微電網(wǎng)與配電網(wǎng)間串聯(lián)補償變壓器直流偏磁抑制策略研究

王子昂, 孟潤泉, 韓肖清

(太原理工大學(xué) 電氣與動力工程學(xué)院， 太原 030024)

0 引 言

通過在交直流混合微電網(wǎng)(Hybrid Micro-Grid, HMG)與配電網(wǎng)間增加串聯(lián)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)交直流HMG并網(wǎng)運行時，配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時較強的電能質(zhì)量和穿越能力。圖1所示為含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流HMG的架構(gòu)圖。交直流HMG的直流母線上接有串聯(lián)環(huán)節(jié)的直流側(cè)，其交流側(cè)通過串聯(lián)補償變壓器(Series Compensation Transformer, SCT)串聯(lián)在交直流HMG的交流母線與配電網(wǎng)之間[1-5]，SCT為串聯(lián)環(huán)節(jié)的一個重要組成部分，其主要功能為將串聯(lián)環(huán)節(jié)的輸出電壓送入電網(wǎng)中并為該系統(tǒng)提供電氣隔離。串聯(lián)環(huán)節(jié)的具體拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流混合微電網(wǎng)的架構(gòu)圖Fig.1 Architecture of AC/DC hybrid micro-grid with series link

圖2 串聯(lián)環(huán)節(jié)的電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Circuit structure of the series link

圖2中所示串聯(lián)環(huán)節(jié)的主要組成部分為LC低通濾波器、從電壓源型變流器(Slave Voltage Source Converter，VSCs)和SCT。在該拓撲結(jié)構(gòu)中，串聯(lián)環(huán)節(jié)要求有很高的響應(yīng)速度，而電壓的快速輸出使得SCT極易產(chǎn)生直流偏磁現(xiàn)象[6-10]，影響SCT的鐵芯磁滯曲線，嚴重時還會導(dǎo)致磁飽和，引起過大的勵磁涌流進而對串聯(lián)環(huán)節(jié)的正常運行產(chǎn)生影響[11-13]。因而當配電網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓暫降故障時，如何對直流偏磁有效抑制已成為該系統(tǒng)的首要問題。

目前，國內(nèi)外專家均將研究重點放在設(shè)計變壓器結(jié)構(gòu)上，即通過增大變壓器鐵芯截面、減小鐵芯最大磁通密度，來增大變壓器鐵芯飽和裕度、降低鐵芯額定工作點，以保證即便變壓器發(fā)生直流偏磁現(xiàn)象，鐵芯也不會過度飽和[14-16]。此種方法簡單直接，易于實現(xiàn)，但會使得鐵芯截面過大，極大增加原材料消耗的同時，還會使得變壓器在運行時，鐵耗增加、經(jīng)濟性嚴重下降。再加上重量及體積龐大、運輸不方便、制造成本高等諸多問題，由控制入手研究串聯(lián)環(huán)節(jié)中SCT的直流偏磁抑制問題，具有顯著的現(xiàn)實意義[17-20]。

為解決這一問題，提出了一種通過控制串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出電壓首半周期幅值的直流偏磁抑制策略，并進行了聯(lián)合仿真驗證，最后進行了實驗驗證，仿真和實驗結(jié)果表明，所提方法有效地抑制了SCT的直流偏磁。

1 直流偏磁問題產(chǎn)生原理分析

在串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出補償電壓的初始階段，設(shè)逆變器輸出電壓為u1，加載至SCT原邊，其中：

u1=Umsin(ωt+α)

(1)

式中α為t=0時輸出電壓u1的投入角。

在t≥0時有如下微分方程[21-22]：

(2)

式中φ為與原邊繞組交鏈的總磁通，它包括SCT的主磁通和漏磁通兩部分，由于漏磁通較小，在接下來分析中忽略漏磁通的影響，近似認為φ等于主磁通。R1為SCT原邊漏阻，i1為SCT原邊電流。

在式(2)中，由于SCT漏阻很小，電阻上壓降i1R1在分析串聯(lián)環(huán)節(jié)投入補償電壓的初始階段可以忽略不計，因此當忽略R1影響時，式(2)變?yōu)椋?/p>

(3)

求解微分方程(3)，并考慮到串聯(lián)環(huán)節(jié)兩次電壓補償間隔時間較長，再次投入運行時SCT磁通φ初始值為0，可以得到磁通表達式如下：

(4)

由式(4)可見，磁通φ由直流分量和交流分量組成，其中直流分量與投入時刻(t=0)電壓的投入角α有關(guān)。當t=0時α=0，此時串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出補償電壓u1=0，由式(4)得到[23-24]：

φ=φm[1-cosωt]=φm-φmcosωt

(5)

2 直流偏磁抑制策略

由式(4)可知，磁通中包含直流分量φmcosα及交流分量φmcos(ωt+α)。可以設(shè)想，若串聯(lián)環(huán)節(jié)注入電壓瞬間，通過適當控制使磁通的直流分量為0，則SCT直接進入穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，沒有暫態(tài)過渡過程，即不會發(fā)生鐵芯飽和現(xiàn)象。

基于以上分析提出了一種SCT直流偏磁抑制策略，具體思路為：根據(jù)投入角α及跌落深度，計算并控制串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出電壓首半周期幅值，進而實現(xiàn)對SCT鐵芯磁通的控制。

(1)當0<α<π時，采用前述抑制策略的SCT磁通表達式為：

(6)

為抑制直流偏磁現(xiàn)象的出現(xiàn)，需保證：

φSCTm=-φmax

(7)

式中φSCTm為采用直流偏磁抑制策略的SCT穩(wěn)態(tài)磁通最大值；φmax為所選用型號SCT穩(wěn)態(tài)磁通最大值。

(2)當π<α<2π時，采用前述抑制策略的SCT磁通表達式為：

(8)

為抑制直流偏磁現(xiàn)象的出現(xiàn)，需保證：

φSCTm=φmax

(9)

具體的控制策略流程如圖3所示。

圖3 直流偏磁抑制策略流程圖Fig.3 Flow chart of DC bias suppression strategy

3 仿真分析

目前，大多數(shù)論文中對于涉及到變壓器仿真的部分只使用Matlab這一單一軟件。Matlab雖然可以通過其中的S-Function模塊實現(xiàn)變壓器仿真，但卻無法有效反映出變壓器鐵芯材料、體積等諸多物理因素，且無法對變壓器磁通波形及磁密度進行實時觀測，有著很明顯的缺點和弊端。

為了實現(xiàn)對SCT的實時仿真及觀測，利用Simplorer、Matlab、Maxwell三個軟件搭建了含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流HMG全系統(tǒng)模型進行聯(lián)合仿真，對所提直流偏磁抑制策略進行驗證。其中，在Matlab中搭建串聯(lián)環(huán)節(jié)電壓補償及SCT直流偏磁抑制控制模塊，并通過Ansoft Function模塊與Simplorer和Maxwell相連；在Simplorer中搭建系統(tǒng)主電路模型；在Maxwell中設(shè)計合適的SCT模型，由于Simplorer和Maxwell均為Ansys的子軟件，故可以實現(xiàn)直接連接。仿真中串聯(lián)環(huán)節(jié)的電壓補償采用全補償策略，即串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出補償電壓使負載電壓恢復(fù)到電壓跌落前的幅值和相位。仿真條件如下：SCT為1:1隔離變壓器，0.1 s時刻電網(wǎng)發(fā)生三相電壓跌落，跌落深度為0.5 pu， 0.2 s電壓恢復(fù)正常。

圖4即為含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流HMG系統(tǒng)電網(wǎng)電壓波形。圖5～圖10分別為未加入和加入SCT直流偏磁抑制控制模塊時，交直流HMG系統(tǒng)負載電壓、串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出補償電壓和A相SCT磁通波形。

由此可見，在無控狀態(tài)下，含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流HMG系統(tǒng)中SCT的直流偏磁使得磁通幅值達到了額定值的2倍，若在此狀態(tài)下運行，將會引起鐵芯飽和，導(dǎo)致勵磁涌流，進而影響串聯(lián)環(huán)節(jié)及整個系統(tǒng)的正常工作。當加入控制模塊后，直流偏磁得到了有效地抑制，避免了SCT鐵芯飽和及由此可能產(chǎn)生的勵磁涌流，保證了串聯(lián)環(huán)節(jié)及整個系統(tǒng)的正常工作。

圖4 含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流HMG系統(tǒng)電網(wǎng)電壓Fig.4 AC/DC HMG system grid voltage with series link

圖5 含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流HMG系統(tǒng)負載電壓(無控制)Fig.5 AC/DC HMG system load voltage with series link (No control)

圖6 串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出補償電壓(無控制)Fig.6 Series link output compensation voltage (No control)

圖7 電網(wǎng)三相電壓跌落A相SCT磁鏈波形(無控制)Fig.7 A-phase SCT flux linkage waveform of grid three-phase voltage drop (No control)

圖8 含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流HMG系統(tǒng)負載電壓(有控制)Fig.8 AC/DC HMG system load voltage with series link (Control)

圖9 串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出補償電壓(有控制)Fig.9 Series link output compensation voltage (Control)

圖10 電網(wǎng)三相電壓跌落A相SCT磁鏈波形(有控制)Fig.10 A-phase SCT flux linkage waveform of grid three-phase voltage drop (Control)

圖11為加入直流偏磁抑制控制前后，A相SCT磁密度云圖。由此可以更為直觀地通過對比得出結(jié)論：在加入控制模塊后，SCT的鐵芯飽和(即直流偏磁)得到了有效抑制。

圖11 電網(wǎng)三相電壓跌落A相SCT磁密度云圖Fig.11 A-phase SCT magnetic density cloud map of grid three-phase voltage drop

4 實驗驗證

在實驗室搭建了含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流HMG全系統(tǒng)實驗平臺對直流偏磁抑制策略進行研究，如圖12所示。

系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。通過實驗?zāi)M不同負載類型以及類型、深度的電網(wǎng)電壓跌落以驗證串聯(lián)環(huán)節(jié)直流偏磁抑制策略的有效性。實驗中串聯(lián)環(huán)節(jié)的電壓補償采用與仿真中相同的策略，并按照圖3所示的抑制策略流程圖實現(xiàn)直流偏磁抑制。

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 System parameters

由于SCT的勵磁磁鏈不能直接通過測量得到，且勵磁電流與勵磁磁鏈有如下關(guān)系：

φSCT=Lm·im

(10)

式中Lm為SCT勵磁電感；im為SCT勵磁電流。

由式(10)可見，SCT的勵磁磁鏈與其中流過的勵磁電流成正比，因此可以由勵磁電流對應(yīng)得到勵磁磁鏈的變化趨勢，即可判斷SCT是否發(fā)生直流偏磁。

(1)純電阻負載。圖13為電網(wǎng)單(A)相電壓不同跌落深度下加入控制模塊前后各電氣量間對比。圖13(a)中橫向柵格分布從上至下為：電網(wǎng)電流、串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出電流、負載電流、電網(wǎng)電壓、串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出電壓、負載電壓和SCT勵磁電流。圖13(b)和圖13(c)中橫向柵格代表SCT勵磁電流。

從圖13中可以得知，在未加入控制模塊時，SCT勵磁電流有很明顯的直流偏置，此現(xiàn)象會導(dǎo)致其出現(xiàn)直流偏磁現(xiàn)象。而在加入控制模塊后，這樣的直流偏置得到了有效抑制，消除了SCT的直流偏磁現(xiàn)象。

圖14為電網(wǎng)三相不同跌落深度下加入控制模塊前后各電氣量間對比。圖14(a)、圖14(b)和圖14(c)中橫向柵格分布從上至下為：三相負載電壓、串聯(lián)環(huán)節(jié)A相輸出電壓和A相SCT勵磁電流。由圖14可得到與電網(wǎng)發(fā)生單(A)相電壓跌落時相同的結(jié)論。

圖13 電網(wǎng)單(A)相電壓跌落(純電阻)Fig.13 Grid single (A) phase voltage drop (Pure resistance)

圖14 電網(wǎng)三相電壓跌落(純電阻)Fig.14 Grid three-phase voltage drop (Pure resistance)

(2)阻感負載。圖15為電網(wǎng)單(A)相電壓不同跌落深度下加入控制模塊前后各電氣量間對比。圖15(a)、圖15(b)和圖15(c)中橫向柵格分布從上至下為：電網(wǎng)電流、負載電流、串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出電流、電網(wǎng)電壓、負載電壓、串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出電壓和SCT勵磁電流。由圖15可得到與純電阻負載工況下相同的結(jié)論。

仿真和實驗結(jié)果與理論分析一致，表明所提出的直流偏磁抑制策略有效地消除了含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流HMG系統(tǒng)中串聯(lián)環(huán)節(jié)投入時引起的SCT磁通飽和問題所帶來的影響，達到了預(yù)期的抑制效果。

圖15 電網(wǎng)單(A)相電壓跌落(阻感)Fig.15 Grid single (A) phase voltage drop (resistance)

5 結(jié)束語

分析了含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流混合微電網(wǎng)中串聯(lián)補償變壓器的直流偏磁問題產(chǎn)生原理，提出了控制串聯(lián)環(huán)節(jié)輸出電壓首半周期幅值的抑制策略，并通過Simplorer、Matlab、Maxwell三個軟件聯(lián)合仿真和實驗分別驗證了此方法的正確性。該抑制策略為含串聯(lián)環(huán)節(jié)的交直流混合微電網(wǎng)中串聯(lián)補償變壓器直流偏磁問題提供了良好的解決途徑，具有較好的工程應(yīng)用前景和理論參考價值。