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一种适用于定子注入式接地保护的20Hz电源的设计与实现汪世平,夏雨,周华良,邹志扬(国网电力科学研究院/南京南瑞集团公司,江苏省南京市210003)摘要:20Hz电源是注入式发电机定子接地保护中很重要的一个单元,一般由方波逆变器和带通滤波器组成。本文提出了一个基于MCU控制的20Hz方波逆变器方案,;详细论述了LC带通滤波器的设计与计算;针对发电机发生单相接地故障时的故障电压对方波逆变器的冲击,设计了钳压保护回路,以保证逆变器内部电路不损坏。本方案提高了20Hz电源的灵活性、稳定性、可靠性,具有很高的工程应用价值。关键词:定子接地保护;20Hz电源;带通滤波器;电压钳位1引言发电机定子单相接地保护一般可以采用两种保护原理实现:发电机基波零序电压与3次谐波电压构成保护原理,以及低频电源注入式保护原理。由于前者存在绝缘水平不能检测,3次谐波电压电气量有不可靠因素等不足[1],目前大部分大型发电机均采用注入式定子单相接地保护。该原理利用外部20Hz的电源施加在发电机接地变压器(或中性点消弧线圈)的二次侧,产生回路电流;保护设备通过检测二次侧的20Hz电压电流值,计算其阻抗的大小,折算出一次侧接地电阻的大小,以确定保护的动作行为[2]。外加20Hz电源的稳定性、可靠性对定子单相接地保护的灵敏性和准确性有很大的影响[3]。目前,工程上多采用西门子等厂家的20Hz电源[4][5]。典型的20Hz电源由20Hz方波逆变器和LC带通滤波器组成。方波逆变器采用全桥电路拓扑结构,脉冲频率由晶振分频产生,方波输出电压和频率检测采用ADC接口实现,带通滤波器采用LC串联谐振形式,其谐振频率为20Hz。本文论述的方案中,方波逆变器的控制与检测全部由Microchip公司的16位MCU:dsPIC33FJ128GP706A来实现。MCU的PWM接口和Capture接口,分别实现脉冲频率的控制和电压频率检测功能;MCU丰富的IO资源、通讯接口等,使得电源设备更具接口灵活与便捷的特点;另外,针对在发电机定子单相接地故障时,在20Hz电源端口产生的50Hz的信号,可能会损坏逆变器内部电路的问题。本文作了详细的分析,并提出一种电压钳位保护电路的设计方案,可以在上述情况下防止电源内部损坏。220Hz电源的系统组成20Hz电源系统如下图1所示,主要由AC/DC单元、全桥逆变单元、LC带通滤波器单元、电压钳位单元、MCU控制单元(包括电压频率检测、复位监视、开入开出单元等)。AC/DC单元主要作用是提供逆变器的输入,AC/DCAC/DCPT1PT2LCRORCLSCL20Hz输出MCU隔离驱动PWM接口Capture接口脉冲封锁等开入告警等开出复位、监视、调试接口电压频率监测电压检测电压钳位控制Q1Q2D1D2D4D3Q4Q3AB图120Hz电源系统框图Fig.120HzPowerSupplySystemDiagram同时提供隔离作用,由2个电源模块和2个输出二极管组成。输入电压取自PT的二次侧,输出电压取25~30V,功率容量在100VA左右。图1中所示,用两路AC/DC模块进行并联冗余以提高电源的可靠性,选用的模块带均流控制功能。在只有1路PT输入的情况下,将2个模块的输入接在一起。每个电源模块功率在100W左右,输出带过压和过流保护功能,且输入输出之间的有很高的隔离电压能力。全桥逆变单元采用4个低导通电阻RDS(ON)的MOS管、二极管(也可以直接用MOS管体内二极管)和驱动电路组成。来自MCUPWM端口的控制脉冲,经光耦隔离后,送至专门的半桥驱动器,驱动器输出再控制桥臂上MOS管的通断,其时序为:Q1、Q3的驱动信号相同,Q2、Q4的驱动信号相同,他们之间相位相差180°,并设有一定的死区以防止桥臂直通。半桥驱动器可以采用IR2113等器件。驱动脉冲还受其他控制信号的影响,例如外部脉冲闭锁信号、CPU复位信号等,当这些信号有效时,封锁驱动信号,逆变器停止工作。LC带通滤波器单元是20Hz电源中一个关键组成部分。LC参数决定滤波器的特性,LC参数的计算与选择在下文中会做详细的分析。电压钳位电路主要是抑制发电机单相接地故障时产生的50Hz电压信号对逆变器内部电路的冲击。该电路的分析与实现也会在后文给出。MCU控制单元主要是以dsPIC33FJ128GP706A为核心,实现逆变器控制脉冲的形成、输入输出电压的检测、输出电压频率的检测功能,以及开入开出功能等。整个控制回路与功率回路是隔离的。dsPIC33FJ128GP706A是一款内部资源和接口都很丰富的16位单片机,广泛用于电力系统二次控制保护设备中。它包含2个CAN、2个UART、I2C、SPI等通信接口,2个10位或12位AD转换器,9个16位定时器,输入捕捉(Capture)和输出比较(PWM)接口,等等。控制脉冲的脉宽和频率通过配置时钟寄存器和PWM端口寄存器来实现,频率的精度能达到±0.1Hz。电压和频率信号通过模拟比较回路和光耦隔离后,送至Capture端口实现信号量的检测。开入开出信号主要包括:外部封锁脉冲输入信号、外部复位钳压电路输入信号、电源异常报警输出信号、钳压电路状态信号等。这些信号的控制都是由MCU的IO实现。同时可以通过CAN总线将20Hz电源的状态送至中央监控设备。3带通滤波器的设计3.1理论计算带通滤波器是20Hz电源的一个重要单元,它主要有两方面的作用:一是从20Hz方波逆变器的输出中滤出基波,该基波电压施加在负载电阻和接地变压器(或中性点消弧线圈)的二次侧,用于保护计算。另一方面,当发电机机端发生单相接地故障时,在负载电阻上产生几百伏的50Hz电压,滤波器可以抑制该电压信号对逆变器内部电路的冲击。滤波器的中心频率为20Hz。ACLCRoRLVinVo图2滤波器等效电路Fig.2EquivalentCircuitofFilter如图2所示,Vin为20Hz方波电源,L为滤波电感,C为滤波电容,Ro可以看作是电感L的交流电阻Rac和LC回路外部串联电阻RS之和(RS实际应用中用于调整谐振电流值。电容的ESR很小,可以忽略或计算到Ro),RL是负载电阻。定义,则⁄的增益函数为:()()()(1)增益A=|()|√()()(2)其中,,√(3)滤波器的带宽(4)从(4)式看出,如果要得到一个通带很窄的带通滤波器,其品质因数Q要尽可能的大。但Q值大了以后,实际加工很难实现;另外,高Q值对L、C的耐压值提出了要求。在谐振点时,电感电压和电容电压是电源电压的Q倍:(5)在实际应用中,取20Hz方波输出电压峰值为25V,其中基波有效值为22.5V,峰值约为32V。从(5)式看出,当Q=20时,VC的有效值为450V,峰值为640V。对于大容量的薄膜电容,电压值高的体积比较大。另外,根据傅立叶级数展开,方波中奇次谐波含量(相对基波)见下表1。滤波器参数的设计,还要考虑对方波中所含谐波的抑制能力,以满足保护计算的要求。3次5次7次9次11次幅值相对基波比例1/31/51/71/91/11表1方波中谐波电压幅值与基波幅值的关系Table1RelationshipbetweenHarmonicandFundamentalVoltageAmplitude3.2参数选择根据理论分析计算,并结合实际应用,电容用3个33UF的薄膜电容并联,即C=99uF,根据谐振频率为20Hz,计算出L=630mH。实际加工出来的电感,其交流电阻Rac约5Ω。LC回路外部串联电阻Rs可以在0~3Ω范围内调整。实际应用中,负载电阻RL的范围一般在0.5Ω~10Ω。电压源基波有效值取22.5V。考虑到电容C有±10%的偏差,需要通过调整电感L的感量来保证LC滤波器的中心频率为20HZ。当C偏差+10%时,C=108.9uF,L=573mH;当C偏差-10%时,C=89.1UF,L=700mH。电感可以考虑采用分接头调整其电感量。从上述理论计算公式看出,在电容C偏差+10%时,滤波器的Q值减小、带宽增大、对高次谐波抑制能力减弱。可见,此时滤波器的效果最差,相关计算结果如下表2:Q值带宽LCR阻抗/50Hz3~11次谐波含量13.11.53Hz150.5Ω0.95~0.053%表2C=108.9UF,L=573mH时相关计算值Table2C=108.9uF,L=573mH,CalculationResults3电压钳位的设计发电机机端接地变压器原边绕组一般接成Y形,副边为开口三角绕组,根据实际运行参数选择变压器容量和变比。西门子建议用户的变压器变比选为√⁄[6]。当发电机定子发生单相接地故障时,接地变压器的二次侧开口三角的电压值为500V,考虑到机端电压由5%的偏差,则最坏情况下该电压为525V。该电压在故障切除之前,一直施加在负载电阻上,也即20Hz电源的输出端口。其等效电路如下图3所示:LCROQ1Q2D1D2D4D3Q4Q3ABCbACRL50Hz图3单相接地故障时20Hz电源端口等效电路Fig.3EquivalentCircuitof20HzOutputinSingle-PhaseGroundingFaultState图中,RL为接地变压器二次侧负载电阻,阻值一般在1~10Ω。AC电源的有效值取525V。带通滤波器的参数按最恶劣情况下选择,即L=573mH,C=108.9uF,RO=5Ω。A、B两点分别为2个桥臂的中点,也是方波的输出端口。从图3看,A、B两点的电位是方波逆变器与50Hz信号共同作用的叠加结果。从逆变器看过去,A、B两点是方波输出;从50Hz电源源看过来,A、B是整流电路的输入点。为防止逆变器受到50Hz信号的冲击,必须确保A、B两点对逆变器内部参考地的电压不能太高。根据逆变器内部器件参数,该电压不能高于200V,否则,内部器件会损坏,从而损坏逆变器。1)当故障发生时,方波逆变器输出正常,也即20Hz电源系统正常时,A、B两点对逆变器内部参考地的电压波形为20Hz方波叠加50Hz波形。例如,A点电压波形如下图4所示。可见,在这种情况下,50Hz故障电压对逆变器内部电路不会产生过电压冲击。图4上图等效电路中A点的电压波形Fig.4WaveformofPointAoftheEquivalentCircuit2)当故障发生时,若此时逆变器处于闭锁或因故障而停止工作,则50Hz的故障电压(或其他干扰电压)会损坏逆变器内部电路,进一步扩大事故。原因是:如果逆变器停止工作,此时对于50Hz信号而言,逆变器是一个不可控整流桥,等效电路如图5所示。由于逆变桥负载侧是高阻,此时电容Cb端的电压能接近50Hz信号的峰值,约735V,则A、B两点对参考地的电压基本等于该电压。这几百伏的电压就可以损坏逆变器内部电路,造成不可逆转的损坏。LCROD1D2D4D3ABCbACRL50Hz图5单相接地故障,逆变器不工作时等效电路Fig.5EquivalentCircuitofInverterbeingInactivestateinsingleSingle-PhaseGroundingFaultState因此,需要采取措施将A、B两点之间的电压控制在合理范围内。在图6中提出了一个电压钳位电路方案。该方案是在A、B两点加一个负载电阻RCL和开关SCL。正常工作时,SCL是断开的。LCROQ1Q2D1D2D4D3Q4Q3ABCbACRL50Hz电压钳位及控制电路输入输出电压检测RCLSCL图6电压钳位电路Fig.6VoltageClampCircuit当出现图5中所描述的工况时,电压检测回路会检测到B点电压高于设定值(例如100V)时,通过电压钳位控制回路将开关SCL合上,将RCL投入。此时,对于50Hz信号而言,就构成了L、C、RO、RCL回路,如果L=573mH,C=108.9uF,RO=5Ω、RCL=25Ω、VAC=735(峰值电压),此时计算出VAB=104V,则A、B两点对参考地的电压约为150V,不会损坏逆变器内部电路。这样就实现了电压钳位的功能。钳位电路带自保持功能,即电阻投入后,即使B点电压低于动作门槛了,还是处于
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