现场总线控制系统的设计

文/方俊伟

1 引言

现场总线控制是现场总线控制系统中的一项核心技术，最大功率点一般认为是现场总线控制中的总线控制板处于最佳工作状态。在现场总线控制的实际中，因为电力控制条件和周围的环境温度一直处于不断地改变中，现场总线控制系统的输出功率也会因为环境因素的改变而不断地发生变化。在电力控制条件发生变化时，主要会影响电路中的短路电流的大小，而温度条件主要会对电路中的开路电压大小产生比较的影响，此外电路中的负载对于现场总线控制系统的输出功率变化也占据非常大的比重。电力控制总线控制阵列与负载通过DC/DC电路连接，最大功率跟踪装置不断检测电力控制阵列的电流电压变化，并根据其变化对DC/DC变换器的PWM驱动信号占空比进行调节。对于一般的线性电路来说，如果电路的负载电阻与电源的内阻大小相同时，这时电源处于最大功率输出的工作状态。虽然现场总线控制系统和DC/DC转换电路在实际中都是强非线性的，但是如果把时间看的极为短暂的范围内，在那瞬间就可以当做线性电路。所以通过改变DC-DC转换电路的等效电阻，使它与电源的内阻大小始终相等，便可以达到电力控制总线控制的最大输出功率的目的，从而实现了电力控制总线控制的MPPT。

2 现场总线控制系统分析

为了实现火电发电厂阵列到总线控制器之间的连接线比较少的目的和降低系统使用过程中检修难度。直流总线汇流箱也称为直流接线箱，选择它的根本原因是它可以将总线控制组件方阵的各个分支的输出电流经过其汇流实现集中输入和分组连接的效果，是可以实现独立维护的部件,不会对系统整体的运行造成影响。

火电阵列总线汇流箱的电气原理图如图1所示。

将1MW的火电发电厂现场总线控制系统分为10个100KW并网单元，根据计算共需安装60台汇流箱。

直流总线配电柜：

在火电阵列总线汇流箱作用下，火电阵列的输出电流在室外进行汇流后，然后利用汇流箱的电缆接连接到配电房的直流总线配电柜，最后在此完成一次集中汇流，每个100KW并网单元安装了6台火电阵列总线汇流箱。

在设计中，按照富余检修的思路，系统中每3个100KW 直流配电单元安装一台直流总线配电柜，所以该并网系统一共需要安装4 台直流总线配电柜。

根据设计要求，1MW的火电并网发电项目设计如下：该并网发电项目一共需要安装5600块180W火电发电厂组件，系统的实际发电功率可以达到1.008MW。根据1MW的火电并网发电系统项目的要求，根据工程设计的思路，我认为选择分块发电、集中并网方案是最好的，并给出了两种方案。

方案一：将10个100KW的并网发电单元合并组成一个1MW的大发电项目， 综上所述，本系统主要由总线组件、总线汇流箱、直流总线配电柜、火电并网总线控制器和10KV升压站所组成此外，系统应配置1套监控装置，可采RS485或Ethernet（以太网）的通讯方式，实时监测并网发电系统的运行参数和工作状态。

方案二：此火电并网发电系统将采用分块发电、一次升压、集中并网的设计方案，将系统设计为2个500KW并网发电单元，每个并网单元包含175路火电阵列，2800块总线组件，配置2台500KW并网总线控制器，型号为SG500KTL，不含隔离变压器，输出额定电压为三相 270V（50Hz），经过1台高效 10KV双分裂升压变压器（0.27/0.27/10KV,1000KVA）T接入本地的10KV中压电网（此双分裂升压变压器需要定制，用户自配），实现并网发电功能。火电发电厂现场总线控制系统的输出能量由电网自行分配。

3 现场总线控制系统设计

3.1 功率器件的选择

（1）方案一：根据设计，每台总线控制器的额定功率为P=100KW，输出电压Uac=380V，直流工作电压范围为：450Vdc～880Vdc，最佳直流电压工作点是560V。设计如下：

100KW输出额定电流值计算I0=100000/（1.732*380）=152A；

IGBT的选型要求：I(IGBT的峰值电流)=152*1.1（过载率）*1.414*1.2（纹波）=284A；

IGBT选择：CM450DX-24S (3支)；

驱动器选择：Concept即插即用驱动板：2SP0115T2Ax-CM450DX-24S与IGBT一对一连接；

驱动核：2SC0108T2Dx-12。

（2）方案二： 根据设计，每台总线控制器的额定功率为P=500KW，输出电压Uac=270V，直流工作电压范围为：450Vdc～880Vdc，最佳直流电压工作点是560V。设计如下：

500KW输出额定电流计算：I0=500000/(1.732*270) =1070A；

IGBT选型要求：I(IGBT峰值电流)=1070*1. 1(过载率)*1. 414*1. 2(纹波)=1997A

IGBT：选择FF1400R12IP4型（3支）

驱动器：即插即用驱动板：2SP0325x2Ax-CM2500DY-24S与IGBT行程一对一连接。

驱动核：2SC0435 或 2SD300C17设计驱动板。

3.2 总线控制电路的设计

在本设计中，选择了单功率模块技术作为总线控制器的设计方案，选择模块化设计的主要优点是：在一个功率模块中设计主功率模块、驱动电路及直流母线支撑电容，实现高度集成化的电路结构，降低实际安装的难度，更减少了以后的检修成本。选择现在市场上比较成熟的方案单级式结构设计电路的主功率模块，该结构集成了最大功率点跟踪控制性能并对其进行优化，大幅度提升了总线控制器的工作效率，降低了生产支出也解决了占用空间过大的问题。直流侧电路一般是由直流总线器、直流EMI滤波器、直流接触器、直流隔离开关等组成，交流侧一般是由总线器、EMI滤波器、交流接触器、交流隔离开关、LC滤波器等组成。在三相半桥变换器的作用下，将火电阵列的直流电压转变为高频的三相斩波电压，然后输出在经过滤波器滤波的作用下变成正弦波电压接着通过三相变压器隔离升压后并入电网发电。为了使火电阵列以最大功率发电，需要在直流侧配置了先进的MPPT算法。

3.3 总线控制器的选择

根据总线板的设计和整体的发电容量设计，初步选定了两款总线控制器，分别为SG100K3并网总线控制器和SG500KTL并网总线控制器。总线控制器设计是火电发电设计中至关重要环节，是火电并网发电系统的重要设备之一，火电发电厂组件是把量转化为直流电能，经并网总线控制器转变为与交流电网同频率、同相位的正弦波交流电，输入电网实现并网发电功能。

SG100K3并网总线控制器选择的是美国TI公司控制芯片，通过选择世界上一流的智能功率IPM模块组装主电路，装配电流控制型PWM有源总线控制技术和优质高效隔离变压器，系统稳定性好；设计有完备的保护方案，能够总线控制输出高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等特点，实现了高品质输出。

G500KTL（500KW）火电并网总线控制器智能化设计达到领先水平，每天自动启停工作，无需人为控制。

美国TI公司32位控制芯片提高了控制了精确性和稳定性，可以使并网总线控制器更好的工作；主电路采用德国最先进的IGBT智能功率模块，开关损耗与导通损耗方面实现突破，降低十分明显，使系统的工作效率更高；选择电流控制型 PWM有源总线控制技术和优质进口高效隔离变压器，可靠性高，保护功能齐全，且具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等特点。

最后从实际成本和安装使用的具体情况考虑，10台SG100K3并网总线控制器的价格远远超出了两台G500KTL火电并网总线控制器的价格，并且过多的总线控制器也增加了安装成本，带来了较多的故障率，所以最终的选择是G500KTL（500KW）火电并网总线控制器。