采用新型開繞組結(jié)構(gòu)的電壓暫降與短時(shí)中斷治理裝置

劉水，朱銳峰，梅成林，卓定明，鐘振鑫，尹靖元

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司惠州供電局，廣東 惠州 516000；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；3. 中國科學(xué)院電工研究所，北京 100086;4.中國科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049)

隨著現(xiàn)代科學(xué)和工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)內(nèi)干擾源呈現(xiàn)多樣化趨勢(shì)，導(dǎo)致敏感負(fù)荷的電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重，而電壓暫降與短時(shí)中斷是電能質(zhì)量問題中較為突出的問題之一[1-6]。在電網(wǎng)高電能質(zhì)量供電負(fù)荷中，不僅有大型工業(yè)負(fù)荷，且各種現(xiàn)代化高科技企業(yè)分布密集，這些高端工業(yè)企業(yè)越來越依賴高質(zhì)量的電力供應(yīng)[7-8]。每年的電壓暫降與短時(shí)中斷對(duì)高端工業(yè)的負(fù)面影響巨大，導(dǎo)致的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾十億元，間接損失更是無法估量[9-10]。

電壓暫降與短時(shí)中斷不宜分開治理，在電力系統(tǒng)的日常運(yùn)行中，雷擊避雷器動(dòng)作、大負(fù)荷電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)或各類故障引起電網(wǎng)交流保護(hù)、自動(dòng)裝置動(dòng)作，這些都可能伴隨著少部分用戶的供電出現(xiàn)短時(shí)中斷，而周邊多數(shù)用戶出現(xiàn)電壓暫降[11-12]。從分支線路熔斷器與主干線路重合閘的配合關(guān)系可以知道，電壓暫降、短時(shí)電壓中斷和長(zhǎng)時(shí)電壓中斷與故障發(fā)生點(diǎn)、保護(hù)方式配合以及恢復(fù)供電時(shí)間緊密相關(guān)，并且三者可能相互轉(zhuǎn)化。因此，電壓暫降與短時(shí)中斷是一個(gè)電壓故障的連續(xù)集，從研究和治理的角度可以將電壓暫降與短時(shí)中斷作為一件事情的2種表現(xiàn)來看待[13-15]。

現(xiàn)有電能質(zhì)量治理裝置包括動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器(dynamic voltage restorer，DVR)和統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(unified power quality conditione，UPQC)。DVR主要有2種運(yùn)行模式：當(dāng)電網(wǎng)端電壓未出現(xiàn)跌落時(shí)，DVR處于旁路狀態(tài)；當(dāng)電網(wǎng)端電壓出現(xiàn)跌落時(shí)，DVR在幾毫秒內(nèi)輸出1個(gè)相應(yīng)的補(bǔ)償電壓，使得負(fù)荷端得到1個(gè)完整的電壓波形。DVR輸出的電壓幅值、相位均可以得到調(diào)節(jié)，所注入的有功功率、無功功率與負(fù)荷功率因數(shù)以及DVR自身采用的補(bǔ)償算法有關(guān)[16-17]。UPQC實(shí)際上是集串、并聯(lián)補(bǔ)償器功能于一身的綜合性電能質(zhì)量補(bǔ)償器，其并聯(lián)部分具有靜止同步補(bǔ)償器、有源濾波器等功能，其串聯(lián)部分具有DVR、動(dòng)態(tài)不間斷電源(dynamic uninterruptible power supply，DUPS)等功能，通過多目標(biāo)協(xié)調(diào)控制實(shí)現(xiàn)如下多重功能：電壓控制(電壓跌落、電壓畸變補(bǔ)償?shù)?，有功功率、無功動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，有源濾波，平衡化補(bǔ)償?shù)萚18-22]。

現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要解決電壓暫降問題，如果電網(wǎng)電壓出現(xiàn)短時(shí)中斷情況，需要補(bǔ)償裝置提供100%額定電壓，這就要求電壓暫降與短時(shí)中斷的治理裝置的補(bǔ)償電壓能力大幅提升，本質(zhì)上是提高補(bǔ)償裝置的輸出電壓能力。為進(jìn)一步提升電壓暫降與短時(shí)中斷的治理裝置的補(bǔ)償電壓能力，本文提出一種開繞組結(jié)構(gòu)的電壓暫降與短時(shí)中斷的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過串聯(lián)2組逆變器，在相同開關(guān)器件電壓應(yīng)力的條件下，提升逆變器的電壓輸出能力，保證裝置具備全范圍電壓補(bǔ)償能力。

1 開繞組結(jié)構(gòu)電壓暫降與短時(shí)中斷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

開繞組結(jié)構(gòu)最早在電機(jī)領(lǐng)域被提出，是將電機(jī)的定子繞組中性點(diǎn)打開，電機(jī)兩端繞組分別接入2組逆變器，構(gòu)成逆變器串聯(lián)結(jié)構(gòu)，在相同直流母線電壓條件下實(shí)現(xiàn)交流電壓等級(jí)提升。針對(duì)傳統(tǒng)DVR方案，也需要將變壓器原邊串聯(lián)接入到電網(wǎng)和負(fù)載之間，而變壓器副邊可以仿照電機(jī)開繞組結(jié)構(gòu)，將變壓器的副邊中性點(diǎn)打開，兩端同時(shí)串聯(lián)接入逆變器，構(gòu)成如圖1所示的開繞組電壓暫降與短時(shí)中斷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖1中：Ua、Ub、Uc分別為電壓源三相電壓；Udvr為DVR電壓；Udc、Udc1、Udc2為直流電壓；U1為變壓器和電網(wǎng)連接位置電壓；U2為變壓器和負(fù)荷側(cè)連接位置電壓；i1為負(fù)載電流;if為逆變器側(cè)電流；Cf、Lf為濾波電容、電感；UC、iC為濾波電容器上電壓和電流；L1、r1為負(fù)荷側(cè)等效感抗、阻抗；a1、a2、b1、b2、c1、c2為結(jié)構(gòu)中的線路接點(diǎn)。

圖1給出了幾種開繞組電壓暫降與短時(shí)中斷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，根據(jù)直流源情況可以分為共直流母線和獨(dú)立直流母線2種。圖1(a)為獨(dú)立直流母線兩電平開繞組結(jié)構(gòu)，變壓器的原邊連接電網(wǎng)和負(fù)載，變壓器副邊連接2組逆變器INV1和INV2，同時(shí)2組逆變器各自具備獨(dú)立直流母線，直流側(cè)分別接入補(bǔ)償電壓所需要的儲(chǔ)能電池。相較傳統(tǒng)的兩電平DVR結(jié)構(gòu)，圖1(a)所示拓?fù)淇梢酝ㄟ^逆變器串聯(lián)，在相同直流電壓等級(jí)條件下，將逆變器輸出電壓提升1倍，即提高電壓補(bǔ)償能力1倍。圖1(b)為共直流母線兩電平開繞組結(jié)構(gòu)，相比于圖1(a)，有利于應(yīng)用在電壓暫降與短時(shí)中斷同時(shí)治理的場(chǎng)景。圖1(d)給出了共直流母線三電平開繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相比于圖1(c)共直流母線結(jié)構(gòu)將補(bǔ)償電壓所需要的儲(chǔ)能電池直接連接在單一直流母線上，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于共模電壓存在，需要改進(jìn)調(diào)制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)共模電壓的抑制，因此要犧牲掉部分直流電壓利用率。

圖1 開繞組電壓暫降與短時(shí)中斷主電路Fig.1 The main circuit of voltage sag and short-term interruption of open-end winding

為實(shí)現(xiàn)電壓暫降補(bǔ)償，變壓器的原副邊變比1∶n中，副邊電壓(即逆變器側(cè)電壓)往往要大于原邊電壓幾倍。以補(bǔ)償20%電壓跌落為例，設(shè)置變壓器變比為1∶5，既可以通過逆變器輸出額定線電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電壓的額定補(bǔ)償，也保證了負(fù)載電流和逆變器側(cè)電流比值是5∶1，從而減少逆變器側(cè)開關(guān)器件的電流應(yīng)力。但考慮到電壓短時(shí)中斷的情況，變壓器的原邊電壓需要輸出100%額定電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電壓的額定補(bǔ)償，此時(shí)變壓器的原副邊變比不宜過大。以變壓器的原副邊變比1∶2為例，為了實(shí)現(xiàn)中斷條件下的額定負(fù)載電壓補(bǔ)償，逆變器輸出電壓要保證2倍額定負(fù)載電壓，而采用圖1(a)的拓?fù)浼纯梢栽谙嗤绷髂妇€電壓等級(jí)的條件下實(shí)現(xiàn)2倍額定電壓輸出。當(dāng)負(fù)載功率進(jìn)一步增加，為了減少逆變器的電流應(yīng)力，變壓器原副邊變比需進(jìn)一步減少，此時(shí)在相同開關(guān)器件的耐壓范圍內(nèi)，通過進(jìn)一步擴(kuò)展逆變器電平數(shù)，以實(shí)現(xiàn)額定電壓補(bǔ)償。圖1(c)給出了獨(dú)立直流母線三電平開繞組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，相比于圖1(a)，相同開關(guān)器件電壓應(yīng)用條件下可提升逆變器輸出電壓1倍，更同樣需要進(jìn)行共模電壓抑制，犧牲部分直流母線電壓利用率。圖1(e)為獨(dú)立直流母線混合電平開繞組結(jié)構(gòu)，變壓器副邊兩端逆變器可以分別采用三電平和兩電平結(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)靈活。

采用圖1所示結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于其可以實(shí)現(xiàn)故障冗余運(yùn)行。以圖1(a)為例，當(dāng)逆變器INV1出現(xiàn)故障時(shí)，可以閉鎖INV1開關(guān)器件的全部脈沖，逆變器INV2依然可以正常工作，盡管此時(shí)補(bǔ)償電壓能力降低了一半，仍可以實(shí)現(xiàn)部分電壓暫降補(bǔ)償。冗余結(jié)構(gòu)對(duì)于裝置實(shí)際應(yīng)用具備重要意義，電能質(zhì)量治理設(shè)備無論安裝在用戶側(cè)還是電網(wǎng)側(cè)，冗余設(shè)計(jì)都可以減少設(shè)備的運(yùn)維成本，增強(qiáng)裝置可靠性，有利于電壓暫降與短時(shí)中斷治理裝置在高精負(fù)荷場(chǎng)景的進(jìn)一步推廣。

2 雙逆變器串聯(lián)開繞組結(jié)構(gòu)調(diào)制策略

定義電壓空間矢量(本文中均用復(fù)數(shù)形式表達(dá)和計(jì)算)

(1)

式中Ua1a2、Ub1b2、Uc1c2分別為串聯(lián)逆變器輸出端三相電壓。

開繞組結(jié)構(gòu)雙逆變器串聯(lián)產(chǎn)生的電壓空間矢量Us是由2組逆變器單獨(dú)作用時(shí)產(chǎn)生的空間時(shí)間疊加而成，即Us=Us1-Us2，其中Us1和Us2分別為逆變器INV1和INV2各自產(chǎn)生空間矢量。

圖2所示為兩電平開繞組結(jié)構(gòu)逆變器INV1和INV2的空間矢量圖，其中θ為合成矢量與α軸的角度。根據(jù)各自逆變器開關(guān)函數(shù)得出對(duì)應(yīng)空間矢量1—6和1′—6′，對(duì)應(yīng)空間位置分別為A、B、C、D、E、F和A′、B′、C′、D′、E′、F′，7、8和7′、8′為零矢量，對(duì)應(yīng)空間位置為O。將2組逆變器的空間矢量進(jìn)行排列組合，得出雙逆變器串聯(lián)合成的空間矢量圖如圖3所示，其中A—S為合成矢量對(duì)應(yīng)的空間位置，以位置A為例，共有6種矢量組合，分別為17′、18′、84′、74′、23′、65′(以23′為例，其表示由圖2中逆變器1的矢量2和逆變2中的矢量3′疊加而成)。

圖2 開繞組兩端逆變器空間矢量Fig.2 Voltage space vector of the individual converter

圖3 雙逆變器串聯(lián)空間矢量Fig.3 Space vector diagram of double inverters in series

圖3所示空間矢量圖與三電平空間矢量圖相同，即兩電平串聯(lián)結(jié)構(gòu)可以等效實(shí)現(xiàn)三電平效果。相較傳統(tǒng)二極管嵌位式三電平，圖1(a)所示結(jié)構(gòu)可以減少二極管數(shù)量，同時(shí)直流電壓等級(jí)為三電平直流電壓的一半。圖1(a)中，獨(dú)立直流母線兩電平開繞組結(jié)構(gòu)可以根據(jù)圖3的空間矢量進(jìn)行空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)，由此確定2組逆變器各自矢量的空間位置和大小。

圖1(b)中的共直流母線結(jié)構(gòu)需要解決共模電壓抑制問題，共模電壓表示為

(2)

式中：UCM為系統(tǒng)共模電壓；Ua1o、Ub1o、Uc1o、Ua2o、Ub2o、Uc2o分別為各自逆變器的端電壓；Sa1o、Sb1o、Sc1o、Sa2o、Sb2o、Sc2o分別為各自逆變器橋臂開關(guān)函數(shù)。

表1 無共模電壓差下的聯(lián)合空間矢量Tab.1 Joint Space vectors without CM voltage

(3)

圖4 無共模電壓下雙逆變器串聯(lián)空間矢量Fig. 4 Space vector diagram of double inverters in series without CM voltage

|U1|=|U2′|=|U2|=|U4′|=

(4)

將合成矢量分配到每臺(tái)逆變器各自矢量，如圖2中的Us1、Us2，Us1由1、2這2組矢量構(gòu)成，θ1為Us1矢量角度，Us2由3′、4′這2組矢量構(gòu)成，θ2為Us2反向與α軸角度，此時(shí)矢量1和3′作用長(zhǎng)度仍然可以由式(3)得出。

比較式(3)、(4)可以得出：

(5)

因此2組逆變器只需根據(jù)式(5)生成各自脈沖矢量，就可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高頻共模電壓的抑制，不需要改變已有的SVPWM計(jì)算方法。

3 電壓暫降與短時(shí)中斷控制策略

以圖1(b)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，理想三相靜止坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型可表示為：

(6)

式中：Usa、Usb、Usc為逆變器相電壓；Isa、Isb、Isc為每相電流；Rs為線路等效電阻。

將式(6)轉(zhuǎn)變到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，得

(7)

式中：Usd、Usq為逆變器dq軸電壓；Ud1、Uq1、Ud2、Uq2為逆變器1和逆變器2的dq軸電壓；Isd、Isq為dq軸電流;ω為角頻率。

電壓暫降與短時(shí)中斷治理裝置前饋控制較為簡(jiǎn)單，即將預(yù)期額定負(fù)載電壓參考值和實(shí)際檢測(cè)到電網(wǎng)電壓值進(jìn)行比較，差值為實(shí)際需要補(bǔ)償?shù)碾妷海鳛檠a(bǔ)償電壓的指令控制逆變器輸出。由于中間沒有PI控制，前饋控制響應(yīng)速度快，整體控制簡(jiǎn)單，但其缺點(diǎn)是受限采樣精度和逆變器輸出精度，負(fù)載電壓可能存在穩(wěn)態(tài)誤差。

圖5 電壓暫降與短時(shí)中斷治理裝置前饋控制Fig.5 Feed forward control block diagram of voltage sag and short-term interruption device

反饋控制直接檢測(cè)負(fù)載電壓，以此為控制目標(biāo)，通過負(fù)載電壓外環(huán)、逆變器電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，使得負(fù)載電壓和參考電壓保持一致。相較于前饋控制，反饋控制具備更強(qiáng)的自適應(yīng)性，適用于負(fù)載情況多變的應(yīng)用場(chǎng)景，但缺點(diǎn)在于犧牲了部分響應(yīng)時(shí)間。因此，應(yīng)針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)指標(biāo)采用對(duì)應(yīng)的控制策略。

圖6 電壓暫降與短時(shí)中斷治理裝置反饋控制原理Fig.6 Feedback control block diagram of voltage sag and short-term interruption device

4 試驗(yàn)

為驗(yàn)證新型開繞組結(jié)構(gòu)電壓暫降與短時(shí)中斷治理裝置補(bǔ)償電壓的有效性，搭建兩電平開繞組試驗(yàn)平臺(tái)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用如圖1所示系統(tǒng)，裝置參數(shù)見表2。

表2 系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 System parameters

圖7所示為電壓暫降工況下負(fù)載電壓補(bǔ)償波形。拓?fù)洳捎脠D1(b)中共直流母線開繞組結(jié)構(gòu)兩電平拓?fù)?，其中：在電網(wǎng)電壓跌落情況下，電網(wǎng)線電壓和負(fù)載線電壓依然可以維持額定電壓幅值，由于采用共模電壓抑制調(diào)制策略，消除逆變器輸出電壓中共模含量，負(fù)載電壓中也不含有共模分量；單相逆變器輸出電壓﹝即圖1(b)中2組逆變器輸出端a1和a2之間電壓﹞的輸出為三電平電壓，等效為三電平變流器結(jié)構(gòu)輸出電壓；負(fù)載電流保持額定工作。

圖7 電壓暫降補(bǔ)償試驗(yàn)波形Fig.7 Voltage sag compensation experimental waveforms

圖8所示為電壓短時(shí)中斷工況下負(fù)載電壓補(bǔ)償波形。當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落為0后，圖1(b)中變壓器原邊電網(wǎng)側(cè)通過晶閘管連接，構(gòu)成線電壓通路，同時(shí)開繞組結(jié)構(gòu)等效輸出額定電網(wǎng)電壓，保證負(fù)載電壓額定工作。

圖8 電壓短時(shí)中斷補(bǔ)償試驗(yàn)波形Fig.8 Short-term interruption compensation experimental waveforms

圖9和圖10給出電網(wǎng)電壓跌落跌落20%情況下，分別采用前饋控制和反饋控制時(shí)的負(fù)載電壓補(bǔ)償試驗(yàn)波形。圖9中負(fù)載電壓恢復(fù)額定的速度更快，證明前饋控制的快速性；但圖10中補(bǔ)償穩(wěn)定后負(fù)載電壓更接近額定值，驗(yàn)證了反饋控制的控制精度更高。

圖9 前饋控制補(bǔ)償電壓波形Fig.9 Experimental waveforms of voltage sag compensation of feed forward control

圖10 反饋控制補(bǔ)償電壓波形Fig.10 Experimental waveforms of Voltage sag compensation of feedback control

補(bǔ)償后負(fù)載電壓的幅值是電能質(zhì)量治理的一個(gè)重要的指標(biāo)，補(bǔ)償動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間同樣重要。動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間主要由檢測(cè)時(shí)間和補(bǔ)償時(shí)間決定，由于前饋控制補(bǔ)償速度更快，體現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間的試驗(yàn)主要采用前饋控制完成。圖11所示為三相電壓同時(shí)跌落條件下的補(bǔ)償電壓波形。以B相電壓60°時(shí)刻開始跌落為例，從跌落時(shí)刻到恢復(fù)時(shí)刻時(shí)間約為4 ms，其中檢測(cè)時(shí)間占據(jù)主要部分。檢測(cè)算法同時(shí)判斷電網(wǎng)電壓在dq軸的分量，d軸分量小于一定閾值，q軸分量大于一定閾值認(rèn)定電網(wǎng)電壓跌落，所以三相對(duì)稱跌落故障檢測(cè)所需時(shí)間最短，也是最容易完成判斷的一種跌落類型。而單相跌落在d軸分量幅值減少比例相對(duì)較低，q軸分量幅值增加比例相對(duì)較少，因此單相跌落故障檢測(cè)所需時(shí)間最長(zhǎng)。圖12所示為不同相位發(fā)生單相跌落故障下的補(bǔ)償試驗(yàn)波形，其中圖12(a)為A相90°時(shí)刻發(fā)生跌落，圖12(b)為A相180°時(shí)刻發(fā)生跌落。單相跌落情況補(bǔ)償動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間約為5 ms，略大于三相對(duì)稱跌落時(shí)間，但同樣可以保證裝置能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓跌落的快速補(bǔ)償。

圖11 三相對(duì)稱跌落補(bǔ)償電壓波形Fig.11 Experimental waveforms of three-phase voltage symmetrical sag compensation

圖12 單相跌落補(bǔ)償電壓波形Fig.12 Experimental waveforms of single-phase voltage sag compensation

5 結(jié)束語

針對(duì)電網(wǎng)電壓出現(xiàn)暫降和短時(shí)中斷等電能質(zhì)量問題，本文提出一種新型開繞組結(jié)構(gòu)電壓暫降與短時(shí)中斷治理裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過將變壓器中性點(diǎn)打開，連接2組逆變器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在相同電壓器件應(yīng)力下，補(bǔ)償電壓等級(jí)提升，有利于應(yīng)用在綜合處理電壓暫降與短時(shí)中斷的場(chǎng)景。

文中首先給出幾種開繞組結(jié)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)共直流母線和獨(dú)立直流母線結(jié)構(gòu)，分析各自優(yōu)缺點(diǎn)。針對(duì)共直流母線結(jié)構(gòu)，提出共模電壓抑制調(diào)制策略，可實(shí)現(xiàn)逆變器輸出電壓共模電壓抑制。針對(duì)電壓暫降與短時(shí)中斷應(yīng)用場(chǎng)景，開展前饋控制和反饋控制策略研究。最后搭建開繞組電壓暫降與短時(shí)中斷治理裝置試驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)負(fù)載電壓補(bǔ)償?shù)挠行?，證明共模電壓抑制調(diào)制策略和補(bǔ)償控制策略的正確性。