（电力系统及其自动化专业论文）可控串联补偿控制系统的设计及实现(1).pdf

上海交通| 走学电卉擘院 作方式。， v ， 碗士学位论交 控制器的软件采用二层结构，包括r i n 9 3 层的界面应用程序和 r i n 9 0 层的底层控制程序。这样的软件结构既能够利用w i n d o w s 应用 程序的特性实现直观友好的用户操作界面，又能够利用r i n 9 0 层控制 程序的特性满足控制软件实时性的要求。界面应用程序设计成 w i n d o w s 应用程序，底层控制程序设计成w i n d o w s 9 8 的驱动程序。 界面应用程序通过对驱动程序的功能调用实现所需的控制功能，底层 应用程序也可以通过消息机制向应用程序发出要求。所有程序采用现 今最先进的面向对象的设计方法和面向对象的编程语言，采用模块 化、组件化设计，能够方便地根据需要进行系统的扩充。特别是作为 通用的控制系统，为满足实验需要，控制程序中对控制策略不进行任 、 何假定，可以根据需要灵活地修改或者添加控制策略。上 利用设计的控制系统，对可控串联补偿系统进行了动态模拟实 验，研究了可控串联补偿模块的运行特性和在容性区的等效阻抗特 ， 性。( 实验结果证明该控制器能够精确地反映系统的状态，也能准确可 、 靠地按照选定的控制策略对可控串联补偿装置进行控制，可以满足动 态模拟实验室对控制系统的要求。) 关键词可控串联补偿，电力系统，触发器，控制器，驱动程序 第2 页 二圭篓苎苎茎兰兰丝兰苎 翌兰兰堡坚 d e s i g na n di m p l e m e n to f c o n t r o l s y s t e mf o rt h y r i s t o r c o n t r o l l e d s e r l e sc o m p e n s a t i o n a b s t r a c t t h eb a s i cs t r u c t u r ea n dm a i nf u n c t i o nm o d e so f t h y r i s t o rc o n t r o l l e d s e r i e sc o m p e n s a t i o n ( t c s c ) a n di t sr e q u i r e m e n t st oc o n t r o ls y s t e ma r e p r e s e n t e d ac o n t r o ls y s t e mf e e d i n gt h er e q u i r e m e n t si sd e s i g n e da n d i m p l e m e n t e d ，i n c l u d i n gt r i g g e ra n d c o n t r o l l e r ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h ed e s i g no ft r i g g e rf u l l yc o n s i d e r so fg e n e r a lr e q u i r e m e n t sa n d c a nb eu s e dt ob eg e n e r a lt r i g g e ro fe l e c t r i c a lv a l v e t h ed e s i g na l s o c o n s i d e r so ft h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fo u re x p e r i m e n t s w i t hs p e c i a l d e s i g n ，i m p o r t sa u x i l i a r yv o l t a g em o d u l e ，t h et r i g g e r w o r k sw i t h c o n t r o l l e rc a nt r a n s f e rt h et c s cb e t w e e nt h et r e ef i m c t i o nm o d e se a s i l y a n dc o n v e n i e n t l y w i t hl o c a lc o n t r o lm o d u l e ，t h et r i g g e ri se a s yt od e b u g a n dc a n c a r r ys o m es i m p l ec o n t r o lw i t h o u tc o n t r o l l e ri ns o m es p e c i a lc a s e o nt h eo t h e rh a n d ，r e m o t ec o n t r o lm o d u l eo f t r i g g e rc a r lf o l l o w t h eo u t p u t o fc o n t r o l l e ra c c u r a t e l ya n d p r o v i d ep u l s et h a tf u l f i l st h er e q u i r e m e n t s i t h a sb e e np r o v e dt h a tt h eo u t p u to f t r i g g e rc a ne f f e t e l yt r i g g e rt h y r i s t o r b e s i d e s ，t h eo u t p u t sa m p l i t u d ea n dw i d t hc a nf i t t h er e q u i r e m e n t so f 第3 页 ! ! ! ! ! 翼苎兰皇生兰苎 丝兰兰堡坚 m o s to t h e re l e c t r i c a lv a l v e t h ec o n t r o l l e r e x c h a n g e d a t aw i t h c o m p u t e rw i t hp cb u s ，c a n c o n v e n i e n t l yc o n t r o lt h et c s cu t i l i z i n gt h ec p uo fp c b e s i d e sn o r m a l datac o l l e c t i o na n dd a t a o u t p u tm o d u l e s ，w i t h t i m e ra n dh a r d w a r e i n t e r r u p tm o d u l e s ，t h ec o n t r o l l e rc a n f i tt h ee x p e r i m e n t sr e q u i r e m e n t sf o r c o n t r o l l e r a n dw i t ht h e s es p e c i a ld e s i g n e dm o d u l e s ，t h ec o n t r o l l e rc a n m e e tr e q u i r e m e n t so f g e n e r a li n d u s t r i a lc o n t r 0 1 w i t hv a r i o u sj u m p so n c o n t r o l l e r , t h ec o n t r o l l e rc a n s e tv a r i o u sf u n c t i o nm o d e s c o n v e n i e n t l y t o w - t i e rs t r u c t u r ei s a p p l i e di nt h es o f t w a r eo fc o n t r o l l e r , i n c l u d i n g g u i a p p l i c a t i o no nr i n 9 3l a y e r a n dc o n t r o ld r i v e ro n r i n g ol a y e r s u c ha s t r u c t u r ec a nu t i l i z et h ec h a r a c t e r i s t i co fw i n d o w s a p p l i c a t i o n t o i m p l e m e n tf r i e n d l yg u i ，a n d u t i l i z et h ec h a r a c t e r i s t i co f r i n g od r i v e rt o m e e tt h er e a lt i m er e q u i r e m e n t so fc o n t r o l l e r t h es o f t w a r ei s d e s i g n e d w i t ht h em o s ta d v a n c e do b j e c to r i e n t e dp r o g r a mm e t h o da n dp r o g r a m l a n g u a g e ，c a nb ee a s i l ye x t e n t s p e c i a l l y , t om e e tt h er e q u i r e m e n t so f e x p e r i m e n t ，t h e r ei s n oa s s u m p t i o no nc o n t r o ls t r a t e g yi nt h es o f t w a r e t h eu s e rc a ns e tm o d i f ya n da d dc o n t r o ls t r a t e g ya tw i l l e x p e r i m e n t ss h o w st h a t t h ec o n t r o l s y s t e mc a na c c u r a t e l yr e f l e c t s t a t eo fs y s t e m ，a n dc a nr e l i a b l yc o n t r o l t h et c s cc a r r y i n gv a r i o u s c o n t r o ls t r a t e g i e s k e y w o r d st c s c ，p o w e rs y s t e m ，t r i g g e r ，c o n t r o l l e r ，d r i v e r 第4 页 兰堑望生查兰兰生j 坠 丝兰兰堡苎苎 1 i 可控串联补偿技术简介 第1 章绪论 1 1 i 常规串联电容补偿 电力系统中经常要为某种目的提高输电线路的传输功率。若忽略输电线路电 阻，线路的传输功率有如下形式呷1 ： ：簪s i n k 。1 椭 可见，改变x 。则可以提高线路的传输功率，而由于线路的电抗部分为感性， 在线路中串入电容可有效减小。从而提高线路的传输功率，提高经济性。理论 上讲，不考虑其他因素限制，线路的传输功率可通过串联电容提高到接近线路的 热容量。 从上式也可看出，采用串联电容补偿，可以缩短线路的电气距离，从而还有利 于提高系统的稳定性，并可以通过串联电容的投切，在一定程度上实现系统潮流 的合理分配以改善系统的性能，减少系统损耗。从经济上分析，串补电容的投资 与其他方案如架设新线路相比也要少得多。 但是，常规串联电容补偿技术还存在一些复杂的问题。其中最重要的是次同 步谐振( s u b s y n c h r o n o u sr e s o n a n c e s s r ) 现象1 8 】【1 9 】f 2 8 j 【2 9 i 。1 9 7 0 年和1 9 7 1 年，美国的内华达州的m o h a v e 电厂发生了两次机轴轴系局部严重塑性变形事故， 就是由于串联补偿的采用而引发系统中低于工频的次同步机电振荡，导致发电机 轴系扭振而致破坏。但如果对投运和设计建设的串联补偿线路采取预防措施，串 联补偿不论是经济效益，还是运行可靠性，仍是最有吸引力的远距离大容量输电 的措施之一。 串联电容器单元如下图所示1 ! 隳勉竺警攀 ，j l 口，o - 1 磐f卜手= p j ii 耐型3 - 女技空气间隙 图i i串联电容器及保护回路 f i g u r e1 1 s e r i e sc a p a c i t o ra n dp r o t e c t i o nc i r c u i t 最新的串补工程普遍采用氧化锌非线性电阻m o v 作串联电容器的过电压保 第7 页 上海交通走学电力学院 硕士学位论走 护。与原来的空气单间隙、双间隙方案相比其优点是保护回路可靠性高，电容可 以瞬时重投并减少重投暂态过电压。m o v 的保护水平取决于电容器电抗及系统稳 态和暂态电流，m o v 容量，即要求其吸收能量的能力，取决于系统故障电流及允 许的持续时间。如其能量超过设计值，则由触发空气间隙击穿保护m o v 。触发空 气间隙与m o v 并联如图，间隙触发由监测m o v 负载的能量模拟装置控制。旁路开 关与触发空气间隙并联，当系统故障、短路电流持续通过空气间隙，而线路断路 器又失灵的情况下旁路开关闭合，它也可在电容器绝缘平台需要退出运行时闭合 操作，其控制系统允许就地或远方作串联补偿装置的投入和退出操作。限流电抗 器用于限制通过触发间隙和旁路开关的电容器放电电流。 1 1 2 灵活交流输电系统( f a c t s ) 1 12 1 灵活交流输电系统概述 灵活交流输电系统( f a c t s f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m s ) 是近年 迅速发展起来的用于控制交流输电的新技术【4 】【5 】【6 】。f a c t s 主要通过对交流输电 线路的阻抗控制、相位控制以及母线的无功电压控制，实现交流输电系统的稳态 潮流和暂态稳定控制，阻尼振荡，以充分利用现有线路，降低线路损耗，提高输 电能力。它集电力技术、电子技术、通讯技术和控制技术于一体。根据与被控交 流输电系统的联结方式，f a c t s 控制器可分为：串联、并联、串并联三类控制器。 根据以上划分，现有f a c t s 控制器可分类为下表【l i ： 表1 1 现有f a c t s 控制器分类 f a c t s 技术由于为解决现代电力系统中的问题提供了技术上的保证而得到 飞速发展。这主要表现在以下几个方面1 l 【8 l 【2 1 1 ： 1 现代电力系统的发展趋势是电网的互联，从而带来电网在地理分布上的不断 第8 页 上海变通大学电力学院 硕士学位论文 扩大，广泛采用长距离输电，但不加控制的长距离输电的系统潮流取决于电 网结构，往往导致不经济性。f a c t s 元件可以实现对电网参数的灵活快速调 节以控制输电网络上的潮流分布，大大提高了输电可控性从而实现潮流的经 济分布； 2 电力系统的总容量和单机容量的不断增大和电压等级的不断提高又使系统稳 定问题日益突出。f a c t s 元件能够迅速调节系统参数以控制系统的稳定，大 幅度提高系统的稳定性； 3 交流输电系统为改变系统的结构或切除故障，采用的是机械式断路器，若采 用f a c t s 的电子元件，可大大提高控制的动作速度，并延长元件的寿命； 随着社会科学技术的发展，特别是现代电力电子技术的发展，新技术和新元 件的出现，促使f a c t s 元件的研制有了飞速的发展。另外，电力电子技术在高压 直流输电和无功静止补偿中成功运用积累的经验，也为灵活交流输电系统的提出 和实施提供了必要条件。 f a c t s 系列元件中，统一潮流控制器( u p f c ) 【l3 j 【2 ”是现有元件中功能最强的 一种。它是将并联补偿的s t a t c o n 和串联补偿的s p f c 相结合组成的新型潮流控 制装置。其中s t a t c o n ( 静止调相机s t a r i cc o n d e n s e r ) 是一种新型的采用6 t o 元件的并联补偿装置。它不需要大容量的电容器和电抗器，但能获得比s v c ( 静 止无功补偿器) 更优越的性能。s p f c ( 串联潮流控制器s e r i e sp o w e rf l o w c o n t r o l l e r ) 是同样基于g t o 换流器的潮流控制装置。其原理是通过控制换流器， 改变其输出电压的幅值和相位( 接近垂直于线路电流方向) ，从而改变线路两端 电压( 幅值和相位) 实现线路有功和无功潮流的控制。u p f c 的s t a t c o n 部分接 于母线，其主要功能是调节母线电压和无功功率，串联部分的s p f c 输出电流所 产生的电压可在0 。3 6 0 0 四象限范围内变化( 幅值和相位) ，从而与s t a t c o n 相 互配合，控制线路的有功和无功潮流。 1 1 2 2 可控串联电容补偿技术 自从f a c t s 技术概念提出后，第一个正式应用的f a c t s 项目是可控串联补 偿( t c s c ) ，它是常规串联补偿技术的新发展。t c s c 是通过在原来的普通串补 电容上并联晶闸管控制的电抗器，通过改变晶闸管的触发角，连续平滑地调节调 制电感的电流，从而改变整个模块阻抗的性质和大小。t c s c 继承了常规串联补 偿的所有优点，同时又克服了常规串补中机械控制速度慢、易磨损、不可连续调 节的缺点，所以具有更大的灵活性。而且，研究表明，通过采用一定的控制策略， t c s c 还能够强有力地阻尼线路功率震荡、提高电力系统的稳定性。值得一提的 是，t c s c 还能够很好地抑制常规串补可能引发的次同步谐振，使得它的应用更 加安全。相对于其他f a c t s 元件，t c s c 由于结构简单，成本较低，应用潜力 较大。 图1 2t c s c 电路示意图 f i g u r e l 2 s c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a mo f t c s c 第9 页 上海交通天学电力学院硕士学位论文 可控串联电容补偿( t c s c ) 系统的主要结构如图1 2 所示 2 4 1 2 2 】1 2 3 ”。 在t c s c 模块中，电容器c 与晶闸管控制的电抗器t c r 的并联电路可视为 l c 电路，根据并联支路上流过的电流的大小和方向，整个t c s c 模块稳态时其 外部视在阻抗既可呈容性，也可呈感性。 触发晶闸管导通可以用线路电流或电容器电压为同步参考信号。通常选择波 形畸变较小的线路电流为同步信号，也有采用电流与电压综合的方案。触发角定 义为从电容器电压或线路电流过零点至晶闸管导通时刻的电气角度。t c s c 的基 波阻抗与触发角的关系有下式表示2 肖一= 等一老杀 山 ，r c o c ( c o 。毋a t a 恪小冉锄m 式中，口为采用电容器电压为同步信号时，触发脉冲与电压过零点之间的角 度。 t c s c 有三种基本运行模式畔儿2 2 1 ：阻断模式、旁路模式和调制模式。以下是 这些模式的示意图： c b ) 旁路梗式 图1 3t c s c 模块运行方式 f i g u r e1 3 m o d u l a t i o nm o d e so f t c s cm o d u l e 图中口为晶闸管阻断模式，此模式下，全部电流通过电容器，模块电抗为电 容器容抗，b 为晶闸管旁路模式，晶闸管全导通，此时模块阻抗为调制电感的感 抗和晶闸管阀的等效电阻的串联，几乎全部电流通过晶闸管阀及小电抗，只有很 第1 0 页 上海交通走学电力学跪 硕士学位论吏 小的电流通过电容器。t c s c 共有两种旁路方式，分别由晶闸管阀或旁路开关实 现。晶闸管阀旁路用于控制和保护过程，而旁路开关则用于t c s c 设备故障或退 出运行两种方式的旁路操作。c 给出晶闸管部分导通的微调控制模式，在最典型 的调制模式下，晶闸管阀在每半个周波将要结束时导通，使阀导通值较低，这样 可以控制一感性环流通过电容器，导致模块总容抗大于正常运行容抗，实际有效 欧姆值取决于微调控制模式下，电流通过时间及电流值大小。在微调模式运行时， 晶闸管栅极触发信号采用相控，晶闸管开关处于部分导通状态，触发角口 9 0 。 整个模块的性质取决于晶闸管导通程度。当晶闸管导通角较小时，模块呈容性， 当导通角较大时，模块呈感性。 采用t c s c 代替常规串联电容补偿的主要优势在于： 1 它能有效地防止由于串联电容产生的s s r ( 次同步谐振) 现象。美国b p a 电力系统的s l a t t 可控串补工程进行的试验表明，在无串联电容的线路上加上 常规串联电容补偿，可能引起次同步谐振，但若采用t c s c ，则由于t c s c 对扭振的阻尼效果，不会引起次同步谐振，实际上，实际运行和实验证明 t c s c 还能抑制由于同一线路上其它串联电容引起的s s r 。 2 系统突然投入串联电容器可能引起系统振荡，但采用t c s c ，晶闸管从旁路 到控制的变化过程中，没有次同步谐振。微调控制有效地抑制了次同步谐振。 说明可以在系统没有次同步谐振的情况下有效地将电容器投入。 3 由于t c s c 的运行引起的谐波是很小的，试验证明，即使在最严重的运行方 式下，t c s c 也没有明显地影响网络电流中的谐波分量。 4 t c s c 加上阻尼控制功能，它将成为一种有效的系统阻尼手段。在严重故障 情况下，功率振荡控制在几秒钟后提供了有效的动态阻尼。 1 2 可控串联补偿的控制 1 2 、1 t c s c 的研究现状概述 t c s c 现阶段的主要研究内容包括以下几个方面： 【引【15 】 1 数学模型的建立 数学模型的建立包括t c s c 本身的数学模型和t c s c 控制器数学模型的建 立。为了不同的研究目的，t c s c 可采用不同的模型。如有的文献通过仿真结果来 建立t c s c 的数学模型，有的文献为了研究t c s c 的暂态特性，建立了通过交替 迭代t c s c 的通断来分析t c s c 暂态行为的数学模型。在潮流计算中，有的学者 把t c s c 的影响化为等值的注入功率，有的算法则把t c s c 作为一个模块考虑其 对系统导纳阵的影响来解算潮流。 2 控制策略研究1 4 】【1 6 1 【1 7 1 1 2 5 常用的控制策略有b a n g b a n g 控制，p i e d 控制，但由于电力系统的强非线性 和系统性能要求的提高，传统的控制方法无法满足需要，现在又提出了一些相对 复杂的控制策略，如模糊控制，白干扰控制理论，多目标控制等。 3 继电保护、过电压保护和计算机应用【1 3 】1 1 7 1 2 0 l 由于t c s c 的引入，传统的继电保护可能会不再适用，因此需要研究t c s c 对继电保护的影响，并研究出适合新系统的继电保护。 第1 l 页 ， 上海建逆走学电力学院 硕士学位论炙 4 模拟实验和现场运行【1 2 1 【“】【2 4 】1 2 0 1 现在研究可控串联补偿装置的方法除了以上的理论研究和计算机模拟外，还 有采用模拟装置或实际装置的现场实验取得数据进行分析。目前，国内已经设计 制造了一些模拟装置，国外已经建造了一些实际装置并投入运行，并在系统中发 挥了一些作用。通过运行观测和现场试验，可以深入研究t c s c 的运行特性。 12 2 课题的提出 六十年代我国曾在新安江至上海的2 2 0 k v 输电线和刘家峡至天水、关中的 3 3 0 k g 输电线中采用过串联补偿，后来由于架设了平行输电线路，网络连接加强， 以及当时的设备存在着一些不足，后决定取消上述网络中串联补偿的运行。但是 串联补偿在我国仍具有关阔的应用前景。我国地域广阔，电力资源分布不均衡， 导致电能的跨域输送，送电距离长，系统网架薄弱，采用串联补偿技术是增加线 路输电能力，提高系统稳定性的一种较为经济的选择。目前，华东地区在山西阳 城至江苏淮阴的5 0 0 k v 输电线路上采用串联补偿技术己列入计划，并在研究在后 继工程中实施可控串联补偿，这就促使我国对可控串联补偿技术的研究蓬勃地开 展起来。1 9 9 5 年，可控串联补偿技术赴美考察团回国后，全国各重点高校、电 力研究机构对可控串联补偿在我国的应用进行了广泛的探讨。1 9 9 6 年，陈陈教 授翻译整理了可控串联补偿译文集，并开始组织了课题组，对可控串联补偿 的理论研究和动模实验开始了研究，上海交通大学为此沿着理论与实际两个方面 开展了科研工作和设备的研制工作，取得了一系列的研究成果，并于同年申请下 上海市教育委员会的重点学科项目。1 9 9 8 年，项目通过鉴定，上海交通大学自 行研制的可控串联补偿装置在动态模拟实验室中可以安全可靠运行。限于当时条 件的不足，可控串联补偿课题组计划将其进一步完善。 本课题是在上述已有动模系统的基础上，对硬件软件控制系统的二次开发， 针对原系统的不足和新的需求而对控制系统进行重新研究，目的是将整个可控串 联补偿系统的可靠性和适用性达到完全的模拟实验化程度，并能够在此基础上进 行可控串联补偿的动态特性研究，为实际的工程系统提供技术支持。本课题的研 究对我国在f a c t s 领域的理论研究和实际应用都有积极的意义。 1 3 本文的工作 1 3 1 控制器结构 1 3 1 1 原可控串联补偿控制系统 图1 4 可控串联补偿控制系统结构图 f i g u r e1 4 s t r u c t u r ed i a g r a mo f t c s cc o n t r o ls y s t e m 第1 2 页 兰塑里塑兰笪竺一 丝兰兰竺坚 实验室原设计的可控串联补偿控制系统结构图如图1 4 所示。 系统的数据采集、处理、控制过程及人机对话用工控机来完成。整个系统可 分为采样板、控制机和触发板。该系统采用工控机，d o s 操作系统，主频为3 0 m ， 配有8 m 的r a m 。在控制过程中，系统以工控机为核心，对数据进行采集、处 理和控制运算，并将计算结果输出至触发板，由触发板发出触发脉冲，控制晶闸 管有效导通。这样一个循环就是一个数据处理周期。控制过程中，采样板在进行 采样的同时，工控机将采样来的数据进行处理，分析出同步信号过零点时刻，根 据控制要求，计算出控制触发板的控制信号，控制信号到达触发板后，经过脉冲 变压器的隔离和放大，输出到晶闸管的触发极。工控机同时把采样数据送至数据 缓冲区，以便储存当次采样结果，处理完毕后，数据可根据需要存储于磁盘中。 原系统的a d 采样频率为每周期3 2 点。 13 1 2 控制系统待改进的方面 原控制系统从总体设计来看，基本上符合动态模拟实验要求，并且通过课题 组的调试和实际实验，结果表明，设计能够支持动态模拟实验工作。但是随着计 算机、通讯技术和控制技术的发展，原控制系统有升级换代的必要，同时，原控 制系统中的一些缺陷也有待于改进。这主要体现在以下几个方面： 1 触发板不能按要求灵活控制； 2 计算机的处理能力偏低： 3 无法进行闭环的实时响应控制； 4 采样速度有待提高： 5 控制软件简单，界面不够友好。 1 31 3 控制系统方案的设计 针对课题组现有设备情况，主机选用一台p c 微型机，其主频为5 0 0 m ，内存 为1 2 8 m ，以提高计算机的性能，满足控制需要。设计一块a d 采样板，使之能 够在相应的时间周期内，灵活响应各种人机界面发出的中断，并实现更高的采样 速度。设计新的触发器，以满足实验的需要，特别要做到可根据控制需要灵活调 节触发脉冲的宽度，以满足实验的特殊要求。设计一套基于w i n d o w s 9 8 n t 的控 制软件，实现较为友好的界面，并尝试采用多种控制策略，以比较不同控制策略 对t c s c 运行行为的影响。 控制板功能：控制板将安插于计算机的p c 槽内，控制板上具有总线时钟定 时的芯片。在一个时钟周期内，控制板首先向主机发出中断采样申请，主机响应 此中断后，地址总线将选通采样地址，该地址数据被锁存后，退出此中断。然后 控制板将完成模数转换功能，数据锁存，同时发送一个数据读取信号中断，主机 响应此中断后，从数据锁存地址读入数据。在这个时钟周期的最后，系统将上次 采样计算求得的控制数据输入到d a 转换地址用做d a 转换，或者输入至时钟控 制芯片，供时钟输出精确的触发时刻。 触发板的功能：触发板要求具有良好的跟随性和线性度：前者针对时钟信号 的数字输出，后者针对d a 的模拟量输出。另外，触发板要求能够接受另一控制 信号，该控制信号确定触发脉冲是否展宽。 人机界面功能：要求能够方便地控制a d 采样板，并通过控制信号控制触发 板的脉冲展宽。同时提供文件管理、实时计算等功能。 1 3 2 系统的总体构成 第1 3 页 上蒂芟近大学电力学虎 研壬擎崔静j 之 根据上述的设计，现设计系统的总体构成如图1 5 所示。 图1 5 控制系统总体结构图 f i g u r e1 5s t r u c t u r ed i a g r a mo f n e w c o n t r o ls y s t e m 整套系统包括以下几个模块：电量采集( 包括电流量和电压量) 、中断控制、 定时器控制输入输出、模拟量采样、数字量输入输出、信号放大和滤波、触发脉 冲形成及核心模块p c 微型机。 第1 4 页 兰垦墨望苎：! ：皇垄兰竺 丝兰兰垒坚 第2 章可控串联补偿装置控制系统触发器设计 2 1 触发器原理 2 1 1 触发器功能要求 t c s c 触发器用来实现晶闸管有效可靠的触发，从而根据控制需要实现晶闸 管全开通或全关断以及在0 1 8 0 。的范围内进行任意控制。触发器的设计除按照 实验需要进行设计外，还考虑到通用性的要求。实验表明该触发器不止能满足实 验要求作为晶闸管的触发器，还可作为通用的电力电子器件触发器使用，其输出 能满足大部分电力电子器件的触发脉冲要求。另外由于本实验对触发器有特殊的 要求，除了要求触发器能根据控制器给出的信号进行精确准时的脉冲跟随、展宽 这些基本的触发器功能外，还要求能根据控制器给出的电平信号直接切换晶闸管 的三种状态，因此触发器实现了辅助电平这个环节。另外触发器实现了本控环节， 可以实现基本的控制要求。 触发器可以输出6 路触发脉冲。触发器本控方式下以取t c s c 模块两端电压 ( 或线路电流) 信号作为同步信号，经过处理后形成相应的触发脉冲信号控制晶 闸管的导通，遥控方式下则是直接根据控制器的输出经过处理后形成触发脉冲。 2 i 2 晶闸管伏安特性及其对触发脉冲的要求 晶闸管加正向电压，不加控制电压时，晶闸管内有一个p n 结处于反向截止， 只有很小的正向漏电流流过。但当外加正向电压大于正向峰值电压时，即使不加 控制电压，由于漏电流突然增大，导致晶闸管由截止状态突然导通。晶闸管导通 后，管压降约在0 6 1 2 v 范围，电流可以很大。若晶闸管加正向电压，同时在栅 极加上控制电压，晶闸管触发导通，特性与上述相同。若晶闸管加反向电压，晶 闸管内有二个p n 结处于反向截止状态，只有很小的反向漏电流。当外加反向电 压大于反向转折电压时，晶闸管反向导通。 综上所述，晶闸管的伏安特性如下： 1 ) 在阳极和阴极之间外加正向电压，但控制极不加触发电压时，晶闸管一般不会 导通： 2 ) 晶闸管导通需要同时满足两个条件： a )阳极和阴极外加正向电压； b )控制极外加一定幅度的正触发电压。 3 ) 要使晶闸管从导通变为阻断，必须减小阳极电流，或切断正向电压或加反向 电压。 可见，对晶闸管的触发脉冲的要求至少有以下几点： 1 ) 触发脉冲的输出应该是在阳极和阴极之间的电压为正的时刻； 2 ) 电力电子元件的触发需要一定的功率，要求触发脉冲具有一定的输出功率； 3 1 触发脉冲应该具备一定的强度和宽度，以保证可靠触发。 2 1 3 触发器原理概述 触发器原理框图如图2 1 所示。 第1 5 页 上海交通走学电力学院 硕士学住论之 一腊卧 臣墅塑至卜臣要困h j 鍪l l 嚣u 薹l l 雾l n 萄网，f i 手蓟西i l 嚣ll 嚣l 。i 孽i 。l 罄l l 晶振1 4 分频卜_ - 一 f i g u r e2 1p r i n c i p l ed i a g r a mo f t r i g g e r 触发器有两种工作方式本控方式和遥控方式。本控方式下触发器能够按 照给定触发角，由触发器给出触发脉冲，不需要控制器控制。该方式是为了保证 在控制器故障的情况下能够通过手动切换到本控方式，可靠触发晶闸管，以保护 晶闸管和维持系统的稳定。另外，在不需要快速准确调节触发角的控制过程中， 使用本控方式可减少c p u 的占用时间，因为这种控制方式不需要c p u 的干预。 本控方式的工作原理为：由c t 或p r 来的同步信号经过光电隔离后，经过 运算放大器整形成方波，再由积分回路形成三角波，再经过比较回路，其中比较 器的参考电平根据要求的触发角确定，这样得到的信号送到信号展宽环节形成占 空比可调的触发脉冲。本控方式的缺点是由于是手工模拟调节电位器以调节比较 器的参考电平来确定触发脉冲的触发时刻，无法精确确定触发角，而且6 路信号 都是用同一个电位器调节，无法分相单独调节，这样就无法补偿系统本身的三相 不对称和同相线路的正负两个晶闸管的不对称，而且若实验要求三相不对称调 节，也无法满足要求。本控方式最大的缺陷是无法根据控制策略实现闭环实时控 制，因此只适用于控制器故障或是控制策略不需要闭环控制，对触发角不要求特 别精确，且对三相平衡要求的精度不高的环节，特别是适合于触发器单独调试过 程，在实际应用中主要应该采用的是遥控方式。 遥控方式则是控制器根据外界输入的同步信号过零点或是根据采样值计算 出同步信号的过零点和由控制策略确定的触发角，通过控制器上的定时器输出一 个数字信号。由于该信号不能输出足够的功率，也不具备应有的脉冲幅值和宽度， 无法直接用来触发电力电子元件，因此把该信号输给触发器，在触发器中经过光 电隔离后直接送到信号展宽环节，利用触发器的跟随和展宽的作用，形成符合触 发脉冲要求的输出信号给晶闸管。遥控方式可以弥补触发器的缺陷，是触发器主 要的工作方式，它可以根据控制器的要求各相独立地准确确定触发角和触发脉冲 宽度。利用触发器的遥控方式，和控制器相配合，可以实现各种实用控制算法。 遥控方式的缺陷是必须要求控制器正常工作，如果运行过程中发现系统异常，可 能就是控制器出错，这时应该尽快把触发器切换到本控方式，利用本控方式直接 控制系统以恢复系统的正常运行。 为了防止在采用电流为同步信号时失去同步信号后可能发生的晶闸管失控 和实现晶闸管灵活快速进入旁路状态，引入辅助电平环节。利用辅助电平环节可 在失去同步信号的情况下仍能通过辅助电平置1 使晶闸管全导通。辅助电平可由 本控或遥控确定，本控方式通过手动开关操作，而遥控方式下可由控制器输出一 个数字信号来控制触发器。遥控方式下的辅助电平可以由程序判断系统的状态， 如果要求晶闸管全导通，通过辅助电平就可以实现。在实验过程中可能要求实现 晶闸管的旁路模式，引入辅助电平后就可以方便地实现这个功能。 第1 6 页 上海 芟通走学电力学院 硕士学位论i 混频电路和功放电路完成了信号的功率放大。展宽后的脉冲信号与晶振分频 后的高频信号经混频电路调制后形成高频调制信号，该信号在通过功放电路、变 压器隔离和整流电路后形成了符合要求的触发信号，输出给晶闸管的栅极，触发 晶闸管导通。设计的触发器输出的触发信号宽度为1 5 。，空载时电压为6 矿，符合 触发一般电力电子元件的要求。通过实验证明，触发器输出的触发信号能可靠地 触发晶闸管。由于本装置混频工作的原理，故具有宽脉冲触发的特点，因而有较 强的抗干扰能力。 在整个触发器中采用了两级隔离。由c t 、p 丁来的同步信号输入后经过光电 隔离实现了第一级隔离，在整流输出前又通过高频变压器进行隔离，从而有效地 抑制干扰和保护电路的安全。 通过光电隔离、容阻隔离、变压器隔离，已经大大提高了控制器的抗干扰 能力，但还是有一些干扰脉冲出现，通过实验发现，触发脉冲的干扰信号大多是 由同一相的反向晶闸管的触发脉冲引起的，而实验要求的触发角只在0 1 8 0 0 的 范围内变化。尽管这种触发脉冲理论上不会引起晶闸管的误触发，因为这时候晶 闸管加的是反向电压。但为了防止在特殊的运行方式下可能出现的误触发，根据 这种干扰脉冲的特点，在本控方式和遥控方式中都通过引入同步信号整形后的方 波信号来抑制反相触发脉冲干扰信号，从根本上抑制了主要的干扰源，防止误触 发。 2 2 触发器硬件实现 2 2 1 本控环节及信号展宽环节 本控及展宽环节如图2 2 所示，这里以a 相为例。 到 搿 图2 2 本控及展宽环节 f i g u r e 2 2 l o c a lc o n t r o la n de x t e n s i o nm o d u l e 分析如下。a 相晶闸管需要两路触发信号分别触发正负半周。在本控环节 中，由c t 或尸7 采集到的同步信号( 电流，( f ) 或电压u ( t ) ) 经光隔g g l 、g g 2 隔离并整形成方波后，经r 5 、c 、d j 及r 6 、c 2 、d 2 组成的微分电路各自微分 后形成正的尖脉冲，这些尖脉冲的上升沿就在方波上跳变瞬间，对应于同步信号 由负到正的过零点。尖脉冲触发晶体管 瞬间导通，运放组成的恒流源电 路通过r l l 向a 充电，在v ( c ) 处可得到直角三角波，三角波在各点的电压值 第1 7 页 上海交通走学电力学院硕士学位话文 对应于该点对过零点的时间差，并送至运放f 2 的负输入端，与直流可调电平u ， ( 通过电位器调节电压的大小) 在运放门正输入端的比较后，在运放， 2 的输 出端可得到一个周期与同步信号一致而占空比可调的方波，可调电平与三角波峰 值的比值就是触发角对应于1 8 0 。的比值，进而通过调节u ，可调节晶闸管的触发 角，由运放心输出的方波经r 1 2 、c 4 、d 3 微分电路微分后送至n e 5 5 6 中作脉 冲展宽，脉冲的宽度由r 1 3 、c 6 及r 1 2 、c 4 各自决定。各点波形如图2 3 所示。 ：j i 1 i i ! 一 ii 、 。乒苄 k 冲 ： i 少一 i i卜 i ：一 融发脉冲 图2 3 本控环节各点波形 f i g u r e 2 3 w a v e f o r mo fl o c a lc o n t r o lm o d u l e 调试过程中，采用了其他的抗干扰措施后，发现干扰脉冲主要是在间隔1 8 0 。 的时刻发出，因为需要的触发角度只在0 1 8 0 。之间变化，在脉冲输出端引入同 相的反方向方波来闭锁干扰脉冲，通过引入负方向方波，可以保证在该范围以外 的脉冲都滤除掉，这样就滤除掉最大部分的干扰，防止晶闸管的误触发。闭锁干 扰脉冲的原理波形图如图2 4 所示。 本控方式由于不需要控制器，也不需要p c 机干预，因此特别适合在调试触 发器时使用。利用本控方式可以方便地检测出触发器本身的故障。但由于它本身 固有的缺点无法胜任实验中要求的控制功能，因此另外设计了遥控环节，以满足 实验需要。 第1 8 页 上海交通走学电办学院 研：- - 学崔糟戈 a + 触发脉冲 图2 4 干扰脉冲闭锁波形图 f i g u r e 2 4 c l o s e d o w no f d i s t u r bt r i g g e rp u l s e 2 2 2 遥控环节及信号展宽环节 r 2 2 l s k c 1 0 0 1 u r 2 i 15 k c 9 0 1u i 图2 5 遥控及信号展宽环节 f i g u r e 2 5 r e m o t ec o n t r o la n ds i g n a le x t e n s i o nm o d u l e 遥控及信号展宽环节与本控及信号展宽环节原理相似，不同之处在于本控环 节引入的信号是同步信号，即为c t ，p r 采集到的交流正弦电流电压波形，由本 控环节自身的微分、积分、比较环节形成触发脉冲，而遥控环节引入的是控制器 第1 9 页 t 气 上淳建通走学电力学跪 硕士擘住论文 根据控制策略计算后由控制器上的定时器发给触发器的脉冲信号，不需要经过本 控环节类似的微分、积分和比较环节。其中每路触发脉冲由一个定时器控制，定 时器的定时可以各路分别调节。而且c a 于采用的是定时器定时方式，定时比本控 环节中的模拟量比较定时精确的多。采用本控方式时，由于控制策略确定后，不 需要人工干预，可以由控制器自动根据采集量实时确定不同时刻的触发角，而不 象本控方式一样需要人工调节，因此响应速度明显超过本控环节。定时器给出的 触发脉冲，亦经光隔g g 3 及g g 4 隔离后输入至n e 5 5 6 进行脉冲展宽，最后传 至转换开关z k l 处。由z k l 确定是采用本控方式还是遥控方式。遥控环节同样 采用了方波来滤除主要的干扰。遥控方式是触发器主要的工作方式。 2 2 3 辅助电平环节 辅助电平环节如图所示。开关z k l 和z k l 连锁动作，用来确定采用遥控方 式还是本控方式。当采用遥控方式时，控制器发出的辅助电乎y ) 经光隔g g 5 、 g g 6 后输入给或门4 0 7 1 的一个输入端，另一个输入端输入的是控制器发出的触 发脉冲经遥控环节后的脉冲信号，这样，当r ( b ) 置0 时，就是在可控状态，4 0 7 1 的输出跟随遥控环节的输出，而当g ( b ) 置l 时，则不管遥控环节输出为0 还是1 ， 4 0 7 1 的输出都是l ，晶闸管的栅极恒加高电平，实现晶闸管全导通。只需把辅助 电平