李小芬 范少春 羅運(yùn)成

（湖北三環(huán)發(fā)展股份有限公司 武漢 430223）

1 引言

現(xiàn)代社會離不開柔性交流輸電系統(tǒng)，而SVC和SVG是柔性交流輸電系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備。高壓TCR則為SVC的核心裝置，由多級反并聯(lián)晶閘管對串聯(lián)構(gòu)成的晶閘管閥組和串聯(lián)電感組成。通常，通過控制晶閘管閥組的導(dǎo)通角來控制其向電網(wǎng)注入無功電流的大小。為了保證TCR可靠地工作，對晶閘管實(shí)施可靠地觸發(fā)控制是關(guān)鍵。由于TCR工作在高電壓環(huán)境，晶閘管閥組觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須面對和解決高等級電壓隔離、觸發(fā)及監(jiān)控電路取能困難、兼容強(qiáng)電磁干擾環(huán)境等技術(shù)難題。目前常用的觸發(fā)方式有電磁觸發(fā)、光電觸發(fā)［1］、光觸發(fā)［2］（用于光直接觸發(fā)晶閘管）；取能方式有高電位取能和電磁式互感器取能等［3～5］。電磁觸發(fā)是用低位功率脈沖信號經(jīng)穿墻式電流互感器隔離后直接觸發(fā)多對高位晶閘管，這種方式具有成本低、同步性好等優(yōu)點(diǎn)，在工程中有不少應(yīng)用。電磁觸發(fā)往往需要采用專用電源在低壓側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)觸發(fā)電流脈沖，文獻(xiàn)［6］介紹了一種用于晶閘管閥串觸發(fā)的多路輸出的隔離電源，但其系統(tǒng)構(gòu)成和大功率電流源的生成方式復(fù)雜。本文給出了一種新穎的、結(jié)構(gòu)簡單的大功率脈沖電流源的生成方案和電磁觸發(fā)系統(tǒng)。

2 高壓TCR晶閘管閥組觸發(fā)方案設(shè)計(jì)

構(gòu)成35kV TCR裝置主回路的三相晶閘管閥組，每相閥組由22對6.5kV的晶閘管反并聯(lián)而成?？紤]到成本、可靠性等因素，觸發(fā)系統(tǒng)采用電磁觸發(fā)方式，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下。

觸發(fā)控制系統(tǒng)由一塊由低壓電源供電的脈沖板、66塊處于高電位系統(tǒng)的TE板組成，如圖1所示。B、C相連接方式與A相一致。TE板設(shè)計(jì)有電流互感器及觸發(fā)電路、取能回路、BOD保護(hù)支路、狀態(tài)檢測及光纖反饋支路。脈沖板設(shè)計(jì)有電源電路、光纖收發(fā)電路、脈沖保護(hù)及功放電路、脈沖電流源電路。

圖1 晶閘管觸發(fā)系統(tǒng)示意圖

觸發(fā)系統(tǒng)工作原理為：主控系統(tǒng)把計(jì)算好的觸發(fā)命令通過光纖傳輸給脈沖板；脈沖板將接收到的光脈沖，通過光電轉(zhuǎn)換及相應(yīng)處理后生成觸發(fā)電流脈沖；電流脈沖通過高壓電纜穿過各TE板上的電流互感器，在其副邊感應(yīng)出驅(qū)動脈沖，為每對反并聯(lián)晶閘管提供觸發(fā)，每對晶閘管的狀態(tài)信息通過TE板光纖直接反饋給主控系統(tǒng)。

圖2 強(qiáng)觸發(fā)電流脈沖示意圖

串聯(lián)晶閘管閥組可靠觸發(fā)的基本要求是相互串聯(lián)的晶閘管盡可能地一致開通，這是因?yàn)檩^慢開通的器件可能承受過電壓而損壞。這就要求同組相串聯(lián)的晶閘管之間有最小的門極開通延時(shí)時(shí)間偏差，而強(qiáng)的門極觸發(fā)脈沖能使這個(gè)偏差降到最小。理想的強(qiáng)觸發(fā)電流脈沖如圖2。強(qiáng)觸發(fā)對觸發(fā)電路參數(shù)、觸發(fā)電源功率、工程實(shí)施方式等都有較高要求。經(jīng)綜合考慮，本觸發(fā)方案將驅(qū)動脈沖設(shè)計(jì)為脈沖串，每間隔10ms發(fā)一脈沖串，每串脈沖由四個(gè)寬度為50μs，占空比為50%的脈沖組成，通過加強(qiáng)對每個(gè)脈沖的前沿陡度、平臺電流幅度的控制來實(shí)現(xiàn)觸發(fā)的可靠性和一致性。同時(shí)，為控制簡單，每對反并聯(lián)晶閘管的觸發(fā)脈沖設(shè)計(jì)成一致，通過晶閘管本身承受的電壓極性來決定是否開通。

3 大功率脈沖電流源的設(shè)計(jì)

為可靠觸發(fā)66對晶閘管，脈沖板中設(shè)計(jì)了能提供功率足夠大的電源電路和大功率脈沖電流源生成電路。

電源電路采用經(jīng)典的單端反激式開關(guān)電源變換器電路，用NCP1216作為PWM控制器，和最常用的UC384X系列芯片相比，NCP1216除了具有UC384X芯片的功能外，另外還提供了動態(tài)自供電電路和跳周期的工作模式，可以改善變換器的效率，便于提高電源輸出功率。電源主電路如圖3。

圖3 脈沖板反激開關(guān)電源主電路圖

大功率脈沖電流源生成電路如圖4所示［7～8］。Q5管G極前端的觸發(fā)電路由NPN、PNP三極管構(gòu)成的放大電路組成。A1A2是高壓電纜，作為各TE板上的電流互感器CT的原邊。整個(gè)觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)簡單清晰，成本可控制在最低。

圖4 大功率電流脈沖電路

根據(jù)晶閘管資料，驅(qū)動電流IGT為0.4A，考慮到電流脈沖的強(qiáng)度，將觸發(fā)電流IGon設(shè)計(jì)在1.25A。TE板上的驅(qū)動電流互感器磁芯采用非晶合金繞制，磁導(dǎo)率高，飽和磁密高，在驅(qū)動晶閘管方面，遠(yuǎn)比鐵氧體有優(yōu)勢，且體積可以控制得比較小?；ジ衅髟驯仍O(shè)計(jì)為1：8，則脈沖板驅(qū)動回路的正向電流幅值設(shè)計(jì)值至少要達(dá)到10A。為保證驅(qū)動的可靠性及電流互感器所需的電流源特性，將工作電源電壓設(shè)計(jì)為60V，觸發(fā)瞬態(tài)最大功率可達(dá)600～1kW。

圖4電路中，Q5開關(guān)管選擇IRF630型MOSFET管，D8、R22、C21構(gòu)成電流互感器、L4電感的反向恢復(fù)通道；穩(wěn)壓二極管D7支路可以減小反向恢復(fù)期間A1A2端口電壓波形的振蕩；R29、L4支路是電感儲能通道，用于在A1A2支路形成反向電流，使電流互感器磁芯磁復(fù)位；R25、C12支路中，利用C12電壓不能突變的效應(yīng)，在電流脈沖前沿產(chǎn)生一個(gè)尖峰，避免電流脈沖只有平臺。儲能電感L4參數(shù)的選擇既要考慮有足夠的能量為互感器磁芯磁復(fù)位，同時(shí)還要考慮該支路的時(shí)間常數(shù)，使得Q5導(dǎo)通期間L4不至于飽和。

4 觸發(fā)電路的仿真分析

4.1 仿真模型的建立

35kV TCR系統(tǒng)工作電壓高，組成器件多，實(shí)驗(yàn)安全要求嚴(yán)格，晶閘管閥組驅(qū)動電路的很多特性難以在應(yīng)用現(xiàn)場測試，故對觸發(fā)電路的特性進(jìn)行了仿真分析，重點(diǎn)集中在大功率電流脈沖電路。對該電路來說，負(fù)載特性會影響驅(qū)動波形，仿真模型的關(guān)鍵在于合理等效CT1～CT44及相應(yīng)驅(qū)動支路。

文獻(xiàn)［9～10］研究的晶閘管宏模型分為主塊、控制塊和反向恢復(fù)塊三部分，其中，門極觸發(fā)特性通過二極管和電壓源來模擬，這種模型多用于分析晶閘管的暫態(tài)過程，但用來分析閥組觸發(fā)電路的特性則顯得復(fù)雜。本文對仿真模型進(jìn)行了如下簡化。晶閘管驅(qū)動電路如圖5所示，晶閘管正向?qū)ㄅc反向截止的電路通道不一樣，需用不同的等效參數(shù)。晶閘管正向?qū)ㄍǖ揽捎靡徽蚨O管和一電阻來等效，參照晶閘管門極特性曲線和器件資料，對于單個(gè)晶閘管門極，可選擇3.5Ω電阻來等效門極導(dǎo)通狀態(tài)，由于折算到互感器原邊的電阻與匝比平方成反比，所以每相44個(gè)晶閘管驅(qū)動支路等效到脈沖板驅(qū)動回路的正向等效電阻Req1為2.4Ω。晶閘管反向通道，也可以用一反向二極管和一電阻來等效。反向等效電阻由驅(qū)動回路的反向電阻（圖5中的R1）決定，計(jì)算Req2為137.5Ω。經(jīng)測算，高壓電纜的等效電感為30μH左右。這樣就得到了圖6中的負(fù)載等效電路。用該電路代替圖4中A1、A2之間的實(shí)際驅(qū)動電路，得到最終的仿真模型。

圖5 TE板上的晶閘管驅(qū)動端口電路圖

圖6 單相晶閘管閥組驅(qū)動負(fù)載等效電路

4.2 電路工作過程的仿真分析

采用上述仿真模型，選擇Orcad進(jìn)行了一系列仿真，得到圖7各支路電流的波形，可以看出電路的工作過程如下：

Q5開通時(shí)，L4支路電流逐漸增加，A1A2驅(qū)動支路通過Lfb、D1、Req1構(gòu)成回路，電流流過高壓電纜A1、A2，互感器原邊電流約10A，副邊感應(yīng)出約1.25A的電流使得各晶閘管導(dǎo)通，導(dǎo)通后，門極電壓約為2.6V，前向二極管壓降約為0.8V，因此單個(gè)互感器副邊的壓降為3.4V，44個(gè)互感器反射到原邊的壓降就是18.7V，回路參數(shù)的選擇要考慮該壓降的影響。

Q5關(guān)斷時(shí)，A1A2驅(qū)動支路、L4支路電流均不能突變，會通過D8向C21充電，Q5漏極電壓上升，可以達(dá)到電源電壓的幾倍，當(dāng)電壓到達(dá)峰值時(shí)，A1A2支路電流降為零。因?yàn)長4的電感量和電流比較大，此時(shí)其磁能并未釋放完畢，會繼續(xù)通過A2、A1、R29夠成回路，為互感器磁芯提供反向復(fù)位電流，避免磁芯的飽和，直至下一個(gè)驅(qū)動周期的到來。

圖7 驅(qū)動回路電流分布（曲線1—流過Q5電流；曲線2—A1A2驅(qū)動回路；曲線3—L4支路；曲線4—D8電流）

4.3 典型的仿真結(jié)果

利用仿真模型分析了觸發(fā)電路參數(shù)變化的影響，典型的仿真結(jié)果如下：

（1）A1A2驅(qū)動端口的電壓和電流波形見圖8。驅(qū)動電流最大值的仿真結(jié)果為12A；脈沖電流的反向峰值仿真值為0.8A，基本達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

（2）分布電感Lfb的大小，對A1A2支路電流脈沖的上升沿有較大影響。30μH分布電感得到的電流脈沖前沿約為1A／μs，而與5μH分布電感對應(yīng)的前沿則達(dá)到了3.75A／μs?？梢?，在實(shí)際工程應(yīng)用中，設(shè)法降低回路分布電感對提高晶閘管的驅(qū)動特性是很有意義的。

圖8 30μH分布電感得到的A1A2驅(qū)動端口兩端電壓

5 觸發(fā)電路的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

圖9 主回路電流波形（CH1）與一組晶閘管兩端的電壓波形（CH2）

圖10 脈沖板A1A2驅(qū)動端口兩端電壓（CH1）和電流脈沖實(shí)測波形（CH2）

為驗(yàn)證本觸發(fā)方案，搭建6kV高壓觸發(fā)測試平臺進(jìn)行測試分析。為更真實(shí)模擬實(shí)際TCR系統(tǒng)，主回路只用4組晶閘管反并聯(lián)，脈沖板除接驅(qū)動這4對晶閘管的TE板負(fù)載外，還外接18塊未驅(qū)動晶閘管的TE板，這些單板的晶閘管驅(qū)動端口用二極管模擬晶閘管門極。在130度觸發(fā)角下，得到圖9所示電壓和電流波形。利用泰克A622電流探頭測試脈沖板A1A2驅(qū)動端口電流波形，得到圖10所示結(jié)果。對比圖8和圖10可知，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，觸發(fā)電流的脈沖幅值達(dá)到了12A，脈沖前沿1.3A／μs，且觸發(fā)過程中，脈沖電路電源的電壓幅度無跌落，控制在58V以上，滿足應(yīng)用要求。

6 結(jié)語

本文介紹了一種用于35kV高壓TCR晶閘管閥組的觸發(fā)控制方案，對觸發(fā)電路進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)分析，重點(diǎn)討論了大功率脈沖電流源生成電路。結(jié)果表明，該觸發(fā)電路能可靠的觸發(fā)晶閘管，其所用的大功率脈沖電流源生成電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，觸發(fā)控制方案經(jīng)歷了在工程中長期運(yùn)行的考驗(yàn)，工作穩(wěn)定可靠，值得在工程應(yīng)用中推廣。同時(shí)，用簡化觸發(fā)電路等效仿真模型得到的仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致，證明了仿真模型的實(shí)用型。

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