現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

文/方俊偉

1 引言

現(xiàn)場(chǎng)總線控制是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)中的一項(xiàng)核心技術(shù)，最大功率點(diǎn)一般認(rèn)為是現(xiàn)場(chǎng)總線控制中的總線控制板處于最佳工作狀態(tài)。在現(xiàn)場(chǎng)總線控制的實(shí)際中，因?yàn)殡娏刂茥l件和周?chē)沫h(huán)境溫度一直處于不斷地改變中，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的輸出功率也會(huì)因?yàn)榄h(huán)境因素的改變而不斷地發(fā)生變化。在電力控制條件發(fā)生變化時(shí)，主要會(huì)影響電路中的短路電流的大小，而溫度條件主要會(huì)對(duì)電路中的開(kāi)路電壓大小產(chǎn)生比較的影響，此外電路中的負(fù)載對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的輸出功率變化也占據(jù)非常大的比重。電力控制總線控制陣列與負(fù)載通過(guò)DC/DC電路連接，最大功率跟蹤裝置不斷檢測(cè)電力控制陣列的電流電壓變化，并根據(jù)其變化對(duì)DC/DC變換器的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)。對(duì)于一般的線性電路來(lái)說(shuō)，如果電路的負(fù)載電阻與電源的內(nèi)阻大小相同時(shí)，這時(shí)電源處于最大功率輸出的工作狀態(tài)。雖然現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)和DC/DC轉(zhuǎn)換電路在實(shí)際中都是強(qiáng)非線性的，但是如果把時(shí)間看的極為短暫的范圍內(nèi)，在那瞬間就可以當(dāng)做線性電路。所以通過(guò)改變DC-DC轉(zhuǎn)換電路的等效電阻，使它與電源的內(nèi)阻大小始終相等，便可以達(dá)到電力控制總線控制的最大輸出功率的目的，從而實(shí)現(xiàn)了電力控制總線控制的MPPT。

2 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)分析

為了實(shí)現(xiàn)火電發(fā)電廠陣列到總線控制器之間的連接線比較少的目的和降低系統(tǒng)使用過(guò)程中檢修難度。直流總線匯流箱也稱為直流接線箱，選擇它的根本原因是它可以將總線控制組件方陣的各個(gè)分支的輸出電流經(jīng)過(guò)其匯流實(shí)現(xiàn)集中輸入和分組連接的效果，是可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立維護(hù)的部件,不會(huì)對(duì)系統(tǒng)整體的運(yùn)行造成影響。

火電陣列總線匯流箱的電氣原理圖如圖1所示。

將1MW的火電發(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)分為10個(gè)100KW并網(wǎng)單元，根據(jù)計(jì)算共需安裝60臺(tái)匯流箱。

直流總線配電柜：

在火電陣列總線匯流箱作用下，火電陣列的輸出電流在室外進(jìn)行匯流后，然后利用匯流箱的電纜接連接到配電房的直流總線配電柜，最后在此完成一次集中匯流，每個(gè)100KW并網(wǎng)單元安裝了6臺(tái)火電陣列總線匯流箱。

在設(shè)計(jì)中，按照富余檢修的思路，系統(tǒng)中每3個(gè)100KW 直流配電單元安裝一臺(tái)直流總線配電柜，所以該并網(wǎng)系統(tǒng)一共需要安裝4 臺(tái)直流總線配電柜。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，1MW的火電并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目設(shè)計(jì)如下：該并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目一共需要安裝5600塊180W火電發(fā)電廠組件，系統(tǒng)的實(shí)際發(fā)電功率可以達(dá)到1.008MW。根據(jù)1MW的火電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)項(xiàng)目的要求，根據(jù)工程設(shè)計(jì)的思路，我認(rèn)為選擇分塊發(fā)電、集中并網(wǎng)方案是最好的，并給出了兩種方案。

方案一：將10個(gè)100KW的并網(wǎng)發(fā)電單元合并組成一個(gè)1MW的大發(fā)電項(xiàng)目， 綜上所述，本系統(tǒng)主要由總線組件、總線匯流箱、直流總線配電柜、火電并網(wǎng)總線控制器和10KV升壓站所組成此外，系統(tǒng)應(yīng)配置1套監(jiān)控裝置，可采RS485或Ethernet（以太網(wǎng)）的通訊方式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)和工作狀態(tài)。

方案二：此火電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將采用分塊發(fā)電、一次升壓、集中并網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，將系統(tǒng)設(shè)計(jì)為2個(gè)500KW并網(wǎng)發(fā)電單元，每個(gè)并網(wǎng)單元包含175路火電陣列，2800塊總線組件，配置2臺(tái)500KW并網(wǎng)總線控制器，型號(hào)為SG500KTL，不含隔離變壓器，輸出額定電壓為三相 270V（50Hz），經(jīng)過(guò)1臺(tái)高效 10KV雙分裂升壓變壓器（0.27/0.27/10KV,1000KVA）T接入本地的10KV中壓電網(wǎng)（此雙分裂升壓變壓器需要定制，用戶自配），實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電功能?；痣姲l(fā)電廠現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的輸出能量由電網(wǎng)自行分配。

3 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 功率器件的選擇

（1）方案一：根據(jù)設(shè)計(jì)，每臺(tái)總線控制器的額定功率為P=100KW，輸出電壓Uac=380V，直流工作電壓范圍為：450Vdc～880Vdc，最佳直流電壓工作點(diǎn)是560V。設(shè)計(jì)如下：

100KW輸出額定電流值計(jì)算I0=100000/（1.732*380）=152A；

IGBT的選型要求：I(IGBT的峰值電流)=152*1.1（過(guò)載率）*1.414*1.2（紋波）=284A；

IGBT選擇：CM450DX-24S (3支)；

驅(qū)動(dòng)器選擇：Concept即插即用驅(qū)動(dòng)板：2SP0115T2Ax-CM450DX-24S與IGBT一對(duì)一連接；

驅(qū)動(dòng)核：2SC0108T2Dx-12。

（2）方案二： 根據(jù)設(shè)計(jì)，每臺(tái)總線控制器的額定功率為P=500KW，輸出電壓Uac=270V，直流工作電壓范圍為：450Vdc～880Vdc，最佳直流電壓工作點(diǎn)是560V。設(shè)計(jì)如下：

500KW輸出額定電流計(jì)算：I0=500000/(1.732*270) =1070A；

IGBT選型要求：I(IGBT峰值電流)=1070*1. 1(過(guò)載率)*1. 414*1. 2(紋波)=1997A

IGBT：選擇FF1400R12IP4型（3支）

驅(qū)動(dòng)器：即插即用驅(qū)動(dòng)板：2SP0325x2Ax-CM2500DY-24S與IGBT行程一對(duì)一連接。

驅(qū)動(dòng)核：2SC0435 或 2SD300C17設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)板。

3.2 總線控制電路的設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中，選擇了單功率模塊技術(shù)作為總線控制器的設(shè)計(jì)方案，選擇模塊化設(shè)計(jì)的主要優(yōu)點(diǎn)是：在一個(gè)功率模塊中設(shè)計(jì)主功率模塊、驅(qū)動(dòng)電路及直流母線支撐電容，實(shí)現(xiàn)高度集成化的電路結(jié)構(gòu)，降低實(shí)際安裝的難度，更減少了以后的檢修成本。選擇現(xiàn)在市場(chǎng)上比較成熟的方案單級(jí)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電路的主功率模塊，該結(jié)構(gòu)集成了最大功率點(diǎn)跟蹤控制性能并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，大幅度提升了總線控制器的工作效率，降低了生產(chǎn)支出也解決了占用空間過(guò)大的問(wèn)題。直流側(cè)電路一般是由直流總線器、直流EMI濾波器、直流接觸器、直流隔離開(kāi)關(guān)等組成，交流側(cè)一般是由總線器、EMI濾波器、交流接觸器、交流隔離開(kāi)關(guān)、LC濾波器等組成。在三相半橋變換器的作用下，將火電陣列的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l的三相斬波電壓，然后輸出在經(jīng)過(guò)濾波器濾波的作用下變成正弦波電壓接著通過(guò)三相變壓器隔離升壓后并入電網(wǎng)發(fā)電。為了使火電陣列以最大功率發(fā)電，需要在直流側(cè)配置了先進(jìn)的MPPT算法。

3.3 總線控制器的選擇

根據(jù)總線板的設(shè)計(jì)和整體的發(fā)電容量設(shè)計(jì)，初步選定了兩款總線控制器，分別為SG100K3并網(wǎng)總線控制器和SG500KTL并網(wǎng)總線控制器。總線控制器設(shè)計(jì)是火電發(fā)電設(shè)計(jì)中至關(guān)重要環(huán)節(jié)，是火電并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，火電發(fā)電廠組件是把量轉(zhuǎn)化為直流電能，經(jīng)并網(wǎng)總線控制器轉(zhuǎn)變?yōu)榕c交流電網(wǎng)同頻率、同相位的正弦波交流電，輸入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電功能。

SG100K3并網(wǎng)總線控制器選擇的是美國(guó)TI公司控制芯片，通過(guò)選擇世界上一流的智能功率IPM模塊組裝主電路，裝配電流控制型PWM有源總線控制技術(shù)和優(yōu)質(zhì)高效隔離變壓器，系統(tǒng)穩(wěn)定性好；設(shè)計(jì)有完備的保護(hù)方案，能夠總線控制輸出高功率因數(shù)正弦波電流、無(wú)諧波污染供電等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)輸出。

G500KTL（500KW）火電并網(wǎng)總線控制器智能化設(shè)計(jì)達(dá)到領(lǐng)先水平，每天自動(dòng)啟停工作，無(wú)需人為控制。

美國(guó)TI公司32位控制芯片提高了控制了精確性和穩(wěn)定性，可以使并網(wǎng)總線控制器更好的工作；主電路采用德國(guó)最先進(jìn)的IGBT智能功率模塊，開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗方面實(shí)現(xiàn)突破，降低十分明顯，使系統(tǒng)的工作效率更高；選擇電流控制型 PWM有源總線控制技術(shù)和優(yōu)質(zhì)進(jìn)口高效隔離變壓器，可靠性高，保護(hù)功能齊全，且具有電網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)正弦波電流、無(wú)諧波污染供電等特點(diǎn)。

最后從實(shí)際成本和安裝使用的具體情況考慮，10臺(tái)SG100K3并網(wǎng)總線控制器的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了兩臺(tái)G500KTL火電并網(wǎng)總線控制器的價(jià)格，并且過(guò)多的總線控制器也增加了安裝成本，帶來(lái)了較多的故障率，所以最終的選擇是G500KTL（500KW）火電并網(wǎng)總線控制器。