高壓TCR晶閘管閥組觸發控制方案設計及仿真分析＊

李小芬 范少春 羅運成

（湖北三環發展股份有限公司 武漢 430223）

1 引言

現代社會離不開柔性交流輸電系統，而SVC和SVG是柔性交流輸電系統的基礎技術和關鍵設備。高壓TCR則為SVC的核心裝置，由多級反并聯晶閘管對串聯構成的晶閘管閥組和串聯電感組成。通常，通過控制晶閘管閥組的導通角來控制其向電網注入無功電流的大小。為了保證TCR可靠地工作，對晶閘管實施可靠地觸發控制是關鍵。由于TCR工作在高電壓環境，晶閘管閥組觸發系統的設計必須面對和解決高等級電壓隔離、觸發及監控電路取能困難、兼容強電磁干擾環境等技術難題。目前常用的觸發方式有電磁觸發、光電觸發［1］、光觸發［2］（用于光直接觸發晶閘管）；取能方式有高電位取能和電磁式互感器取能等［3～5］。電磁觸發是用低位功率脈沖信號經穿墻式電流互感器隔離后直接觸發多對高位晶閘管，這種方式具有成本低、同步性好等優點，在工程中有不少應用。電磁觸發往往需要采用專用電源在低壓側產生強觸發電流脈沖，文獻［6］介紹了一種用于晶閘管閥串觸發的多路輸出的隔離電源，但其系統構成和大功率電流源的生成方式復雜。本文給出了一種新穎的、結構簡單的大功率脈沖電流源的生成方案和電磁觸發系統。

2 高壓TCR晶閘管閥組觸發方案設計

構成35kV TCR裝置主回路的三相晶閘管閥組，每相閥組由22對6.5kV的晶閘管反并聯而成。考慮到成本、可靠性等因素，觸發系統采用電磁觸發方式，系統設計如下。

觸發控制系統由一塊由低壓電源供電的脈沖板、66塊處于高電位系統的TE板組成，如圖1所示。B、C相連接方式與A相一致。TE板設計有電流互感器及觸發電路、取能回路、BOD保護支路、狀態檢測及光纖反饋支路。脈沖板設計有電源電路、光纖收發電路、脈沖保護及功放電路、脈沖電流源電路。

圖1 晶閘管觸發系統示意圖

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

圖2 強觸發電流脈沖示意圖

串聯晶閘管閥組可靠觸發的基本要求是相互串聯的晶閘管盡可能地一致開通，這是因為較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的晶閘管之間有最小的門極開通延時時間偏差，而強的門極觸發脈沖能使這個偏差降到最小。理想的強觸發電流脈沖如圖2。強觸發對觸發電路參數、觸發電源功率、工程實施方式等都有較高要求。經綜合考慮，本觸發方案將驅動脈沖設計為脈沖串，每間隔10ms發一脈沖串，每串脈沖由四個寬度為50μs，占空比為50%的脈沖組成，通過加強對每個脈沖的前沿陡度、平臺電流幅度的控制來實現觸發的可靠性和一致性。同時，為控制簡單，每對反并聯晶閘管的觸發脈沖設計成一致，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計

為可靠觸發66對晶閘管，脈沖板中設計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。

電源電路采用經典的單端反激式開關電源變換器電路，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極前端的觸發電路由NPN、PNP三極管構成的放大電路組成。A1A2是高壓電纜，作為各TE板上的電流互感器CT的原邊。整個觸發電路結構簡單清晰，成本可控制在最低。

圖4 大功率電流脈沖電路

根據晶閘管資料，驅動電流IGT為0.4A，考慮到電流脈沖的強度，將觸發電流IGon設計在1.25A。TE板上的驅動電流互感器磁芯采用非晶合金繞制，磁導率高，飽和磁密高，在驅動晶閘管方面，遠比鐵氧體有優勢，且體積可以控制得比較小。互感器匝比設計為1：8，則脈沖板驅動回路的正向電流幅值設計值至少要達到10A。為保證驅動的可靠性及電流互感器所需的電流源特性，將工作電源電壓設計為60V，觸發瞬態最大功率可達600～1kW。

圖4電路中，Q5開關管選擇IRF630型MOSFET管，D8、R22、C21構成電流互感器、L4電感的反向恢復通道；穩壓二極管D7支路可以減小反向恢復期間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位；R25、C12支路中，利用C12電壓不能突變的效應，在電流脈沖前沿產生一個尖峰，避免電流脈沖只有平臺。儲能電感L4參數的選擇既要考慮有足夠的能量為互感器磁芯磁復位，同時還要考慮該支路的時間常數，使得Q5導通期間L4不至于飽和。

4 觸發電路的仿真分析

4.1 仿真模型的建立

35kV TCR系統工作電壓高，組成器件多，實驗安全要求嚴格，晶閘管閥組驅動電路的很多特性難以在應用現場測試，故對觸發電路的特性進行了仿真分析，重點集中在大功率電流脈沖電路。對該電路來說，負載特性會影響驅動波形，仿真模型的關鍵在于合理等效CT1～CT44及相應驅動支路。

文獻［9～10］研究的晶閘管宏模型分為主塊、控制塊和反向恢復塊三部分，其中，門極觸發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過程，但用來分析閥組觸發電路的特性則顯得復雜。本文對仿真模型進行了如下簡化。晶閘管驅動電路如圖5所示，晶閘管正向導通與反向截止的電路通道不一樣，需用不同的等效參數。晶閘管正向導通通道可用一正向二極管和一電阻來等效，參照晶閘管門極特性曲線和器件資料，對于單個晶閘管門極，可選擇3.5Ω電阻來等效門極導通狀態，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個晶閘管驅動支路等效到脈沖板驅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。反向等效電阻由驅動回路的反向電阻（圖5中的R1）決定，計算Req2為137.5Ω。經測算，高壓電纜的等效電感為30μH左右。這樣就得到了圖6中的負載等效電路。用該電路代替圖4中A1、A2之間的實際驅動電路，得到最終的仿真模型。

圖5 TE板上的晶閘管驅動端口電路圖

圖6 單相晶閘管閥組驅動負載等效電路

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

Q5關斷時，A1A2驅動支路、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，可以達到電源電壓的幾倍，當電壓到達峰值時，A1A2支路電流降為零。因為L4的電感量和電流比較大，此時其磁能并未釋放完畢，會繼續通過A2、A1、R29夠成回路，為互感器磁芯提供反向復位電流，避免磁芯的飽和，直至下一個驅動周期的到來。

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

4.3 典型的仿真結果

利用仿真模型分析了觸發電路參數變化的影響，典型的仿真結果如下：

（1）A1A2驅動端口的電壓和電流波形見圖8。驅動電流最大值的仿真結果為12A；脈沖電流的反向峰值仿真值為0.8A，基本達到設計目的。

（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分布電感對應的前沿則達到了3.75A／μs。可見，在實際工程應用中，設法降低回路分布電感對提高晶閘管的驅動特性是很有意義的。

圖8 30μH分布電感得到的A1A2驅動端口兩端電壓

5 觸發電路的系統實驗

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驅動端口兩端電壓（CH1）和電流脈沖實測波形（CH2）

為驗證本觸發方案，搭建6kV高壓觸發測試平臺進行測試分析。為更真實模擬實際TCR系統，主回路只用4組晶閘管反并聯，脈沖板除接驅動這4對晶閘管的TE板負載外，還外接18塊未驅動晶閘管的TE板，這些單板的晶閘管驅動端口用二極管模擬晶閘管門極。在130度觸發角下，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驅動端口電流波形，得到圖10所示結果。對比圖8和圖10可知，實測結果與仿真結果基本一致，觸發電流的脈沖幅值達到了12A，脈沖前沿1.3A／μs，且觸發過程中，脈沖電路電源的電壓幅度無跌落，控制在58V以上，滿足應用要求。

6 結語

本文介紹了一種用于35kV高壓TCR晶閘管閥組的觸發控制方案，對觸發電路進行了仿真和實驗分析，重點討論了大功率脈沖電流源生成電路。結果表明，該觸發電路能可靠的觸發晶閘管，其所用的大功率脈沖電流源生成電路結構簡單、成本低廉，觸發控制方案經歷了在工程中長期運行的考驗，工作穩定可靠，值得在工程應用中推廣。同時，用簡化觸發電路等效仿真模型得到的仿真結果與實測結果基本一致，證明了仿真模型的實用型。

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