[科普中國]-主電路

主電路（Power Circuit）是指在電器設(shè)備或電力系統(tǒng)中，直接承擔(dān)電能的交換或控制任務(wù)的電路。在配電柜中主電路多指高壓回路，為整個系統(tǒng)以及大功率在執(zhí)行元件提供動力，大多為220V等高電壓電路。此處介紹的雙向DC-DC變換電路采用非隔離Buck-Boost電路作為主電路。

控制電路與主電路電路中的主電路主要指：動力系統(tǒng)的電源電路，如電動機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的三相電源屬于主電路?？刂齐娐肥侵缚刂浦麟娐返目刂苹芈?，比如主電路中有接觸器，接觸器的線圈則屬于控制回路部分（接觸器觸點(diǎn)的吸和由線圈控制）?？刂齐娐芬簿褪俏覀兂Ｕf的二次電路，它的主要功能是控制主電源電路的開啟、停止、正向、反向運(yùn)作，快捷、慢行的運(yùn)轉(zhuǎn)等一系列動作的給定和轉(zhuǎn)換，稱之為控制電路。主電路，通常被稱為一次線路，顧名思義，就是為機(jī)電設(shè)備輸送電源的線路，稱之為主電路。

研究背景大容量STATCOM工業(yè)裝置的研制，其顯著難點(diǎn)在于容量之大及由此引發(fā)的系統(tǒng)復(fù)雜龐大的問題，大容量對主電路結(jié)構(gòu)的合理化、科學(xué)化提出了更高的要求。1

典型STATCOM的主電路結(jié)構(gòu)如右圖所示。

提高容量措施在此基礎(chǔ)上總結(jié)出如下提高容量的主要措施：

（1）新型功率開關(guān)器件的采用：集成門極換向晶閘管（IGCT）在門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用新技術(shù)集成了硬驅(qū)動門極驅(qū)動電路及反并聯(lián)二極管，使器件無須關(guān)斷吸收電路，可靠性更高，工作頻率更高，損耗更低，易于串聯(lián)工作，適于風(fēng)冷，這些優(yōu)越性使得IGCT成為最適應(yīng)大容量FACTS裝置的新型開關(guān)器件。

（2）多重化技術(shù)：這是大幅度提高裝置容量的最有效辦法，采用多個逆變橋通過變壓器組合使用，可成倍提高裝置容量。采用多重化需注意考慮逆變橋交流側(cè)變壓器的連接方式和不同逆變橋間的移相角度等。

（3）開關(guān)器件串聯(lián)：多個電力電子器件串聯(lián)使用組成一個開關(guān)模塊，這是實(shí)現(xiàn)大容量最基本和常用的方法。其主要問題是串聯(lián)器件上的均壓問題，需采用Snubber等均壓電路，同時也要留出一定的器件電壓冗余量。實(shí)際生產(chǎn)中，GTO和IGBT都有成功串聯(lián)使用的例子，IGCT的出現(xiàn)使器件串聯(lián)使用技術(shù)變得更為成熟。

（4）多電平結(jié)構(gòu)：采用鉗位二極管或鉗位電容構(gòu)建的多電平結(jié)構(gòu)，可以在減少串聯(lián)的同時增大容量并優(yōu)化諧波特性。理論上，也可以采用五電平、七電平等多電平結(jié)構(gòu)，但因此時整個逆變橋的復(fù)雜程度、成本也大大提高，在實(shí)際中用得很少。

（5）橋臂的并聯(lián)：用帶中間抽頭的電抗器將兩個橋臂中點(diǎn)相連可實(shí)現(xiàn)它們的并聯(lián)使用，電抗器中間的抽頭作為并聯(lián)后混合橋臂的中點(diǎn)。這種方法對兩電平和三電平的逆變橋都適用。

（6）逆變橋的并聯(lián)：將多組逆變橋并聯(lián)后通過一個大容量變壓器接入系統(tǒng)，可這種方法對保護(hù)的要求很高，當(dāng)并聯(lián)使用的逆變橋中有一個發(fā)生故障時，必須對其進(jìn)行有效隔離，以不影響其他并聯(lián)逆變器的正常使用。

（7）逆變橋的串聯(lián)：每相由若干逆變橋串聯(lián)組成，直流側(cè)電容獨(dú)立，經(jīng)由一個大容量的變壓器接入系統(tǒng)，可明顯降低變壓器成本和損耗，模塊化結(jié)構(gòu)也更適于靈活配置，但多個串聯(lián)橋的協(xié)調(diào)控制將變得較為復(fù)雜，各電容上的電壓平衡也是一個難題。

在實(shí)際中，大容量STATCOM的結(jié)構(gòu)一般是在綜合考慮性能與成本的基礎(chǔ)上，同時采用上述方法中的若干種。1

主電路結(jié)構(gòu)所有結(jié)構(gòu)都在PSCAD軟件中進(jìn)行了仿真建模和測試，可行性、功能性都是成立的，亦即都可以快捷而方便地實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。

兩電平三單相橋四重化結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)如右圖所示。

4組三相逆變橋通過變壓器相連，接至系統(tǒng)交流側(cè)，每組三相逆變橋由A、B、C這3個單相逆變橋組成。為達(dá)到容量要求，逆變橋中每個開關(guān)由4只IGCT串聯(lián)。1

級聯(lián)結(jié)構(gòu)

將多個逆變橋首尾相連，直流電容各自獨(dú)立，輸出側(cè)通過一個變壓器接至系統(tǒng)，即構(gòu)建成級聯(lián)結(jié)構(gòu)。對應(yīng)100 Mvar容量選定9個橋串聯(lián)，其中一個作為冗余考慮。圖為星形連接的級聯(lián)電路結(jié)構(gòu)。1

主電路設(shè)計過程此處簡要論述雙向DC-DC變換電路的設(shè)計。

設(shè)計背景及要求2015 年全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽的 A 題要求設(shè)計一個雙向 DC-DC 變換電路用于對 5 節(jié) 18650鋰電池串聯(lián)電路進(jìn)行充放電。即要求實(shí)現(xiàn)兩個功能：一是電能從右邊直流供電電源經(jīng)變換器向左邊鋰電池組以 恒流充電；二是電能從左邊鋰電池組經(jīng)變換器向右邊負(fù)載以恒壓 （= 30 V） 放電。放電電流可調(diào)，并在左端電壓 時能夠觸發(fā)保護(hù)功能。同時要求高效率及質(zhì)量?。ㄐ∮?500g） ，有精度要求，能夠測量并顯示電流。電池的充放電功能可由按鍵設(shè)定，兩種功能間可自動轉(zhuǎn)換。2

系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)框圖如右圖。

采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為核心控制器，利用內(nèi)部的集成 12 位 A/D 分別對雙向 DC-DC 變換器兩端的電流 和 以及電壓 和 進(jìn)行采樣。通過產(chǎn)生兩路互補(bǔ)的 PWM 信號來控制開關(guān)管，實(shí)現(xiàn)對電池充放電控制以及自動切換、充放電電流的大小控制和過充保護(hù)?？紤]到系統(tǒng)需要單片機(jī)作為輔助，且切換邏輯較為復(fù)雜，因此考慮不使用硬件電路輸出 PWM 而使用單片機(jī)生成PWM，采用 PID 數(shù)字閉環(huán)控制對電壓、電流進(jìn)行精確的反饋控制，并且測量、切換、控制、顯示一體完成，能夠大量減少重量，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高穩(wěn)定性。3

雙向 DC-DC 主電路設(shè)計同步整流非隔離 Buck-Boost 電路如圖3所示，驅(qū)動電路如圖4所示。

主電路采用基于同步整流的非隔離 Buck-Boost變換拓?fù)?，選用低導(dǎo)通電阻的N-MOS 管（CSD19536KCS）作為開關(guān)管。場效應(yīng)管驅(qū)動電路使用 TLP250 為核心器件，上橋臂需用到自舉電路供電。3

程序設(shè)計主程序負(fù)責(zé)人機(jī)交互，顯示并設(shè)定系統(tǒng)的輸出參數(shù)和狀態(tài)。Timer1 定時器的中斷服務(wù)函數(shù)內(nèi)，采集系統(tǒng)的輸入輸出電流和電壓，并根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)采取相應(yīng)的閉環(huán)控制。通過 PID 算法穩(wěn)定設(shè)定的電流值或電壓值并分析參數(shù)，發(fā)現(xiàn)過充后立即停止充電。由于系統(tǒng)采用了軟件補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字校準(zhǔn)技術(shù)和 PID 控制算法進(jìn)行電壓閉環(huán)和電流閉環(huán)，所以系統(tǒng)靈活性高，控制精確，穩(wěn)定性好。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)