DQ同步坐標(biāo)系下非同步雙電源固態(tài)開(kāi)關(guān)切換控制研究

李利軍，郭成濤，王 釗，李鵬程

(1.國(guó)家電網(wǎng)石家莊供電公司，河北 石家莊050018；2.河北拓普電氣有限公司，河北 石家莊050018；3.河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 石家莊050018)

0 引言

在交流供電系統(tǒng)中固態(tài)切換開(kāi)關(guān)(Solid State Transfer Switch，SSTS)主要應(yīng)用于不允許停電的重要場(chǎng)所，對(duì)可靠性、功能性、維護(hù)性和故障容限的要求較高。目前，與SSTS有關(guān)的80%的停機(jī)故障是由固態(tài)開(kāi)關(guān)和關(guān)鍵負(fù)載之間的電路中斷引起的[1-4]。當(dāng)使用兩路電源為雙電源SSTS供電時(shí)，兩個(gè)電源的中性線連接在一起并進(jìn)行中線接地處理，保證雙電源SSTS進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)不會(huì)產(chǎn)生地電位的偏移或引起中線電流在接地電路中的流動(dòng)，避免因接地故障而引發(fā)的一系列保護(hù)動(dòng)作。為方便維護(hù)和測(cè)試，要求兩路電源既有電氣閉鎖又有機(jī)械閉鎖。當(dāng)電源故障時(shí)，SSTS自動(dòng)轉(zhuǎn)到旁路運(yùn)行，不影響負(fù)荷的連續(xù)供電；SSTS裝置可以實(shí)現(xiàn)不停電檢修操作。旁路運(yùn)行模式下，只需斷開(kāi)固態(tài)切換單元兩端的隔離開(kāi)關(guān)，保證檢修人員的安全。SSTS與真空斷路器相比有更快的響應(yīng)速度，與不間斷電源相比有更低的成本和更高的可靠性優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的研究前景[5-6]。

SSTS由兩個(gè)獨(dú)立電源供電，通過(guò)控制算法可以在雙電源之間不間斷的轉(zhuǎn)換為負(fù)載供電。電壓跌落的深度和持續(xù)時(shí)間根據(jù)國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)(IEEE-std-446,GB/T 34940)和不同負(fù)荷的需求自行設(shè)定，靈活性強(qiáng)。SSTS有高速H級(jí)(轉(zhuǎn)換時(shí)間5 ms)，用于同步電源；一般速度N級(jí)(轉(zhuǎn)換時(shí)間小于20 ms)，用于非同步電源。然而，適用于兩路獨(dú)立電源和任意相位差的雙電源SSTS的研究較少。文獻(xiàn)[6]僅利用電壓殘差來(lái)判斷切換條件，該方法有一定的局限性。文獻(xiàn)[7]在同步坐標(biāo)系中采用傳統(tǒng)鎖相環(huán)技術(shù)和dq變換檢測(cè)到電壓跌落即觸發(fā)SSTS切換到備用電源，沒(méi)考慮雙電源非同步時(shí)的切換策略。文獻(xiàn)[8]為了實(shí)現(xiàn)足夠快速的切換速率，檢測(cè)到主電源故障時(shí)立刻將主電源關(guān)斷切換到備用電源，引起的電壓電流沖擊較大。為保證SSTS足夠小的電壓電流沖擊，在過(guò)零時(shí)刻將故障電源逐相切斷，將備用電源逐相切入，但總的投切時(shí)間較長(zhǎng)。兩路電源切換時(shí)，難以平衡電壓電流沖擊與切換時(shí)間的矛盾。

為實(shí)現(xiàn)主電源和備用電源在非同步狀態(tài)下快速并且無(wú)沖擊的切換，保證重要負(fù)荷可靠穩(wěn)定的運(yùn)行，就要準(zhǔn)確獲取故障電源的頻率和相位信息。然而，傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相環(huán)在電網(wǎng)正常時(shí)可獲取電網(wǎng)的相位和頻率信息，當(dāng)電網(wǎng)不平衡、斷路及短路故障時(shí)相位和頻率信息不準(zhǔn)確。為準(zhǔn)確獲取電網(wǎng)信息，數(shù)字采樣單元對(duì)SSTS的入口電網(wǎng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，通過(guò)二階廣義積分器鎖相環(huán)(Second Order Generalized Integrator Phase Locked Loops,SOGI-PLL)獲取電網(wǎng)的頻率和相位信息[9]。通過(guò)高速數(shù)字處理器判斷故障類(lèi)型及備用電源是否正常，主電源故障則切換到備用電源，主電源故障解除后再切回主電源。故障類(lèi)型判斷時(shí)如果采用單相分別判斷，則處理器運(yùn)算量較大且處理時(shí)間較長(zhǎng)，影響投切時(shí)間。

負(fù)載阻抗類(lèi)型和負(fù)載阻抗角的大小對(duì)投切時(shí)間的影響較大，阻性負(fù)載時(shí)雖然沒(méi)有負(fù)載阻抗角的影響，然而沒(méi)有電感的負(fù)載容易產(chǎn)生較大的沖擊電流；感性負(fù)載雖然沖擊電流較小，然而觸發(fā)角小于負(fù)載阻抗角時(shí)不能切除故障電源。投切時(shí)刻選擇影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，處理器發(fā)出切換信號(hào)即發(fā)生切換雖能保證切換速度，但切換引起的尖峰電壓及沖擊電流較大[10-11]，需要綜合考慮投切時(shí)刻。同時(shí)，SSTS外部工作環(huán)境如電磁干擾、接地方式、電容殘存電壓等也對(duì)SSTS切換有較大的影響，需要做好電磁屏蔽和接地措施[12-13]。

本文第1部分分析了雙電源SSTS的工作原理，在dq坐標(biāo)系中分析故障狀態(tài)的特征，指出影響投切的因素主要有兩路電源的相位差和負(fù)載阻抗角兩個(gè)關(guān)鍵因素；第2部分通過(guò)二階廣義積分器鎖相環(huán)獲取非理想電源條件下的相位和頻率信息，分析雙路電源波形質(zhì)量并判斷切換條件。綜合考慮主電源和備用電源的相位差和負(fù)載阻抗角對(duì)切換的影響，對(duì)雙路電源非同步的研究；計(jì)算負(fù)載阻抗角度，精確計(jì)算晶閘管的投切時(shí)間，做到雙路電源SSTS的無(wú)縫切換，保障負(fù)載供電連續(xù)可靠。第3部分設(shè)計(jì)雙電源SSTS在非同步狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了深入分析，測(cè)試鎖相環(huán)、切換策略及晶閘管投切時(shí)刻的控制及計(jì)算方法的有效性及可靠性。

1 固態(tài)切換開(kāi)關(guān)工作原理

兩條獨(dú)立進(jìn)線的10 kV線路通過(guò)SSTS連接到0.4 kV公共交流母線，不需要考慮晶閘管的觸發(fā)角度，僅起到切換備用電源的作用，即主電源發(fā)生故障切換到備用電源，主電源恢復(fù)正常后再切回主電源，如圖1所示。雙電源固態(tài)開(kāi)關(guān)由三組晶閘管模塊組成，與電源的三相對(duì)應(yīng)，控制相電壓輸出。SSTS的每相由兩組反并聯(lián)的晶閘管模塊組成，以滿足正反兩個(gè)方向的流向。TS1和TS2通過(guò)聯(lián)絡(luò)線連接，協(xié)同為負(fù)載供電，同時(shí)考慮旁路開(kāi)關(guān)和隔離開(kāi)關(guān)便于晶閘管模塊的維護(hù)和測(cè)試。

圖1 雙電源固態(tài)開(kāi)關(guān)配電系統(tǒng)Fig.1 Dual power supply SSTS system

三相靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)的觸發(fā)信號(hào)與變壓器二次側(cè)的相電壓同步，其控制角從各相的相電壓過(guò)零點(diǎn)開(kāi)始算起。三相電壓方程可表示為

(1)

純電阻性負(fù)載時(shí)，Y型電路觸發(fā)角α移相范圍是0°～150°。0°<α<60°時(shí)，電路處于三只晶閘管與兩只晶閘管交替導(dǎo)通狀態(tài)，A相電壓波形由ua、uab/2、uac/2交替構(gòu)成，晶閘管導(dǎo)通角度為180°-α。以30°和60°觸發(fā)角時(shí)相電壓仿真波形為例進(jìn)行分析，如圖2所示。α=0°時(shí)負(fù)載電壓波形完全等于相電壓ua、ub、uc的電壓；α=60°時(shí)負(fù)載電壓波形由兩只晶閘管導(dǎo)通構(gòu)成，一周期內(nèi)正半波電壓依次為uab/2、uac/2、ubc/2、uba/2、uca/2、ucb/2；α=30°時(shí)兩只晶閘管和三只晶閘管交替導(dǎo)通，負(fù)載電壓波形一周期內(nèi)正半波電壓依次為uab/2、ua、uac/2、ubc/2、ub、uba/2、uca/2、uc、ucb/2，阻感負(fù)載時(shí)電流滯后電壓一定的角度。

圖2 不同觸發(fā)角時(shí)負(fù)載相電壓波形Fig.2 Waveforms of load phase voltage at different angles

當(dāng)60°<α<90°時(shí)，電路處于兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)，A相波形由uab/2、uac/2交替構(gòu)成，晶閘管導(dǎo)通角度為120°；90°<α<150°時(shí)，電路由兩個(gè)晶閘管導(dǎo)通與沒(méi)有晶閘管導(dǎo)通交替狀態(tài)，A相波形由uab/2、uac/2交替構(gòu)成，晶閘管導(dǎo)通角度為300°-2α，且晶閘管每次導(dǎo)電都處于斷續(xù)狀態(tài)。

在感性負(fù)載條件下，輸出電流滯后輸出電壓一定的相位差，電壓過(guò)零時(shí)晶閘管滯后φ角后關(guān)斷，因此，觸發(fā)角α>φ才起到電壓調(diào)節(jié)作用。負(fù)載阻抗角φ定義為

(2)

式中，L為負(fù)載等效電感，R為負(fù)載等效電阻，ω為電網(wǎng)角頻率。

阻性負(fù)載時(shí)，相電壓輸出有效值Uo近似等于電源電壓Um；阻感負(fù)載時(shí)(在觸發(fā)角大于負(fù)載阻抗角情況下)，相電壓輸出有效值Uo為

(3)

主電源發(fā)生故障切換到備用電源時(shí)需要考慮負(fù)載類(lèi)型及故障類(lèi)型。電網(wǎng)中常見(jiàn)的故障有電源短路和斷路故障兩類(lèi)，均表現(xiàn)為測(cè)量值為零，但是不同的負(fù)載類(lèi)型對(duì)檢測(cè)時(shí)間及切換時(shí)間均有影響。在備用電源正常供電條件下，主電源三相電壓有效值、不平衡度和頻率3個(gè)條件中任何一個(gè)條件超過(guò)允許范圍，就要切換到備用電源。在工程中將三相靜止坐標(biāo)系變換成dq同步坐標(biāo)系可以提高檢測(cè)的可靠性，為邏輯切換提供依據(jù)。經(jīng)過(guò)dq0變換得到d、q軸及零軸電壓分量如下：

(4)

(5)

式中，urms為ud和uq合成的均方根值，正常條件下等于相電壓的峰值。

2 基于SOGI-PLL切換控制策略

2.1 SOGI-PLL鎖相原理

SOGI提取不平衡電網(wǎng)的基波正序分量并濾除高次諧波分量，得到兩相正交的電壓信號(hào)。在電壓輸入通道與q軸做減法通道中加入截止頻率為50 Hz的低通濾波器，濾除高次諧波分量，如圖3所示。

圖3 帶低通濾波器的二階廣義積分器Fig.3 SOGI structure with LPF

進(jìn)一步簡(jiǎn)化SOGI，可將k等效為1，則有

(6)

加入低通濾波器(Low Pass Filter,LPF)后，不但可以抑制故障電網(wǎng)中的直流分量，還可以抑制高頻分量，而且基波頻率不受影響。三相電網(wǎng)電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)三相靜止坐標(biāo)系到兩相靜止坐標(biāo)系的Clarke變換得到vα、vβ為

(7)

分別經(jīng)過(guò)兩個(gè)SOGI后得到兩組正交基波信號(hào)，提取正序基波信號(hào)Park變換得到dq軸分量及相角信息，經(jīng)鎖相得到相位信息，經(jīng)鎖頻得到頻率信息，SOGI-PLL結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SOGI-PLL結(jié)構(gòu)圖Fig.4 SOGI-PLL structure

將角頻率ω0引入SOGI可使鎖相環(huán)具有頻率自適應(yīng)功能，當(dāng)電網(wǎng)電壓因故障導(dǎo)致頻率發(fā)生變化時(shí)，鎖相環(huán)仍能準(zhǔn)確跟蹤電網(wǎng)頻率和相位，仿真結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5所示的仿真測(cè)試結(jié)果可以看出，當(dāng)主電源的A相發(fā)生斷路故障時(shí)，無(wú)論是主電源與備用電源的相位差如何變化，SOGI-PLL均能鎖出準(zhǔn)確的相位，且沒(méi)有波動(dòng)發(fā)生。

2.2 故障判斷及切換互鎖邏輯

兩路電源相位差小于30°時(shí)，兩路電源處于基本同步狀態(tài)，主電源切換到備用電源時(shí)間要小于8 ms；兩路電源相位差超過(guò)30°時(shí)，兩路電源處于非同步狀態(tài)，主電源切換到備用電源時(shí)間要小于20 ms，并且不能引起尖峰電壓與沖擊電流。

圖5 SOGI-PLL測(cè)試仿真Fig.5 SOGI-PLL simulation testing

設(shè)定備用電源能夠正常工作，在主電源掉電或者電源質(zhì)量不在正常范圍值內(nèi)，即主電源的頻率差超過(guò)0.4 Hz，urms超過(guò)額定值10%，0軸電壓絕對(duì)值的均值超過(guò)20 V，3個(gè)條件滿足其一則控制器將先關(guān)斷主電源的晶閘管，然后開(kāi)通備用電源的晶閘管。兩路電源在任意負(fù)載條件和任意相位差條件下，總轉(zhuǎn)換時(shí)間不超過(guò)20 ms，切換指令生成邏輯如圖6所示。

圖6 SSTS切換指令生成邏輯Fig.6 The logic of SSTS transfer command generation

首先，SOGI-PLL檢測(cè)主電源和備用電源的頻率和相位信息，計(jì)算主電源和備用電源的相位差Δθ，檢負(fù)載阻抗角度φ。然后，3個(gè)切換條件滿足一個(gè)以上時(shí)，發(fā)出主電源關(guān)斷信號(hào)TS1，備用電源延遲td后發(fā)送開(kāi)通信號(hào)TS2，

(8)

式中，0≤φ

2.3 固態(tài)開(kāi)關(guān)投切邏輯

開(kāi)通晶閘管的觸發(fā)方式分為電壓過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)和強(qiáng)制觸發(fā)兩種。過(guò)零點(diǎn)出發(fā)為當(dāng)電壓為零時(shí)觸發(fā)晶閘管，引起的尖峰電壓與沖擊電流小，轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)；強(qiáng)制觸發(fā)為接收到觸發(fā)命令時(shí)即可觸發(fā)晶閘管，引起的尖峰電壓與沖擊電流大，轉(zhuǎn)換時(shí)間較短。因此，為減小尖峰電壓與沖擊電流，控制器發(fā)出切換命令后還要等待相電壓過(guò)零再觸發(fā)晶閘管，過(guò)零觸發(fā)晶閘管邏輯如圖7所示。

圖7 過(guò)零觸發(fā)晶閘管邏輯Fig.7 Crossing zero triggers SCR logic

切換指令信號(hào)TS與相電壓uabc的過(guò)零信號(hào)同時(shí)經(jīng)過(guò)與門(mén)生效時(shí)，TS_Nabc觸發(fā)與其反向并聯(lián)的晶閘管關(guān)斷，同時(shí)，TS_Pabc觸發(fā)晶閘管開(kāi)通，完成先斷后開(kāi)的切換過(guò)程。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證在極限負(fù)載阻抗角和最大相位差條件下的SSTS切換控制策略，搭建SCR-MCT40實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖8所示。在采樣單元中采集電源電壓和出口電流信息，計(jì)算負(fù)載功率因數(shù)角，編寫(xiě)SOGI-PLL程序，計(jì)算主電源和備用電源間的相位差，運(yùn)行晶閘管投切的邏輯運(yùn)算，SSTS參數(shù)如表1所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 The experiment platform

表1 SSTS參數(shù)表Tab.1 Table of SSTS parameters

主電源由380 V三相交流電提供，備用電源的相位差通過(guò)變壓器調(diào)整，在極限條件下測(cè)試SSTS的雙電源切換效果。調(diào)整負(fù)載電阻為23 Ω、電感為73 mH，調(diào)整備用電源超前主電源180°相位，通過(guò)空氣開(kāi)關(guān)將主電源A相斷開(kāi)模擬缺相故障。主電源故障及主電源恢復(fù)時(shí)備用電源電流輸出和主電源電流輸出如圖9所示。主電源故障及主電源恢復(fù)時(shí)負(fù)載電流波形如圖10所示。根據(jù)式(8)計(jì)算總切換時(shí)間為10 ms，可以保證SSTS在1/2個(gè)工頻周期內(nèi)完成切換過(guò)程，僅有較小的電壓和電流沖擊。

圖9 φ=π/4,Δθ=π時(shí)電源端口輸出電流波形Fig.9 Power output current waveform at φ=π/4 and Δθ=π

從圖9可以看出，備用電源切換到主電源需要一個(gè)工頻周期，主電源切換到備用電源僅需要6 ms，電源輸出電流波形沖擊較小。從圖10可以看出，主電源故障切換到備用電源，主電源恢復(fù)后再切換到主電源，負(fù)載電流波形沖擊較小，在一個(gè)工頻周期內(nèi)即可極限條件下迅速切換。

圖10 φ=π/4,Δθ=π時(shí)負(fù)載電流波形Fig.10 Load current waveform at φ=π/4 and Δθ=π

經(jīng)過(guò)開(kāi)機(jī)滿負(fù)荷測(cè)試168 h，調(diào)整兩路電源為同步運(yùn)行狀態(tài)測(cè)試，如圖11所示。主電源掉電后僅不到1/4個(gè)工頻周期即切換到備用電源輸出，且電壓電流無(wú)過(guò)沖。

圖11 φ=0,Δθ=0時(shí)負(fù)載電流波形Fig.11 Load current waveform at φ=0 and Δθ=0

4 結(jié)論

本文研究了一種基于SOGI的鎖相技術(shù)和dq變換技術(shù)的SSTS切換控制方法。基于二階廣義積分器的鎖相環(huán)可以對(duì)故障電網(wǎng)有效的鎖相和鎖頻。雙電源固態(tài)開(kāi)關(guān)切換邏輯可以有效判定故障切換閾值，準(zhǔn)確判斷晶閘管的觸發(fā)角度，主電源和備用電源之間的切換過(guò)程電壓尖峰和電流沖擊較小。雙路電源處于非理想相位且阻感負(fù)載條件下，可在10 ms時(shí)間內(nèi)SSTS完成切換過(guò)程；理想相位時(shí)，僅6 ms即可完成切換過(guò)程。實(shí)驗(yàn)證明了在極端條件下，雙電源固態(tài)切換開(kāi)關(guān)控制策略可以保證關(guān)鍵負(fù)荷的不間斷供電。