主電路

主電路（Power Circuit）是指在電器設備或電力系統中，直接承擔電能的交換或控制任務的電路。在配電櫃中主電路多指高壓迴路，為整個系統以及大功率在執行元件提供動力，大多為220V等高電壓電路。此處介紹的雙向DC-DC變換電路採用非隔離Buck-Boost電路作為主電路。

基本介紹

• 中文名：主電路
• 外文名：Power Circuit
• 別稱：一次線路
• 作用：為機電設備輸送電源
• 區分：主電路、控制電路
• 論述舉例：雙向DC-DC變換電路

控制電路與主電路

電路中的主電路主要指：動力系統的電源電路，如電動機等執行機構的三相電源屬於主電路。控制電路是指控制主電路的控制迴路，比如主電路中有接觸器，接觸器的線圈則屬於控制迴路部分（接觸器觸點的吸和由線圈控制）。控制電路也就是我們常說的二次電路，它的主要功能是控制主電源電路的開啟、停止、正向、反向運作，快捷、慢行的運轉等一系列動作的給定和轉換，稱之為控制電路。主電路，通常被稱為一次線路，顧名思義，就是為機電設備輸送電源的線路，稱之為主電路。

研究背景

大容量STATCOM工業裝置的研製，其顯著難點在於容量之大及由此引發的系統複雜龐大的問題，大容量對主電路結構的合理化、科學化提出了更高的要求。

典型STATCOM的主電路結構

典型STATCOM的主電路結構如右圖所示。

提高容量措施

在此基礎上總結出如下提高容量的主要措施：

（1）新型功率開關器件的採用：集成門極換向晶閘管（IGCT）在門極可關斷晶閘管（GTO）技術的基礎上，採用新技術集成了硬驅動門極驅動電路及反並聯二極體，使器件無須關斷吸收電路，可靠性更高，工作頻率更高，損耗更低，易於串聯工作，適於風冷，這些優越性使得IGCT成為最適應大容量FACTS裝置的新型開關器件。

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

（3）開關器件串聯：多個電力電子器件串聯使用組成一個開關模組，這是實現大容量最基本和常用的方法。其主要問題是串聯器件上的均壓問題，需採用Snubber等均壓電路，同時也要留出一定的器件電壓冗餘量。實際生產中，GTO和IGBT都有成功串聯使用的例子，IGCT的出現使器件串聯使用技術變得更為成熟。

（4）多電平結構：採用鉗位二極體或鉗位電容構建的多電平結構，可以在減少串聯的同時增大容量並最佳化諧波特性。理論上，也可以採用五電平、七電平等多電平結構，但因此時整個逆變橋的複雜程度、成本也大大提高，在實際中用得很少。

（5）橋臂的並聯：用帶中間抽頭的電抗器將兩個橋臂中點相連可實現它們的並聯使用，電抗器中間的抽頭作為並聯後混合橋臂的中點。這種方法對兩電平和三電平的逆變橋都適用。

（6）逆變橋的並聯：將多組逆變橋並聯後通過一個大容量變壓器接入系統，可這種方法對保護的要求很高，當並聯使用的逆變橋中有一個發生故障時，必須對其進行有效隔離，以不影響其他並聯逆變器的正常使用。

（7）逆變橋的串聯：每相由若干逆變橋串聯組成，直流側電容獨立，經由一個大容量的變壓器接入系統，可明顯降低變壓器成本和損耗，模組化結構也更適於靈活配置，但多個串聯橋的協調控制將變得較為複雜，各電容上的電壓平衡也是一個難題。

在實際中，大容量STATCOM的結構一般是在綜合考慮性能與成本的基礎上，同時採用上述方法中的若干種。

主電路結構

所有結構都在PSCAD軟體中進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現無功補償。

兩電平三單相橋四重化結構

其結構如右圖所示。

兩電平三單相橋四重化結構示意圖

4組三相逆變橋通過變壓器相連，接至系統交流側，每組三相逆變橋由A、B、C這3個單相逆變橋組成。為達到容量要求，逆變橋中每個開關由4隻IGCT串聯。

級聯結構

級聯電路結構示意圖

將多個逆變橋首尾相連，直流電容各自獨立，輸出側通過一個變壓器接至系統，即構建成級聯結構。對應100 Mvar容量選定9個橋串聯，其中一個作為冗餘考慮。圖為星形連線的級聯電路結構。

主電路設計過程

此處簡要論述雙向DC-DC變換電路的設計。

設計背景及要求

2015 年全國大學生電子設計競賽的 A 題要求設計一個雙向 DC-DC 變換電路用於對 5 節 18650鋰電池串聯電路進行充放電。即要求實現兩個功能：一是電能從右邊直流供電電源經變換器向左邊鋰電池組以 恆流充電；二是電能從左邊鋰電池組經變換器向右邊負載以恆壓 （= 30 V） 放電。放電電流可調，並在左端電壓 時能夠觸發保護功能。同時要求高效率及質量小（小於 500g） ，有精度要求，能夠測量並顯示電流。電池的充放電功能可由按鍵設定，兩種功能間可自動轉換。

系統設計

系統框圖如右圖。

系統框圖

採用STM32F103ZET6單片機作為核心控制器，利用內部的集成 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 進行採樣。通過產生兩路互補的 PWM 信號來控制開關管，實現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。考慮到系統需要單片機作為輔助，且切換邏輯較為複雜，因此考慮不使用硬體電路輸出 PWM 而使用單片機生成PWM，採用 PID 數字閉環控制對電壓、電流進行精確的反饋控制，並且測量、切換、控制、顯示一體完成，能夠大量減少重量，簡化系統結構，提高穩定性。

雙向 DC-DC 主電路設計

同步整流非隔離 Buck-Boost 電路如圖3所示，驅動電路如圖4所示。

圖3

主電路採用基於同步整流的非隔離 Buck-Boost變換拓撲，選用低導通電阻的N-MOS 管（CSD19536KCS）作為開關管。場效應管驅動電路使用 TLP250 為核心器件，上橋臂需用到自舉電路供電。

圖4

程式設計

主程式負責人機互動，顯示並設定系統的輸出參數和狀態。Timer1 定時器的中斷服務函式內，採集系統的輸入輸出電流和電壓，並根據系統當前的狀態採取相應的閉環控制。通過 PID 算法穩定設定的電流值或電壓值並分析參數，發現過充後立即停止充電。由於系統採用了軟體補償網路、數字校準技術和 PID 控制算法進行電壓閉環和電流閉環，所以系統靈活性高，控制精確，穩定性好。