

交流電流采集選擇擇明電子ZMCT116A型電流互感器,變比為2 500∶1,當原邊電流達到峰值14.14 A時,副邊電流峰值為5.6 mA,取阻值64.9 Ω、精度1%的采樣電阻,則副邊輸出電壓峰值為0.363 4 V。而后經(jīng)整定電路放大4.02倍,再經(jīng)直流偏置,最終輸出范圍在0.041～2.963 V,電路如圖4所示。

圖4 交流電流采集電路

直流母線電壓采集電路原理如圖5所示,線性光耦采用Avago公司生產(chǎn)的HCNR200。電阻對直流母線電壓進行分壓；電壓跟隨器進行阻抗匹配和緩沖隔離；線性光耦起到隔離保護作用；濾波器濾去部分諧波；二極管對DSP端口進行鉗位保護。直流母線電壓經(jīng)一系列變換后轉化為模擬量送入DSP的A/D轉換接口。

圖5 直流母線電壓采集電路

4 驅動電路的設計

驅動電路的主要功能包括:放大DSP輸出信號(電壓、功率)；隔離DSP與橋路,減小干擾并防止DSP損壞。選用的IR2110驅動電路主芯片具有體積小、速度快的優(yōu)點[12]。IR2110的內(nèi)部結構如圖6所示,柵極驅動電壓為15 V,邏輯電源電壓為5 V。

圖6 IR2110的內(nèi)部結構框圖

IR2110的輸出阻抗比較小,能夠使IGBT快速導通和關斷。但是,開關速度過快會使柵極承受較快的電流變化。為避免尖峰電壓擊穿IGBT,應在IR2110的輸出端與IGBT柵極間串聯(lián)一個30 Ω電阻Rg,并在其兩端反向并聯(lián)一個快恢復二極管,以構成IGBT關斷放電回路,提高IGBT的開關速度。驅動電路設計如圖7所示。

圖7 IGBT驅動電路

光耦6N137及其輔助電路將DSP主控板與強電電路隔離,D2、D4、D7起穩(wěn)壓作用,在實際電路中常用瞬態(tài)抑制二極管(TVS)代替。在主控板與光耦間還應放置一個鎖存芯片74HC563,用于電平轉換和緩沖保護。

5 保護電路的設計

SVG的保護電路包括直流母線過電壓保護電路(見圖8)和上下橋臂直通保護電路(見圖9)。為保證實驗安全,SVG在工作時要時刻檢測直流側電壓狀態(tài),若其超過限度,應及時發(fā)出故障報警信號,使控制器停止脈沖輸出,保障裝置和實驗操作人員安全。

圖8 直流過壓保護電路

圖9 上下直通橋臂保護電路

電路中,RC濾波電路濾除高頻干擾,電壓比較器將濾波后的直流電壓檢測值與設定基準值做比較,若超限則輸出高電平,若正常則輸出低電平。直流母線過電壓保護的閾值設定為額定值的125%。

SVG運行時,每一相橋臂的兩個IGBT絕不能同時導通,因此需設計相應的上下橋臂直通保護電路。當任一相上下橋臂控制信號同時為高電平時,保護電路輸出故障信號,并點亮橋臂直通保護指示燈。

直流過壓保護和上下橋臂直通保護的輸出信號由邏輯電路匯總,通過光耦隔離后送至驅動芯片的使能端SD,以適時封鎖橋路輸出,電路如圖10所示。

圖10 硬件保護匯總電路

6 輔助電路的設計

輔助電路包括基準電源產(chǎn)生電路和無線通信電路。基準電源用于采樣電路直流偏置,要求精度高。選用TL432BSA-7芯片為核心的輔助電路,如圖11所示。

圖11 基準電源產(chǎn)生電路

無線通信電路采用EMW3162型Wi-Fi模塊完成SVG與上位機的通信,并通過串口與DSP控制板的SCI-A接口相連(如圖12所示)。該模塊操作方便,設置簡單,傳輸速率高,占用資源少。

圖12 Wi-Fi模塊實物圖

7 結語

本文對靜止無功發(fā)生器半實物仿真平臺進行了電路設計,本著精簡實用、便捷可靠的原則,設計了主電路、采集電路、驅動電路、保護電路和輔助電路。靜止無功發(fā)生器半實物仿真平臺為多種無功補償控制算法提供了實物仿真條件,為學生深入了解無功功率補償?shù)睦碚摵头椒ù蛳聢詫嵒A。

References)

[1] 姜齊榮,謝小榮,陳建業(yè),等.電力系統(tǒng)并聯(lián)補償結構、原理、控制與應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[2] 王兆安,楊君,劉進軍,等.諧波抑制和無功功率補償[M].2版.北京:機械工業(yè)出版社,2005.

[3] 林海雪.現(xiàn)代電能質量的基本問題[J].電網(wǎng)技術,2001,25(10):5-12.

[4] 周建豐,顧亞琴,韋壽祺.SVC與STATCOM的綜合比較分析[J].電力自動化設備,2007,27(12):57-60.

[5] 鄭學奇.FC+SVG動態(tài)無功補償裝置在鋼鐵廠棒材生產(chǎn)線中的應用[J].山東工業(yè)技術,2016(7):23.

[6] 毛戈.靜止型動態(tài)無功發(fā)生器(SVG)在電網(wǎng)輸變電工程和風電場中的應用[J].電氣應用,2012,31(13):36-39.

[7] 張穎杰.基于DSP的靜止無功發(fā)生器設計[D].大連:大連理工大學,2013.

[8] 劉俊杰.靜止無功發(fā)生器(SVG)的研究與設計[D].天津:天津理工大學,2012.

[9] 茅靖峰,孫玉坤,吳愛華,等.靜止同步補償器裝置建模、控制與仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2007,19(10):2332-2336.

[10] 沈斐,王婭嵐,劉文華,等.大容量STATCOM主電路結構的分析和比較[J].電力系統(tǒng)自動化,2003,27(8):59-65.

[11] 吳文輝,劉會金.靜止同步補償器(STATCOM)技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].華東交通大學學報,2005,22(2):89-94.

[12] 楚斌.IR2110功率驅動集成芯片應用[J].電子工程師,2004,30(10):33-35.

Circuit design of semi-physical simulation experimental platform for static var generator

Liu Jianing1, Liu Ting1, Zhu Hongfeng1, Wang Sichao1, Wan Zhenning1, Hao Zhengqiang2

(1. Light Industry College, Liaoning University, Shenyang 110036, China; 2. College of Information Science and Engineering, Northeastern University, Shenyang 110189, China)

According to the working principle of SVG(cstatic var generator), this paper builds a semi-physical simulation platform with TMS320F2812 as the main control chip, and completes the design of main circuit, acquisition circuit, drive circuit, protection circuit and auxiliary circuit. The simulation platform has a clear idea, a simple structure, complete functions and modular design, which can promote students’ collaborative and group learning. Objects of the simulation platform can verify various control algorithms and help students understand the principle of reactive power compensation, control strategy, and other relevant knowledge.

static var generator(SVG); semi-physical simulation platform; circuit design

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.031

2016-11-17

國家自然科學基金項目(61304021)；遼寧省教育廳科學研究一般項目(L2015198)；遼寧省博士科研啟動基金項目(201601091)；遼寧大學青年科研基金項目(LDQN201439)；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目(X201510140174)；遼寧大學教學改革項目(JG2016YB0023)

劉佳寧(1994—),男,遼寧撫順,本科生

E-mail：ljn94@foxmail.com

劉婷(1984—),女,遼寧錦州,博士,講師,主要研究方向為電力系統(tǒng)非線性控制方法.

E-mail：liuting_tinka@sina.cn

TM761

A

1002-4956(2017)5-0127-06