基于IPM 的靜止無功發生器硬件電路設計

□崔瑋瑋 韋 鈺 陳宇晨 王 凱 劉昱彤

一、引言

靜止無功發生器(SVG)是經過電抗器將自換相橋式電路并聯接入電網，通過對橋式電路交流側輸出電壓的相位與幅值的改變來滿足無功補償的要求，以達到無功補償的目的。

圖1 SVG 系統構成框圖

二、靜止無功發生器的工作原理與基本結構

靜止無功發生器系統構成框圖如圖1 所示，硬件電路主要包括:整流電路、逆變電路、智能功率模塊IPM 的驅動電路、過零檢測電路，電流調理電路，鎖相環電路。逆變電路采用了IPM，該芯片內含驅動電路，報警電路等獨特結構，一方面提高了系統的可靠性;另一方面也避免了保護電路的另外設計，簡化了硬件裝置的設計。

主電路主要由整流部分和逆變部分組成。整流部分通過三相不可控整流橋將三相交流電壓轉換為三相直流電壓，在經過電容濾波后得到穩定的直流電壓。逆變部分采用SPWM 控制技術來控制IPM 內部IGBT 的開斷從而獲得所需的補償電流。將整流輸出的直流電逆變轉化為交流電回饋到電網。IPM 內含保護電路，當發生故障時，IPM 的自保能力使得IGBT 的損壞率較低，提高了系統的可靠性。

三、SVG 各硬件電路組成

(一)整流電路。整流電路采用三相不可控整流橋，輸出的三相直流電通過電容穩壓、濾波獲得穩定的直流電壓。根據以往的經驗，直流側電容取用4 個2200μF/450V 的電解電容，兩并兩串接進電路。電路組成如圖2 所示。為了避免大電流燒壞整流裝置，電容需要通過一個充電電阻對不可控整流橋的輸出端進行充電，直到充滿在直接接到不可控整流橋的輸出端。另外，為避免故障發生，在不使用整流電路時要對濾波電容進行放電。根據計算的電壓、電流，選用二極管整流模塊6RI30G－160G－120 即(30A，1200V)。

(二)IPM 及其外圍驅動電路。通過計算智能功率模塊(IPM)參數，選用型號為PM25CLA120 的IPM(25A，1200V)，內部有IGBT，內含驅動電路。通過資料得知IPM 驅動電路的控制電源電壓范圍為13.5V～16.5V，本文選用4 路隔離的l5V 直流電源。利用DSP 發出PWM 信號經光耦器件隔離后作為驅動信號對IPM 進行控制。

(三)電流調理電路。該電路可將18A 的電網電流相量轉換成0～3Vpp 的電壓信號并實現過零點檢測功能。該電路與電壓調理電路的組成基本一致，不同之處在于互感器TVA1421－01 用作電流互感器，采樣電阻取59Ω。若一次側電流為18A，二次側輸出(－0.5～+0.5)V 的正弦波;經放大電路，輸出電壓(－1.5～+1.5)V 的正弦波;最后經過加法電路輸出(0V～3.00V)的電壓信號。同時大于50Hz 的正弦信號被濾除。過零比較電路在正弦波的過零時刻輸出下降沿跳變。

圖2 主電路整流部分原理圖

(四)鎖相環電路。本文采用了由TI 公司生產的CD7H4C4046 型鎖相環芯片對電網頻率進行跟蹤，避免了利用固定頻率采樣時產生的誤差。本系統中，鎖相環的輸出信號有兩大作用:一是作為ADC 模塊的轉換觸發信號;二是作為事件管理器A(EVA)的時鐘輸入信號。通過鎖相環電路使其產生跟隨電網頻率變化的SPWM 波，從而精確控制后級逆變器。

圖3 鎖相環電路原理圖

四、實驗結果分析

對各個部分硬件電路進行實驗，經過實驗，各部分均能達到其功能要求，部分輸出波形如圖4～7 所示。其中，圖4 為輸入電壓為50V 時的整流模塊電路輸出波形，得到平均值為67.13V 的直流信號。圖5 為電流調理電路輸出波形，為得到0～3V 的電壓信號以供DSP 采樣。圖6 為鎖相環電路輸出波形，以實現跟蹤電網頻率的變化的作用。圖7 為DSP 發出的帶死區時間的PWM波，用來控制IGBT 的開斷。

圖4 整流輸出波形

圖5 電流調理電路輸出波形

圖6 鎖相環電路輸出波形

圖7 帶死區時間的PWM 波

五、結語

本文論述了靜止無功發生器的基本原理，實現了SVG 的硬件電路設計，主要包括:逆變電路、整流電路的設計及儲能電容的選擇、電流調理電路、鎖相環電路、IPM 及其外圍驅動電路，并通過實驗驗證，各級電路的輸出符合實驗要求。

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