基于諧振開(kāi)關(guān)的并聯(lián)型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器

余加喜，魏應(yīng)冬，謝磊，徐悅洋，陳雁

(1.海南電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心, 海南 海口 570203；2. 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 清華大學(xué)，北京 100084；3. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510080)

0 引 言

新能源發(fā)電的廣泛接入和負(fù)荷容量的增加引起配、用電系統(tǒng)短路容量快速增長(zhǎng)，一些大型發(fā)電機(jī)和主變壓器發(fā)生近區(qū)短路時(shí)，短路電流可達(dá)100 kA～200 kA，亟待妥善解決故障電流抑制問(wèn)題。同時(shí)，現(xiàn)代石化、電子、半導(dǎo)體制造和工業(yè)機(jī)器人等領(lǐng)域，大量使用了對(duì)供電電能質(zhì)量要求更高的電力電子裝置或敏感設(shè)備，易受到電壓驟降，諧波和無(wú)功等電能質(zhì)量擾動(dòng)的影響，不但影響其運(yùn)行效率，降低使用壽命，而且嚴(yán)重的還會(huì)引起這些設(shè)備的誤操作或者損壞，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失甚至重大的安全事故[1-2]。

柔性交流配電系統(tǒng)(Distributed Flexible AC Transmission System, D-FACTS)設(shè)備是解決動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的有力工具[3-6]，但單純的并聯(lián)型或串聯(lián)型DFACTS設(shè)備通常僅能解決部分電能質(zhì)量問(wèn)題[7]。如串聯(lián)型動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償器(Dynamic Voltage Restorer, DVR)[8-10]，主要用于電壓驟降恢復(fù)，難以補(bǔ)償電流源型諧波和無(wú)功負(fù)荷，并且對(duì)于近端斷路器跳閘形成的短時(shí)供電中斷，無(wú)法構(gòu)成有效的補(bǔ)償回路。配電網(wǎng)靜止同步補(bǔ)償器(Distributed Static Synchronous Compensator, D-STATCOM)[11]和并聯(lián)型APF[12]通過(guò)改變配電系統(tǒng)中潮流分布來(lái)間接抑制對(duì)電壓波動(dòng)、電壓閃變、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題，但對(duì)電壓驟降和驟升無(wú)法有效控制。在線(xiàn)互動(dòng)式UPS(Line-Interactive Uninterruptible Power Supply)[13]可以通過(guò)將故障配、用電系統(tǒng)快速斷開(kāi)并獨(dú)立為負(fù)荷供電來(lái)解決電壓型電能質(zhì)量擾動(dòng)問(wèn)題，但其采用的交流電子開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)間較長(zhǎng)，典型時(shí)間為4 ms～10 ms，這對(duì)敏感型負(fù)荷是不可接受的。有研究者提出晶閘管強(qiáng)迫換流的切換開(kāi)關(guān)[14]，但接入的分布式電源使得這種晶閘管強(qiáng)迫換流方式存在失敗可能[4]1696。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(Unified Power Quality Controller, UPQC)[15]、雙變換型UPS(Double Conversion UPS)和在線(xiàn)交互式delta型UPS(Line-Interactive Delta UPS)等綜合型D-FACTS設(shè)備在結(jié)構(gòu)上由于包括“并聯(lián)型和串聯(lián)型”或“整流器和逆變器”兩部分變流器，功能強(qiáng)大，能夠同時(shí)解決電壓和電流兩類(lèi)電能質(zhì)量問(wèn)題。但受限于設(shè)備成本高、抗過(guò)載能力弱及可靠性差等問(wèn)題[16]，目前應(yīng)用范圍仍然有限。此外，上述D-FACTS面臨線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，均缺乏對(duì)短路電流有效的抑制能力。

基于以上分析，本文提出一種基于諧振開(kāi)關(guān)的并聯(lián)型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器S-UPQC。既可在公共連接點(diǎn)對(duì)諧波和無(wú)功綜合補(bǔ)償，也能在電壓驟降時(shí)為敏感負(fù)荷提供不間斷電壓確保其可靠運(yùn)行，同時(shí)可在線(xiàn)路發(fā)生短路時(shí)對(duì)故障電流進(jìn)行快速抑制。S-UQPC具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、抗過(guò)載能力強(qiáng)和運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。本文通過(guò)數(shù)學(xué)建模確定了諧振開(kāi)關(guān)無(wú)源器件參數(shù)計(jì)算方法，建立典型算例的PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真驗(yàn)證了S-UPQC的功能有效性。

1 S-UPQC工作原理

S-UPQC的一次電路由DC-AC變換器、儲(chǔ)能單元和切換開(kāi)關(guān)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S-UPQC裝置結(jié)構(gòu)圖

考慮到絕大多數(shù)電壓驟降持續(xù)時(shí)間為秒級(jí)，DC-AC變換器直流端口接入的儲(chǔ)能單元采用超級(jí)電容，變換器交流端口接入公共連接點(diǎn)PCC2點(diǎn)。在PCC2與外部電力系統(tǒng)PCC1點(diǎn)之間接入切換開(kāi)關(guān)。S-UPQC運(yùn)行原理為：配網(wǎng)電壓us正常時(shí)，S-UPQC檢測(cè)系統(tǒng)電流，提供無(wú)功、負(fù)序和諧波補(bǔ)償；檢測(cè)到配網(wǎng)發(fā)生電壓驟降時(shí)，迅速關(guān)斷切換開(kāi)關(guān)，通過(guò)儲(chǔ)能單元及DC-AC變換器為敏感負(fù)荷供電，保證其安全穩(wěn)定運(yùn)行。一旦公共連接點(diǎn)PCC2出線(xiàn)端至負(fù)荷線(xiàn)路發(fā)生短路故障，S-UPQC檢測(cè)到故障電流即刻控制關(guān)斷切換開(kāi)關(guān)，將線(xiàn)路短路電流迅速抑制至可控水平。

2 切換開(kāi)關(guān)模型

S-UPQC的切換開(kāi)關(guān)串聯(lián)在電網(wǎng)與負(fù)載之間，正常情況下始終處于導(dǎo)通狀態(tài)，要求開(kāi)關(guān)通態(tài)損耗較小和具備較強(qiáng)的過(guò)載能力，同時(shí)關(guān)斷速度要盡可能快。

2.1 自然換流開(kāi)關(guān)

圖2 自然換流開(kāi)關(guān)示意圖

雙向晶閘管相對(duì)常規(guī)的全控型器件(如IGBT等)在損耗和過(guò)載能力方面具備明顯優(yōu)勢(shì)，示意圖如圖2所示。但晶閘管作為半控型器件，其關(guān)斷條件是陽(yáng)極電流小于維持電流(接近于零)，當(dāng)配網(wǎng)故障后，依賴(lài)晶閘管自然關(guān)斷，時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)半個(gè)工頻周期以上，這對(duì)敏感負(fù)荷通常是不可接受的[17]。

當(dāng)線(xiàn)路發(fā)生短路故障時(shí)，快速上升的故障電流無(wú)法滿(mǎn)足晶閘管電流過(guò)零關(guān)斷的條件，不但難以迅速抑制故障電流，還可能造成晶閘管的永久失效。

2.2 諧振開(kāi)關(guān)

圖3 諧振開(kāi)關(guān)示意圖

本文提出的諧振型開(kāi)關(guān)，由雙向晶閘管T1，并聯(lián)電感Lr1，串聯(lián)電感Lr2和電容Cr組成如圖3所示。

其工作原理為：電壓工作時(shí)，T1處于關(guān)斷狀態(tài)，Lr2與Cr形成串聯(lián)諧振，等效阻抗極低而連通電網(wǎng)與負(fù)載；電壓驟降時(shí)，觸發(fā)導(dǎo)通T1，Lr1與Cr形成并聯(lián)諧振，等效阻抗迅速上升而將負(fù)載端PCC2與電網(wǎng)端PCC1隔離，同時(shí)其中儲(chǔ)能單元通過(guò)DC-AC變換器向負(fù)載供電。電壓驟降恢復(fù)后停止觸發(fā)脈沖T1，待晶閘管中電流自然過(guò)零后關(guān)斷，負(fù)載重新由電網(wǎng)供電。由于是通過(guò)觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管實(shí)現(xiàn)切換開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)，因而斷開(kāi)速度很快。

3 諧振開(kāi)關(guān)參數(shù)計(jì)算

令電網(wǎng)額定電壓等級(jí)為VB，S-UPQC額定功率容量為SB，額定電流為IB，同步角頻率為ω0，對(duì)應(yīng)頻率額定阻抗基值為XB，且滿(mǎn)足：

(1)

記Lr1感抗為jXL1、Lr2感抗為jXL2、Cr的容抗為-jXc。依據(jù)T1的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，諧振開(kāi)關(guān)有兩種工作模式：即T1導(dǎo)通狀態(tài)下的并聯(lián)諧振模式和T1關(guān)斷狀態(tài)下的不完全串聯(lián)諧振模式。工作在并聯(lián)諧振模式的諧振開(kāi)關(guān)近似為斷路，方可有效抑制短路故障電流，或?qū)⒐收想娋W(wǎng)和敏感負(fù)荷隔離，故并聯(lián)諧振模式的等效阻抗模值X并應(yīng)趨近于無(wú)窮大，可表示為：

(2)

故，感抗XL1、容抗XC的模值應(yīng)滿(mǎn)足完全諧振條件：

XL1=XC

(3)

當(dāng)諧振開(kāi)關(guān)工作在串聯(lián)諧振模式，其等效阻抗模值X串可表示為：

X串=|j(XL2-XC)|

(4)

考慮到線(xiàn)路自身感抗，通?？蓪⒅C振開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)為不完全串聯(lián)諧振狀態(tài)，以在一定程度上補(bǔ)償線(xiàn)路壓降。設(shè)定k為電抗Lr2感抗模值XL2與電容Cr容抗的模值Xc的比值，k取值范圍在0到1之間，即滿(mǎn)足關(guān)系：

XL2=kXC，k=[0,1]

(5)

顯見(jiàn)，當(dāng)k=1時(shí)為完全串聯(lián)諧振狀態(tài)，X串趨近零。

參數(shù)k值的選取需綜合考慮線(xiàn)路感抗與諧振開(kāi)關(guān)的成本、體積和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行損耗。而且，由于電壓驟降持續(xù)時(shí)間有限(通常不超過(guò)2 s)，應(yīng)充分利用諧振電路的短時(shí)過(guò)載能力，以降低諧振感抗XL1和容抗XC的值。設(shè)定m為電容Cr容抗模值Xc與額定阻抗基值XB的比值，m取值范圍在m1和m2之間，即滿(mǎn)足關(guān)系：

XC=mXB,m=[m1,m2]

(6)

根據(jù)式(1)、式(2)和式(6)可得，電感Lr1和電容Cr在發(fā)生并聯(lián)諧振狀態(tài)時(shí)，承受m倍于額定電流IB的過(guò)載電流?？紤]到Lr1采用空芯電抗，通常短時(shí)可承受3～5倍額定電流，對(duì)應(yīng)m的取值范圍應(yīng)選擇m1=0.2，m2=0.33。

4 典型算例仿真

建立380 V/100 kVA的S-UPQC典型算例，根據(jù)設(shè)定的電壓和容量基值，根據(jù)式(1)計(jì)算可得阻抗、電流基值分別為XB=1.44，IB=152 A。建立基于PSCAD/EMTDC軟件的S-UPQC詳細(xì)電磁暫態(tài)仿真模型，DC-AC變換器采用三相兩電平結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。儲(chǔ)能單元選擇20組含220個(gè)超級(jí)電容單體串聯(lián)的超級(jí)電容器組及其充放電電路。其中超級(jí)電容器組工作電壓590 V，每個(gè)超級(jí)電容單體工作電壓2.7 V，電容大小100 F，最大持續(xù)電流11 A。充放電電路輸入電壓范圍為直流460 V～590 V。

表1 S-UPQC系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

圖4 短路故障及恢復(fù)期間PCC1三相電流波形

如圖5所示，仿真模擬0.307 s時(shí)刻電網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓驟降故障，設(shè)定電網(wǎng)電壓驟降至額定值的10%，故障時(shí)長(zhǎng)0.03 s。系統(tǒng)電壓驟降和電壓驟升的判定條件為Vmin=0.9，Vmax=1.2。S-UPQC裝置在故障之前運(yùn)行在并聯(lián)補(bǔ)償模式，故障發(fā)生后0.2 ms之內(nèi)控制器檢測(cè)到電網(wǎng)側(cè)電壓驟降，切換裝置運(yùn)行模式為不間斷電源模式，0.334 s電網(wǎng)電壓恢復(fù)，控制器在0.2 ms之內(nèi)檢測(cè)到電網(wǎng)電壓恢復(fù)，重新切換裝置運(yùn)行模式為并聯(lián)補(bǔ)償模式。仿真結(jié)果顯示負(fù)荷電壓在整個(gè)區(qū)間內(nèi)幾乎不受任何影響，電壓切換時(shí)間在1.5 ms以?xún)?nèi)。

圖5 電網(wǎng)電壓驟降90%及恢復(fù)期間的負(fù)荷電壓波形

理論計(jì)算與仿真表明，當(dāng)k=0.5時(shí)，空心電抗器Lr2產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)損耗與同等容量晶閘管導(dǎo)通損耗近似相當(dāng)。當(dāng)k≥0.5時(shí)，裝置在電壓供電質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)更明顯；當(dāng)k<0.5時(shí)，裝置在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行效率方面的優(yōu)勢(shì)更明顯。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于諧振開(kāi)關(guān)的并聯(lián)型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器S-UPQC。利用觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管構(gòu)造的并聯(lián)諧振電路，實(shí)現(xiàn)切換開(kāi)關(guān)的快速關(guān)斷，可迅速抑制線(xiàn)路短路故障電流；配合其DC-AC變換器，可解決包括電壓驟降和諧波、無(wú)功潮流超標(biāo)等大部分電能質(zhì)量問(wèn)題，具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、過(guò)載能力強(qiáng)和運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)。本文分析了S-UPQC的工作原理，計(jì)算并確定了諧振開(kāi)關(guān)的參數(shù)，同時(shí)針對(duì)容量為380 V/100 kVA的S-UPQC裝置使用PSCAD /EMTDC仿真，結(jié)果驗(yàn)證了諧振開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理和S-UPQC的有效性。

致 謝

本論文工作受海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項(xiàng)目“文昌地區(qū)電網(wǎng)電壓驟降機(jī)理及治理措施研究”(070000KK52160002)資助，特此鳴謝！