CN107479439B - 一种基于母板结构的svg控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于母板结构的SVG控制电路，包括：主控电路、底层控制器和电源模块，其中，所述主控电路包括采样电路、开关量输入输出电路、光纤收发电路、信号调理滤波电路和数字信号处理电路，所述采样电路、开关量输入输出电路、光纤收发电路及信号检测调理电路位于母板上，所述数字信号处理电路位于高频控制板上，高频控制板通过插针与母板相连；所述底层控制器包括IGBT驱动模块、光电转换模块、吸收电容和散热片，所述底层控制器通过光纤与主控电路连接；所述电源模块位于电源板上，通过接插件向所述母板、高频控制板和底层控制器供电。本发明具有有效减少控制电路中可能存在的电磁干扰的有益效果。

Description

一种基于母板结构的SVG控制电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，更具体地，涉及一种基于母板结构的SVG控制电路。

背景技术

电力系统中的无功功率不直接作为实际消耗之功，但无功功率的变换将引起发电和输电设备上的电压升降和电能损失。近年来，随着我国电力工业发展速度加快，对电能的需要也越来越高，电网无功的不平衡将导致系统电压的巨大波动，严重时会导致用电设备的损坏，出现系统电压崩溃等事故。因此，无功补偿技术对于提高电力系统的电能质量和挖掘电网的潜力是十分必要的。

SVG(Static Var Generator，静止无功发生器)利用可关断大功率电力电子器件(IGBT)组成桥式电路，经过电抗器并联到电网上，通过调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。作为SVG装置的大脑，安全可靠的控制系统对SVG装置的正常运行起着重要的作用。在SVG中由于采用的是桥式交流电路，SVG装置会根据容量大量采用IGBT功率模块。IGBT功率模块、驱动模块和SVG控制系统都安装在一个体积不大的空间中，IGBT通断时会产生急剧变化的电压和电流，产生很强的磁场干扰控制系统的正常工作。

因此，SVG控制系统通常工作在复杂的电磁干扰环境中，导致现有的大多数控制电路存在着可靠性低、稳定性差等问题。

发明内容

为了解决或者至少部分解决现有SVG控制系统工作在复杂的电磁干扰环境中，可靠性低和稳定性差的问题，本发明提供一种基于母板结构的SVG控制电路。

本发明提供一种基于母板结构的SVG控制电路，包括主控电路、底层控制器和电源模块，其中：

所述主控电路包括采样电路、开关量输入输出电路、光纤收发电路、信号调理滤波电路和数字信号处理电路；所述采样电路、开关量输入输出电路、光纤收发电路及信号调理滤波电路位于母板上，所述数字信号处理电路位于高频控制板上，高频控制板通过插针与母板相连；

所述底层控制器包括IGBT驱动模块、光电转换模块、吸收电容和散热片，所述底层控制器通过光纤与主控电路连接；

所述电源模块位于电源板上，通过接插件向所述母板、高频控制板和底层控制器供电。

其中，所述数字信号处理电路包括两块DSP芯片、一块FPGA芯片、一块CPLD芯片和若干AD转换芯片；

所述两块DSP芯片按功能划分为主从芯片；所述AD转换芯片用于将模拟信号转换为数字信号，并传递至主DSP芯片；主DSP芯片用于对采样得到的经AD转换后的数字信号进行还原并进行相应的计算处理；从DSP芯片用于进行故障诊断和与上位机进行通信；

所述FPGA芯片用于接收采样电路的信号和DSP芯片的指令，完成PWM信号的产生及编码，并与底层控制器进行通讯；

所述CPLD芯片用于对DSP片选信号进行处理及控制部分外设。

其中，所述采样电路包括电压互感器和电流互感器，用于采集电网电压、电网电流、负载电流及装置输出电流；所述信号调理滤波电路用于将采样电路所得的模拟信号转换为数字信号处理电路的AD转换芯片所能处理的信号；所述光纤收发电路与所述FPGA芯片连接，用于对所接收到的底层控制器所发出的信号或者对发送给底层控制器的信号进行光电转换；所述开关量输入输出电路用于根据CPLD芯片的指令执行对外设的开/关操作。

其中，所述底层控制器通过吸收电容吸收IGBT功率器件开通和关断时所产生的脉冲电流；采用镀银铜条作为IGBT功率器件的驱动线。

其中，所述电源模块采用UPS电源产生220V交流电，经隔离变压器产生不同电压等级的低压交流电，并经开关电源变换，产生24V、15V、5V以及3.3V的直流电。

其中，所述母板上各电气元件与导线之间的间隔距离通过以下公式进行确定：

D＝ΔU/500，

式中，ΔU代表电位差，D代表元件与导线之间的间隔距离。

其中，所述高频控制板上布线的影响因素包括：导线与电气元件之间的绝缘距离和信号传输导线上的分布参数效应。

本发明提出的一种基于母板结构的SVG控制电路，主控电路安装在母板和高频控制板上，并且高频控制板通过插针与母板相连，实现了低频和高频的隔离，可以在一定程度上减少数字电路和模拟电路之间的串扰问题；并通过在底层控制器上安装吸收电容，能够吸收IGBT器件开通和关断带来的电磁干扰；底层控制器与主控电路之间通过光纤连接，可以缓解信号传递容易受到电磁辐射干扰的问题；电源模块位于单独的电路板上，可以有效较少电源扰动带给控制系统的电磁干扰。本发明提出的一种基于母板结构的SVG控制电路，能够较大程度的减少SVG控制电路中可能存在的电磁干扰，进而有效地提升了SVG控制电路的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种基于母板结构的SVG控制电路的结构示意图；

图2为本发明另一实施例提供的主DSP芯片的功能示意图；

图3为本发明另一实施例提供的从DSP芯片的功能示意图；

图4为本发明另一实施例提供的FPGA芯片的功能示意图；

图5为本发明另一实施例提供的CPLD芯片的功能示意图；

图6为本发明另一实施例提供的底层控制器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，为本发明一实施例提供的一种基于母板结构的SVG控制电路的结构示意图，包括主控电路、底层控制器和电源模块；所述主控电路包括采样电路、开关量输入输出电路、光纤收发电路、信号调理滤波电路和数字信号处理电路；所述采样电路、开关量输入输出电路、光纤收发电路及信号调理滤波电路位于母板上，所述数字信号处理电路位于高频控制板上，高频控制板通过插针与母板相连；所述底层控制器包括IGBT驱动模块、光电转换模块、吸收电容和散热片，所述底层控制器通过光纤与主控电路连接；所述电源模块位于电源板上，通过接插件向所述母板、高频控制板和底层控制器供电。

传统的SVG控制器，由于其电路设计中存在的缺陷，导致抗电磁干扰性能力弱，稳定性与可靠性不高，本发明实施例对SVG控制电路的结构进行了优化，以提升SVG控制电路的抗电磁干扰能力，进而提升控制系统的稳定性和可靠性。

SVG控制电路的主要功能是通过对采集得到的电压电流信号进行数据处理，生成相应的PWM调制信号控制底层IGBT功率器件的开通与关断。与此同时，进行相应的故障判断与安全控制等功能。

SVG控制电路主要由主控电路、底层控制器和电源模块组成。主控电路包括采样电路、开关量输入输出电路、光纤收发电路、信号调理滤波电路和数字信号处理电路，主控电路负责采集电网电压的信号，经信号调理后输入给数字信号处理电路进行处理，计算得到的PWM控制信号经光电转换传输到底层控制器，与此同时，主控电路还负责SVG报警灯、机柜门等开关信号的采集与处理。为了减少SVG控制电路高频电路和低频电路之间的电磁干扰，将主控电路安装在母板及高频控制板上。其中，采样电路、开关量输入输出电路、光纤收发电路和信号调理滤波电路均位于母板上，用于实现模拟信号的采集和处理，母板上，所述各电路之间保持一定的电气距离；数字信号处理电路位于高频控制板上，用于实现数字信号的处理；高频控制板与母版均为单独的PCB板，实现了低频电路与高频电路的相互隔离。高频控制板与母板之间通过插针相连接，可以在一定程度上减少数字电路和模拟电路之间的串扰问题。

底层控制器包括IGBT驱动模块、光电转换模块、吸收电容和散热片，底层控制器主要负责接收主控电路传递的控制信号并驱动IGBT功率器件的开关操作。底层控制器位于一块单独的PCB板上，吸收电容能够吸收IGBT器件开通和关断带来的电磁干扰。底层控制器与主控电路之间通过光纤进行通信，可以缓解信号传递容易受到电磁辐射干扰的问题。

电源模块负责向所述主控电路和底层控制器供电，电压模块位于一块单独的PCB上，通过接插件向所述母板、高频控制板和底层控制器供电，可以有效地减少电源电压波动带给控制系统的电磁干扰。

本发明实施例提出的一种基于母板结构的SVG控制电路，能够较大程度的减少SVG控制电路中可能存在的电磁干扰，进而有效地提升了SVG控制电路的可靠性和稳定性。

本发明另一实施例，在上述实施例的基础上，所述数字信号处理电路包括两块DSP芯片、一块FPGA芯片、一块CPLD芯片和若干AD转换芯片；所述两块DSP芯片按功能划分为主从芯片；所述AD转换芯片用于将模拟信号转换为数字信号，并传递至主DSP芯片；主DSP芯片用于对采样得到的经AD转换后的数字信号进行还原并进行相应的计算处理；从DSP芯片用于进行故障诊断和与上位机进行通信；所述FPGA芯片用于接收采样电路的信号和DSP芯片的指令，完成PWM信号的产生及编码，并与底层控制器进行通讯；所述CPLD芯片用于对DSP片选信号进行处理及控制部分外设。

具体地，如图2所示，为主DSP芯片的功能示意图，主DSP芯片通过设定AD转换芯片的工作模式及启动转换获取交流采样信号，从FPGA读取底层控制信号及模块状态信号，针对获得的电网信号以及底层控制信号，根据电流电压控制算法完成无功补偿和谐波补偿功能。与此同时主DSP芯片和从DSP芯片之间通过双口RAM进行通讯，交换相应的电压电流数信号数值。

如图3所示，为从DSP芯片的功能示意图，交流采样信号传递至高频控制板后，经电阻分压进入从DSP芯片的片内AD转换模块，从DSP芯片将采样数据还原后进行有效值计算和输出电流谐波计算。从DSP芯片对大部分故障进行处理，并与主DSP芯片协同处理模块故障。完成开关量输入输出控制。在系统启动过程及故障处理过程中，主DSP芯片与从DSP芯片通过双口RAM完成数据传递。

如图4所示，为FPGA芯片的功能示意图，FPGA芯片接收主DSP芯片发送的各底层模块调制波数据、载波频率及载波初相数据，完成相应的控制算法，产生各底层模块的PWM信号，PWM信号编码后通过光纤收发电路后发送至底层控制器。与此同时，FPGA芯片按照设定的接收协议接收底层控制器通过光纤发送上来的状态数据，解码后经过数据缓冲区将数据上传至主DSP芯片。

如图5所示，为CPLD芯片的功能示意图，继电器开关信号进入CPLD芯片后经过逻辑运算后，传输至从DSP芯片完成相应的处理，从DSP芯片完成数据处理后将数据返回至CPLD芯片，CPLD芯片进行解码后将继电器开关量信息送出，继电器控制机柜门、指示灯等设备的开通与关断。DSP芯片的外设如AD芯片、DA芯片等的地址译码也由CPLD完成。

本发明实施例提供的一种基于母板结构的SVG控制电路，其高频控制板由多块处理器芯片组成，各个芯片通过总线连接并进行数据的通信，由于高频控制板与SVG控制电路的其他各个功能模块隔离，因此来自电网的模拟电路的传导干扰大大降低，减小了数字电路的出错概率，有利于控制电路的稳定工作。

本发明另一实施例，在上述实施例的基础上，所述采样电路包括电压互感器和电流互感器，用于采集电网电压、电网电流、负载电流及装置输出电流；所述信号调理滤波电路用于将采样电路所得的模拟信号转换为数字信号处理电路的AD转换芯片所能处理的信号；所述光纤收发电路与所述FPGA芯片连接，用于对所接收到的由底层控制器所发出的信号或者对发送给底层控制器的信号进行光电转换；所述开关量输入输出电路用于根据CPLD芯片的指令执行对外设的开/关操作。

具体地，SVG交流采样信号有：电网电压、电网电流、负载电流及装置输出电流。电网电压采样为PT电压互感器加LEM电压传感器的采样方式，电网电压先经过高压PT，再经过LEM电压传感器，之后经过信号调理滤波电路换成高频控制板上的AD转换芯片所能处理的信号。电网电流及负载电流采样为CT加LEM电流传感器的采样方式，电网电流及负载电流先经大电流CT，再经过LEM电流传感器，之后经过信号调理滤波电路换成高频控制板上的AD转换芯片所能处理的信号形式。为保证装置反馈信号的精度，SVG的装置输出电流采样使用HALL传感器，装置输出电流先经大电流HALL，再经过信号调理滤波电路换成高频控制板上的AD转换芯片所能处理的信号形式。

所述光纤收发电路与所述FPGA芯片连接，用于对所接收到的由底层控制器所发出的状态信号或者对发送给底层控制器的PWM信号进行光电转换；所述开关量输入输出电路用于根据CPLD芯片的指令执行对外设的开/关操作，如控制机柜门、指示灯等设备的开通与关断。

本发明实施例提供的一种基于母板结构的SVG控制电路，母板上各个电路之间保持一定的电气距离，可以有效防止各个功能模块之间相互串扰。

基于上述实施例，所述底层控制器通过吸收电容吸收IGBT功率器件开通和关断时所产生的脉冲电流；采用镀银铜条作为IGBT功率器件的驱动线。

具体地，底层控制器上安装有IGBT驱动模块、散热片、光电转换模块以及吸收电容。底层控制板上安装有主功率器件IGBT和底层控制器，IGBT在工作时的高频导通和关断会产生急剧变化的电压和电流，为防止剧烈变化的电压和电流对底层控制器带来电磁干扰，在底层控制板上加装吸收电容C，如图6所示，吸收电容C安装在IGBT功率器件的背面，通过铜母线与IGBT相连接，进而吸收尖峰电流，防止过电压与过电流影响到开关元件的正常工作。由主控电路传递至底层控制器的光信号经光电转换后，采用镀银铜导线连接至IGBT驱动模块，相对于传统导线而言，镀银层可以更好的隔离电磁干扰，防止由IGBT高速开通和关断产生的空间电磁场对IGBT驱动线缆产生干扰。

基于上述实施例，所述电源模块采用UPS电源产生220V交流电，经隔离变压器产生不同电压等级的低压交流电，并经开关电源变换，产生24V、15V、5V以及3.3V的直流电。

具体地，本发明实施例的电源模块由UPS提供220V交流电源。220V交流电源经隔离变压器产生不同电压等级的低压交流电，并经开关电源变换分别产生24V，15V，5V以及3.3V的直流电，为控制电提供电源。其中24V以及15V电源主要提供给模拟电路，即母板，5V以及3.3V主要提供给数字电路，即高频控制板，数字电路的地电位与模拟电路地电位之间通过磁珠进行隔离，防止因地电位抬升而产生干扰。

基于上述实施例，所述母板上各电气元件与导线之间的间隔距离通过以下公式进行确定：

D＝ΔU/500，

式中，ΔU代表电位差，单位为V，D代表元件与导线之间的间隔距离，单位为cm。

具体地，母板上包含采样电路、开关量输入输出电路、光纤收发电路、信号调理滤波电路，其中，电网电压电流采样，开关量的输入输出属于低频电路，其主要特点在于频率相对较低(50Hz)，相对于高频板的数字电路而言，其电压幅值高。因此，将电压电流采样电路，开关量输入输出电路安装在母板上，由于母板空间距离较远，因此其电子元件的间隔距离设置较宽，进而保证电子元件之间的绝缘。本发明中，母板上元件与导线之间的距离与电压差之间的关系由上述公式确定。

基于上述实施例，所述高频控制板上布线的影响因素包括：导线与电气元件之间的绝缘距离和信号传输导线上的分布参数效应。

具体地，高频控制板上，其电压幅值低，而电压频率高，在考虑导线与元件之间的绝缘距离的同时，也应当考虑到信号传输导线上的分布参数效应。通常情况下，数字集成芯片上的电流变化率为0.6mA/ns，PCB电路板上的1mm长度的铜导线，其电阻值为0.5mΩ，电感值为0.4nH。由此可知，对于数字电路而言，其电压电流变化率较高，当信号线较长时，会导致数字信号的失真。本发明中，在进行高频板的布线时，尽量将信号线长度缩短，进而减小因线路杂散参数带来的信号干扰失真。

本发明上述各实施例提出的基于母板结构的SVG控制电路，主控电路安装在母板和高频控制板上，并且高频控制板通过插针与母板相连，实现了低频和高频的隔离，可以在一定程度上减少数字电路和模拟电路之间的串扰问题；并通过在底层控制器上安装吸收电容，能够吸收IGBT器件开通和关断带来的电磁干扰；底层控制器与主控电路之间通过光纤连接，可以缓解信号传递容易受到电磁辐射干扰的问题；电源模块位于单独的电路板上，可以有效较少电源扰动带给控制系统的电磁干扰。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于母板结构的SVG控制电路，其特征在于，包括主控电路、底层控制器和电源模块，其中：

所述主控电路包括采样电路、开关量输入输出电路、光纤收发电路、信号调理滤波电路和数字信号处理电路；所述采样电路、开关量输入输出电路、光纤收发电路及信号调理滤波电路位于母板上，所述数字信号处理电路位于高频控制板上，高频控制板通过插针与母板相连；

所述底层控制器包括IGBT驱动模块、光电转换模块、吸收电容和散热片，所述底层控制器通过光纤与主控电路连接；

所述电源模块位于电源板上，通过接插件向所述母板、高频控制板和底层控制器供电；

其中，所述母板上各电气元件与导线之间的间隔距离通过以下公式进行确定：

D＝ΔU/500，

式中，ΔU代表电位差，D代表元件与导线之间的间隔距离。

2.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述数字信号处理电路包括两块DSP芯片、一块FPGA芯片、一块CPLD芯片和若干AD转换芯片；

所述两块DSP芯片按功能划分为主从芯片；所述AD转换芯片用于将模拟信号转换为数字信号，并传递至主DSP芯片；主DSP芯片用于对采样得到的经AD转换后的数字信号进行还原并进行相应的计算处理；从DSP芯片用于进行故障诊断和与上位机进行通信；

所述FPGA芯片用于接收采样电路的信号和DSP芯片的指令，完成PWM信号的产生及编码，并与底层控制器进行通讯；

所述CPLD芯片用于对DSP芯片片选信号进行处理及控制部分外设。

3.根据权利要求2所述的控制电路，其特征在于，所述采样电路包括电压互感器和电流互感器，用于采集电网电压、电网电流、负载电流及装置输出电流；

所述信号调理滤波电路用于将采样电路所得的模拟信号转换为数字信号处理电路的AD转换芯片所能处理的信号；

所述光纤收发电路与所述FPGA芯片连接，用于对所接收到的底层控制器所发出的信号或者对发送给底层控制器的信号进行光电转换；

所述开关量输入输出电路用于根据CPLD芯片的指令执行对外设的开/关操作。

4.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述底层控制器通过吸收电容吸收IGBT功率器件开通和关断时所产生的脉冲电流；采用镀银铜条作为IGBT功率器件的驱动线。

5.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述电源模块采用UPS电源产生220V交流电，经隔离变压器产生不同电压等级的低压交流电，并经开关电源变换，产生24V、15V、5V以及3.3V的直流电。

6.根据权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述高频控制板上布线的影响因素包括：导线与电气元件之间的绝缘距离和信号传输导线上的分布参数效应。