基于FPGA的投切电容器组相控真空开关研究

摘要

相控开关又称同步开关，它是根据系统特性，对断路器预先制定控制策略，使其能够在系统的最佳相位开断或关合。相控开关技术可以有效削弱系统的暂态过程，减小绝缘损伤，提高电能质量。目前，相控真空开关主要应用在投切无功补偿电容器组领域，选相投入电容器组可以有效抑制开关关合时产生的涌流和过电压，在切除电容器组时可以提高开关的开断能力，减少触头烧损。
　　相控真空开关的组成部分主要包括控制器和真空断路器。其中，控制器大多采用DSP或单片机作为主控芯片。它们的共同特点是信号处理与算法能力较强，但是实时性和时序控制能力较弱，且程序易受干扰。针对相控开关控制器对于运算速度要求快，但系统算法却相对简单的特点，本文提出了一种基于FPGA的同步控制系统。它具有实时性高、可靠性强、结构灵活等特点，适合作为相控开关系统的控制单元。
　　本文首先简要分析了投切三相无功补偿电容器组的基本策略，进行了系统的方案论证。在此基础上，详细介绍了以FPGA最小系统为核心的控制器的硬件部分。在控制器的软件设计部分，运用Verilog语言在Quartus ii软件开发环境中完成了几大功能模块的编辑。最后运用Modelsim软件完成了时序仿真，验证了程序功能的正确性，测量了门级延迟时间。
　　相控开关通常工作在大电流，强磁场环境下，需要系统有很高的稳定性。本文对相控开关进行了电磁兼容设计，通过了5项抗扰度试验，提高了系统的可靠性。在实验部分，样机在试验站进行了挂网试验。实验数据表明，投切电容器组相控真空开关有效抑制了电容器组的合闸涌流，开关相位精度控制在0.55ms以内，系统运行稳定。实验结果验证了本套样机的实用性和可靠性。