敏感用戶高品質(zhì)交-直流級聯(lián)供電方案研究

倪扶瑤,謝 琦,郭亞威,許 中,周 凱,郭倩雯,欒 樂

(1. 四川大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065; 2. 廣東電網(wǎng)公司廣州供電局電力試驗研究院，廣東 廣州 510420)

0 引 言

隨著全控型電力電子器件和數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展，用電負(fù)荷呈現(xiàn)出多樣性，可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)、個人計算機(jī)（personal computer，PC）、交流接觸器（AC contactor，ACC）、變頻器（variable frequency drive，VFD）等一系列對電壓暫降敏感的設(shè)備已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中[1]。其中，VFD通過整流和逆變將市電轉(zhuǎn)換為電壓和頻率可調(diào)的電源，進(jìn)而實現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速。在造紙廠卷子機(jī)、塑料生產(chǎn)注塑機(jī)、食品制冷劑循環(huán)泵、玻璃自動分片機(jī)等各類由電動機(jī)驅(qū)動的裝置中均采用VFD進(jìn)行控制。發(fā)生電壓暫降時，VFD異常運行常常導(dǎo)致整個生產(chǎn)過程的中斷，造成經(jīng)濟(jì)損失甚至威脅到人身安全[2]。針對電壓暫降問題，目前的治理設(shè)備包括動態(tài)電壓調(diào)節(jié)器[3]、靜止同步補(bǔ)償器[4]、電壓暫降保護(hù)裝置[5]等。

近年來，直流供電系統(tǒng)由于其高效率、高可靠性等優(yōu)勢受到了廣泛關(guān)注[6-8]，尤其是在住宅供電和數(shù)據(jù)中心供電場合。直流供電系統(tǒng)采用兩條直流線路供電的架構(gòu)本身決定了直流配電系統(tǒng)不存在頻率、相位以及三相電壓不平衡的問題[9]。此外，由于直流保護(hù)裝置及電力電子接口裝置快速響應(yīng)與動作特性，使得直流電壓暫降與暫升的典型持續(xù)時間遠(yuǎn)小于交流系統(tǒng)[10]。因此，充分利用和提升直流供電系統(tǒng)高電能質(zhì)量供電的能力，建立工業(yè)用低壓直流供電方案為以VFD為代表的敏感負(fù)荷供電具有重要的發(fā)展前景。

蔣科等[11]提出建立基于MMC的直流輸電系統(tǒng)用于提升園區(qū)電能質(zhì)量。李江龍等[5]提出的VSP則是在用戶端研發(fā)了一種并聯(lián)式直流后備電源系統(tǒng)，通過升壓DC/DC變換器的控制，確保負(fù)載在降壓至20%殘壓時依然可以正常運行3～60 s，但是VSP只能單一對直流負(fù)荷進(jìn)行電壓暫降的治理。與多端直流輸電技術(shù)以及單一治理設(shè)備相比，直流供電方案更關(guān)注面向集中敏感用戶的供電可靠性、電能質(zhì)量等問題[12]。目前關(guān)于直流供電方案的研究主要集中在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中分布式電源、儲能和可控負(fù)荷等單元，實現(xiàn)各種擾動情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。王盼寶等[13]提出了同時適用于并離網(wǎng)運行模式的電壓分層控制策略。該策略根據(jù)母線電壓等級將運行模式分為5種，不同模式下分別選取并網(wǎng)逆變器、儲能系統(tǒng)、分布式電源作為穩(wěn)壓單元，維持直流母線電壓穩(wěn)定。Tricarico T等[14]研究了交直流混合微網(wǎng)中交錯并聯(lián)型變換器的控制，抑制系統(tǒng)中負(fù)荷與分布式發(fā)電單元變化對系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響。

然而，上述直流供電系統(tǒng)的研究較少考慮電壓暫降等暫態(tài)過程。在交流系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時直流供電母線電壓容易出現(xiàn)短時跌落，影響敏感負(fù)荷正常運行。因此，本文基于VFD工作特性的分析提出了一種新型工業(yè)用交-直流級聯(lián)供電方案。該供電方案能為以VFD為代表的各類交流和直流敏感負(fù)荷提供高品質(zhì)供電。

1 VFD雙向供電工作原理

VFD是一類典型的廣泛應(yīng)用于連續(xù)型生產(chǎn)企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備。暫降造成VFD故障停機(jī)的主要原因可分為以下兩個方面：1）內(nèi)部原因，變頻調(diào)速器的保護(hù)系統(tǒng)（如過電流保護(hù)、欠電壓保護(hù)）動作，或變頻調(diào)速系統(tǒng)控制器斷電或受擾，控制器發(fā)出指令紊亂；2）外部原因，系統(tǒng)中其他元件（如交流接觸器或電動機(jī)）脫扣，導(dǎo)致變頻調(diào)速系統(tǒng)故障停機(jī)。

變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。典型的交-直-交變頻器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該類變頻器主要由兩個模塊組成，即整流模塊和逆變模塊。整流模塊主要由二極管整流回路組成，簡單可靠，可將三相交流電整流為直流電，直流電將存儲在直流環(huán)節(jié)的電容之中；逆變模塊主要由可控器件構(gòu)成的三相逆變橋組成，可將存儲在電容中的直流電逆變?yōu)轭l率可變的交流電。

圖1 VFD雙向供電結(jié)構(gòu)圖

交-直-交VFD可以采用前級交流供電和中間級直流供電兩種供電模式。兩種供電模式如圖1所示。VFD在正常運行時前級和中級分別接入交流饋線與直流饋線，互為備用電源，為VFD提供高可靠性和高電能質(zhì)量供電。在直流輸入端通過串聯(lián)二極管限制電流流動方向，防止電流反向流動；串聯(lián)熔斷器作為短路與過電流保護(hù)。

2 供電方案設(shè)計

本文提出的交-直流級聯(lián)供電方案能夠同時向VFD負(fù)荷提供交流供電與直流供電?；跓o通信系統(tǒng)的壓差自感應(yīng)電壓暫降檢測技術(shù)，實現(xiàn)電壓暫降或短時中斷過程中供電回路快速切換，保證系統(tǒng)正常運行。此外，儲能系統(tǒng)采用自主均流控制的變換器接入直流供電回路，補(bǔ)償功率缺額，維持暫降過程中直流供電母線的電壓穩(wěn)定，向VFD及其他交流敏感負(fù)荷供電。

2.1 系統(tǒng)拓?fù)?/h3>

本文提出的工業(yè)交-直流級聯(lián)供方案拓?fù)淙鐖D2所示。系統(tǒng)主要分為直流供電回路與交流供電回路兩部分。

圖2 交直流級聯(lián)供電方案拓?fù)鋱D

直流供電回路如圖2中綠色部分，電池儲能系統(tǒng)通過雙向DC/DC變換器接入直流母線。直流母線電壓與各單元注入直流母線的功率之間的關(guān)系可以表示為：

式中：Ubus——直流母線電壓，V；

C——直流母線上的等效電容值，F(xiàn)；

PES——儲能系統(tǒng)輸出有功功率，W；

PL——負(fù)荷吸收的有功功率，W。

電池儲能系統(tǒng)通過雙向DC/DC變換器接在直流母線上提供集中式儲能供電。與傳統(tǒng)分散式治理方案中針對每個敏感負(fù)荷配備一組蓄電池組的方式相比，減少了對電池容量和數(shù)量的需求。直流母線電壓參考值Ubusref設(shè)定為500 V，可直接接入VFD直流環(huán)節(jié)，向VFD供電。同時，正常情況下VFD直流側(cè)電壓Udcref=550 V大于直流母線電壓，形成壓差鉗制，避免正常情況下直流供電回路與VFD之間的功率交換。此外，500 V直流通過DC/DC變換器降壓為48 V直流，為工廠48 V等級直流照明等負(fù)荷供電。

交流供電回路如圖2中黃色部分，交流供電回路在正常模式下向VFD前級以及其他交流負(fù)荷供電。此外，交流回路與直流供電回路之間通過可控型AC/DC逆變器相連，并串聯(lián)于敏感交流負(fù)載進(jìn)線前端。在電壓暫降發(fā)生時，穩(wěn)定直流電壓通過可控逆變輸出完美正弦波，確保其他交流敏感負(fù)載正常運行，包括VFD的交流控制電路。

2.2 系統(tǒng)控制策略

針對現(xiàn)有電壓檢測技術(shù)檢測速度慢、信號處理環(huán)節(jié)復(fù)雜的問題，提出基于半導(dǎo)體器件壓差導(dǎo)通特性的控制方法，實現(xiàn)電壓暫降過程中直流供電系統(tǒng)與敏感負(fù)荷間壓差自感應(yīng)控制，極大提高了電壓暫降治理響應(yīng)的快速性。

交-直流級聯(lián)供電系統(tǒng)運行模式可以分為正常運行模式與暫降暫態(tài)模式，通過檢測VFD直流母線電壓可以判斷系統(tǒng)運行模式。由于采用了二極管壓差自感應(yīng)技術(shù)，在此無需傳感器檢測，當(dāng)暫降引起直流供電母線電壓小于VFD直流側(cè)電壓時，二極管自然導(dǎo)通，直流供電系統(tǒng)開始向VFD供電，維持VFD直流環(huán)節(jié)電壓在正常范圍之內(nèi)。與此同時，受壓差影響，VFD前級不控整流單元中二極管不再導(dǎo)通，交流供電回路停止向VFD供電，可在一定程度上起到改善交流系統(tǒng)電壓暫降問題的作用。

1）正常運行模式：充電機(jī)向儲能系統(tǒng)充電，維持電池荷電狀態(tài)在較高水平（>90%），以應(yīng)對接下來發(fā)生的電壓暫降問題。充電結(jié)束后，儲能系統(tǒng)與充電機(jī)斷開連接，進(jìn)入備用工作模式。VFD及其他交流系統(tǒng)由交流供電回路供電。VFD直流側(cè)電壓Udc=550 V，高于500 V直流母線電壓Ubus，在二極管作用下交直流供電回路之間不存在功率交換。

2）暫降暫態(tài)模式：當(dāng)交流系統(tǒng)發(fā)生暫降，系統(tǒng)進(jìn)入暫降暫態(tài)模式，VFD直流電容電壓Udc跌落，當(dāng)Udc

結(jié)合上述交流供電回路與直流供電回路的工作原理，本文提出工業(yè)交-直流級聯(lián)供電方案工作原理流程如圖3所示。

圖3 工作原理流程圖

2.3 直流供電變換器的控制

DC/DC變換器是實現(xiàn)儲能模式下電壓調(diào)節(jié)的重要單元，雙向DC/DC變換器控制電池儲能系統(tǒng)的充放電，在暫降過程中儲能放電維持直流母線電壓的穩(wěn)定，在正常狀態(tài)下充電機(jī)或交流系統(tǒng)向電池充電。由于采用了多個電池組串并聯(lián)的集中供電式電池儲能系統(tǒng)，要求變換器具有大的電流容量。因此，有必要選擇多模塊并聯(lián)的DC/DC變換器。

如圖4所示的兩相交錯并聯(lián)Buck-Boost變換器輸出電流為并聯(lián)電感L1、L2的總和，兩相斬波電路交錯導(dǎo)通能有效減小注入系統(tǒng)的電流紋波及單個濾波電感的尺寸。此外，值得注意的是并聯(lián)結(jié)構(gòu)模塊間電感、開關(guān)器件及分布參數(shù)不可能完全一致，必然存在模塊間電流分布不均的問題。本文設(shè)計了一種基于混合電流控制技術(shù)的電流均衡方法，快速調(diào)節(jié)各相電流。

圖4 兩相交錯并聯(lián)Buck-Boost電路及控制

均流控制框圖如圖4所示。以電壓、電流雙閉環(huán)控制為基礎(chǔ)，并聯(lián)運行模塊間采用獨立電流反饋環(huán)，共用電壓反饋環(huán)。混合電流控制策略基本思想是將電流基準(zhǔn)信號均分為每個模塊的參考電流，然后補(bǔ)償兩相電感電流差值，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生信號x1和x2，再由給定恒頻的三角載波信號tr1和tr2與信號x1和x2相加得到信號y1和y2，最終經(jīng)滯環(huán)比較器產(chǎn)生開關(guān)管占空比信號S1和S2。其中tr1與tr2為相位相差180°的載波信號，通過滯環(huán)控制實現(xiàn)兩相DC/DC變換器依次導(dǎo)通。

圖4中Ubusref是直流母線電壓基準(zhǔn)值，Uo是直流母線電壓實時測量值，二者誤差e經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器生成Iref。電感電流If1和If2作差得到ΔIL/2作為補(bǔ)償值，圖4中：

若If1和If2相等，則誤差值相等，電流調(diào)節(jié)器輸入為Iref/2與實際電感電流的差值，兩個給定信號x1、x2相同，保證下個開關(guān)動作后電感電流維持相等。若If1和If2不等，則根據(jù)上一周期電流偏差ΔIL/2，建立新的參考電流，增大電感電流較小者參考電流，減小電流較大者參考電流，使得電感電流快速趨近統(tǒng)一，改善電感電流分布不均問題。

2.4 儲能單元配置方法

確定邊際條件是選擇定制電力治理設(shè)備的關(guān)鍵問題，包括電壓保護(hù)范圍、保護(hù)時間和治理頻次。CIGRE C4.110工作組報告給出一種針對工業(yè)過程免疫力時間（process immunity time，PIT）的推薦性標(biāo)準(zhǔn)，一般來說，電壓以滿足短時中斷為基礎(chǔ)，時間以滿足最大保護(hù)動作時間為基礎(chǔ)，頻次以解決全部電壓暫降為基礎(chǔ)。

典型的VFD在電壓瞬間跌落到額定電壓值的75%～80%以下會報直流母線欠壓故障報警，引起宕機(jī)。當(dāng)VFD逆變器件為IGBT時，在電壓暫降或短時中斷后，將允許VFD繼續(xù)工作一個短時間td。若電壓暫降或短時中斷的持續(xù)時間totd，VFD欠壓保護(hù)動作，VFD停止運行。一般td取6～11 ms，只要電壓暫降到75%～80%以下，都可能使變頻器調(diào)速的電動機(jī)停止運行。

對于直流供電回路中的電池儲能系統(tǒng)，根據(jù)被保護(hù)設(shè)備的功率及支撐時間進(jìn)行蓄電池容量的選擇。設(shè)變頻器總功率為P，需要支撐的時間為ts，預(yù)先選擇蓄電池容量為C1，單節(jié)電池放電ts后的截止電壓為U1（查詢?nèi)萘繛镃1的電池放電數(shù)據(jù)表），電池節(jié)數(shù)N，電池組最大放電總電流I，則：

若電池放電倍率為K，則電池容量的最大值C為：

考慮電池容量儲備為：

其中Ks為電池儲備系數(shù)，通常Ks=1.1。最后比較計算結(jié)果Cbat與預(yù)先選擇容量C1。若C1≥Cbat，則所選蓄電池滿足要求。

3 仿真及實驗測試

3.1 仿真驗證

在Matlab/Simulink中搭建如圖2所示的交-直流級聯(lián)供電模型。仿真模型系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置：接入4臺額定功率7.5 kW的VFD，VFD直流側(cè)電容C=2 μ F。儲能系統(tǒng)選擇35節(jié)125 Ah/12 V鉛酸電池串聯(lián)，端口電壓420 V，放電倍率5C。交流系統(tǒng)線電壓Uac=380 V，正常交流供電運行下VFD直流電壓Udc約為550 V，設(shè)置欠電壓保護(hù)閾值Udcth=412.5 V（75%×550）。直流供電系統(tǒng)母線電壓參考值Ubusref=500 V。

設(shè)置t=1 s時交流系統(tǒng)線路發(fā)生三相接地故障，故障電阻分別為1.2 Ω與17.1 Ω，故障持續(xù)時間tf=600 ms,導(dǎo)致VFD交流側(cè)輸入電壓出現(xiàn)30%和70%暫降。

如圖5所示，故障期間交流輸入電壓Uac三相電壓出現(xiàn)了30%的暫降。VFD直流側(cè)電壓Udc正常運行模式下約為550 V，當(dāng)不接入直流供電系統(tǒng)時，且不考慮欠電壓保護(hù)動作的情況下，暫降過程中Udc下降到約100 V，遠(yuǎn)低于Udcth，VFD停止運行；當(dāng)接入直流供電系統(tǒng)時，暫降過程中Udc維持在475 V左右，高于欠電壓保護(hù)閾值，可繼續(xù)正常運行。

圖5 30%電壓暫降治理效果

交流系統(tǒng)發(fā)生70%電壓暫降情況下的治理效果見圖6。未接入交-直流供電系統(tǒng)，Udc跌落到378 V仍小于Udcth，欠電壓保護(hù)動作。接入直流供電系統(tǒng)，暫降過程中Udc≈500 V。此時，從交流系統(tǒng)注入VFD負(fù)荷的功率降為0 kW，電池儲能系統(tǒng)通過直流供電母線向VFD送電，維持系統(tǒng)正常運行。

圖6 70%電壓暫降治理效果

3.2 DC/DC變換器測試

交錯并聯(lián)型DC/DC變換器是維持VFD正常運行的重要單元，暫降過程中通過調(diào)壓控制維持直流母線電壓的穩(wěn)定。本節(jié)將對DC/DC變換器進(jìn)行測試，檢測其穩(wěn)定電壓與均流控制方法的有效性。

測試中取開關(guān)頻率為7.5 kHz 采樣電阻為20 Ω，電感L1=L2=88 μ H。分別設(shè)置DC/DC輸入側(cè)電壓Ui=298～338 V，測試輸出電壓與流過兩相電感的電流。采用示波器讀取電壓電流信號，如圖7所示，CH1：L1電感電流采樣（黃色曲線），CH2：L2電感電流采樣（藍(lán)色曲線），CH4：輸出電壓采樣（綠色曲線）。

圖7 交錯并聯(lián)DC/DC變換器測試結(jié)果

輸出電壓Uo控制目標(biāo)為480 V，由測試結(jié)果看出該DC/DC變換器能夠在一定范圍內(nèi)維持恒定輸出電壓。與此同時，兩相電流基本相等，有效實現(xiàn)了交錯型變換器的均流。

3.3 暫降治理功能測試

3.3.1 測試方案設(shè)計

根據(jù)以上分析設(shè)計出基于直流一體化技術(shù)的電壓暫降治理裝置樣機(jī)。本文搭建實驗平臺測試了該裝置的治理范圍及有效性。實驗接線圖如圖8所示。驗證在電網(wǎng)電壓跌落時(由380 V的額定值跌落至額定電壓的0%、20%、60%、90%)，該治理裝置能否提供有效的直流電源保證變頻器持續(xù)運行。測試持續(xù)時間為10 s，與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。

圖8 測試平臺實驗接線圖

3.3.2 測試步驟

試驗步驟如下：

1）合上QF1，設(shè)置電壓暫降發(fā)生儀電壓暫降持續(xù)時間，選擇暫降檔位。

2）然后合上QF3，啟動變頻器。

3）合上QF2，設(shè)置交直流一體化技術(shù)的電壓暫降治理裝置參數(shù)。

4）合上QF4，啟動電壓暫降發(fā)生儀，模擬380 V廠用母線電壓的跌落過程。

5）記錄不同幅度暫降時設(shè)備支撐時間，變頻器電壓電流，交直流一體化技術(shù)的電壓暫降治理裝置輸出電壓電流。

6）發(fā)出給停止運行指令，觀察交直流一體化技術(shù)的電壓暫降治理裝置運行狀況。

3.3.3 測試結(jié)果

市電電壓發(fā)生暫降時，直流一體化電壓暫降治理裝置樣機(jī)能夠提供有效的直流電源，保證變頻器在交流失電的情況下正常運行，支撐時間為10 s。具體實驗測試波形如圖9所示，其中黃色曲線為交流電壓，藍(lán)色為變頻器直流母線電壓，紫色為變頻器輸出電壓波形?？梢娫诓煌疃入妷簳航狄约岸虝r中斷過程中變頻器直流母線電壓都維持在475 V左右，處在正常范圍之內(nèi)，能夠維持系統(tǒng)正常運行。

圖9 電壓支撐效果測試圖

4 結(jié)束語

通過仿真與測試驗證了本文提出的工業(yè)用交-直流級聯(lián)供電方案能有效改善敏感負(fù)荷的電能質(zhì)量，實現(xiàn)電壓暫降與短時中斷過程中敏感負(fù)荷的正常供電。本文的主要貢獻(xiàn)還包括：

1）提出了一種新型基于直流供電技術(shù)的電壓暫降治理架構(gòu)，有效保證了工業(yè)敏感負(fù)荷VFD以及其他交流敏感負(fù)荷的正常供電，為建設(shè)工業(yè)高品質(zhì)供電提供了新思路。

2）直流供電直接接入VFD直流母線上，采用無源檢測方式，當(dāng)直流電壓跌落，自動開始切換為直流供電母線注入功率，實現(xiàn)了無通信系統(tǒng)的快速無擾動切換。

3）針對儲能系統(tǒng)紋波系數(shù)大的問題，采用了兩相交錯并聯(lián)Buck-Boost變換器作為并網(wǎng)變換器，并提出了基于混合電流控制的均流控制方法，通過實驗測試驗證了該控制方法的有效性。

4）目前，基于直流供電的電能質(zhì)量控制研究尚處于起步階段，直流系統(tǒng)電能質(zhì)量方面的標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步完善。隨著分布式電源的接入，發(fā)生電壓暫降時如何協(xié)調(diào)儲能、分布式電源與負(fù)荷響應(yīng)，開展交-直流級聯(lián)高品質(zhì)供電的經(jīng)濟(jì)性評估將是下一步需要解決的問題。