應用于微電網(wǎng)中靜態(tài)轉換開關的強制關斷技術

摘 要： 針對微電網(wǎng)中由晶閘管構成的靜態(tài)轉換開關（STS）關斷時間較長的問題，提出一種結合微電網(wǎng)內儲能變流器使用的強制關斷方法，并給出理論計算數(shù)學模型。利用儲能變流器結構中的拓撲特點，在微電網(wǎng)由并網(wǎng)運行轉孤網(wǎng)運行過程中對晶閘管施加反向電壓，促使晶閘管電流提前過零，從而完成強制關斷。通過對所提方法的數(shù)學模型分析，揭示影響該強制關斷技術的主要因素。為了解決實際工程中的應用問題，給出實際應用中的強制關斷控制流程，最后通過仿真分析和實驗驗證了所提方法的正確性。

關鍵詞： 靜態(tài)轉換開關; 儲能變流器; 整流器; 微電網(wǎng)

中圖分類號： TM46

文獻標志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）12-0015-06

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.12.003

Forced Turn off Technology Applied to Static Transfer Switch in Microgrid

WANG Weian^1，2， QIAO Daoji1

（1.Technical Center， Shanghai Electric Power Transmission and Distribution Equipment Company， Shanghai 200722， China;

2.School of Electronic Information and Electrical Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China）

Abstract： In order to solve the problem that the static transfer switch of the thyristor in the microgrid is hard to shut off，a kind of forced turn off method combined with the energy storage converter in the microgrid is proposed and the mathematical model of the method is also given.The topology characteristics in the structure of energy storage converter are used to apply the reverse voltage to the thyristor during the operation of changing mode of grid connected to isolated network.The thyristor current is dropped to zero to complete the forced turn off.By analyzing the mathematical model of the proposed method，the main factors affecting the forced turn off technology are revealed.In order to solve the application problems in practical engineering，the forced turn off control process in practical application is also given.Finally，the correctness of the proposed method is verified by the simulation analysis and the test.

Key words： static transfer switch; power conversion system; rectifier; microgrid

0 引 言

隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)大電網(wǎng)供電方式與分布式能源網(wǎng)絡崛起的矛盾日益突出，微電網(wǎng)已經(jīng)逐漸成為分布式發(fā)電大規(guī)模普及應用的重要組織形式。微電網(wǎng)充分汲取分布式發(fā)電的優(yōu)點，與大電網(wǎng)互為支撐，可以自發(fā)自用、余電上網(wǎng)，不僅能使用戶得到不間斷的可靠供電，而且能為社會減少化石能源的消耗，減輕環(huán)境的承載壓力。

微電網(wǎng)^［1-2］一個重要的功能是并網(wǎng)和孤島2種運行模式間自由無縫切換。無縫切換是保證微電網(wǎng)內敏感負荷正常運行的前提，已成為微電網(wǎng)和新能源領域的研究熱點之一。然而，若要實現(xiàn)微電網(wǎng)與大電網(wǎng)間的自由無縫切換，必須采用一種能快速導通和斷開2者間聯(lián)系的靜態(tài)轉換開關（STS）設備。利用半導體器件組成的電力電子設備可以在導通速度上滿足要求，如以絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）^［3-4］為代表的全控型電力電子器件和以晶閘管為代表的半控型器件。IGBT可以通過控制門極觸發(fā)信號來控制器件的導通與關斷，但其驅動電路復雜、成本高、器件本身耐沖擊能力差，目前實際項目中應用不多。而以晶閘管為代表的半控型器件構成的STS因其成本低、過載能力強、導通損耗小、耐沖擊、器件工藝技術成熟等優(yōu)點而成為目前微電網(wǎng)應用中的主要解決方案。

晶閘管應用于STS最大的難點^［5-8］是其作為半控型器件，一旦導通之后，驅動信號無法控制其關斷，需要等到主回路電流過零才能可靠關斷。因此在自然狀態(tài)下，這種轉換開關的關斷延時最高可達1/2個工頻周期，這對于應用于微電網(wǎng)的無縫切換領域無疑是一個弊端。通常解決這個問題有2種方法：① 通過設計輔助電路，在關斷時刻為晶閘管提供并聯(lián)反向電壓，強迫晶閘管關斷;② 通過改變晶閘管主回路中的兩端電壓，為晶閘管利用其應用場合構造出一個反向強迫關斷回路，從而進行強迫關斷。如在不間斷電源（UPS）或動態(tài)電壓恢復器（DVR）應用中^［5］，當負載原有的供電電源出現(xiàn)電壓跌落故障時，起動與之并聯(lián)的備用電源。由于故障電源與備用電源之間存在電壓差，故障電源支路上的晶閘管因兩端承受反壓而強迫關斷，負載能夠迅速由故障電源切換至備用電源，但這種方法也受制于負載的功率因數(shù)、跌落深度等因素影響。

在微電網(wǎng)應用中，通常以1臺或者幾臺儲能變流器作為孤網(wǎng)運行下的主電源^［9-12］。當電網(wǎng)掉電后，利用儲能系統(tǒng)中的能量為負荷提供電壓和頻率的支撐。若需完成無縫切換功能，儲能變流器會實時監(jiān)測電網(wǎng)的電壓是否有故障等信息（非計劃孤網(wǎng)）或者實時接收調度指令（計劃孤網(wǎng)），一旦啟動離網(wǎng)指令后，儲能變流器會發(fā)送信號關斷STS，待晶閘管完全可靠關斷后再進行獨立逆變并網(wǎng)。可見，整個過程中晶閘管關斷時間的長短決定了整個微電網(wǎng)由并網(wǎng)轉孤網(wǎng)運行過程的切換時間。

本文通過分析三相三電平儲能變流器，提出了一種基于儲能變流器的關斷方法，并對該關斷方法進行了詳細的數(shù)學推導，給出了晶閘管的關斷時間與儲能變流器主回路參數(shù)之間的相互關系，為微電網(wǎng)中并網(wǎng)轉孤網(wǎng)運行過程的切換時間提供了理論依據(jù)，最終通過仿真驗證了方法的可行性。

1 系統(tǒng)拓撲

常見微電網(wǎng)系統(tǒng)示意如圖1所示。微電網(wǎng)系統(tǒng)中包含儲能系統(tǒng)、光伏系統(tǒng)以及其他的分布式電源。正常并網(wǎng)工況時，STS導通，所有設備與大電網(wǎng)相連，系統(tǒng)工作在大電網(wǎng)的并網(wǎng)模式，負載供電由電網(wǎng)提供。當有需要使得微電網(wǎng)系統(tǒng)工作于孤網(wǎng)模式時，微電網(wǎng)控制器或儲能變流器控制STS關斷，斷開微電網(wǎng)與大電網(wǎng)的聯(lián)系。此時電壓源由儲能變流器承擔，支撐微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓和頻率。圖1中的STS每相均由2個反并聯(lián)的晶閘管構成。

在儲能變流器的拓撲中，目前常用的拓撲是中點鉗位型（NPC）三電平變換器^［10-13］。其每相回路由4只開關管、4只反并聯(lián)的續(xù)流二極管、2個鉗位二極管、2組直流電容和交流濾波回路組成。此拓撲結構具有如下的優(yōu)點：① 每個功率管承受的電壓是直流母線總電壓的1/2，低開關管的耐受電壓可以允許提高開關管的工作頻率，并且相對開關損耗小;② 相同的開關頻率下，輸出波形為三電平疊加，從而輸出波形的諧波含量低;③ 電容中點的引出可以為系統(tǒng)提供中線輸出能力，能用于微電網(wǎng)中單相負荷供電。NPC三電平變換器拓撲結構如圖2所示。此外，還有多種三相四線制的儲能變流器拓撲結構也能使用本文所提的強制關斷技術，本文不再贅述。

2 強制關斷技術分析

本文所提的晶閘管強制關斷方法，是利用微電網(wǎng)內的儲能變流器，通過一定的功率器件開關組合，在晶閘管驅動脈沖消失后給晶閘管主回路施加一定時間的反向關斷電壓，加速晶閘管主回路電流下降到維持電流以下，從而促使其強制關斷。整個關斷過程結束后，儲能變流器再按照正常的離網(wǎng)電壓源運行。

基于NPC型三電平儲能變流器在整個微電網(wǎng)中應用的單相拓撲簡圖如圖3所示。

由圖3可知，正常并網(wǎng)運行時，控制STS導通，負載通過回路1向負載供電，此時的儲能變流器工作在并網(wǎng)模式，以電流源模式運行，其根據(jù)電網(wǎng)調度需求從電網(wǎng)中吸收能量或釋放能量。當電網(wǎng)出現(xiàn)故障或者人為控制孤網(wǎng)運行時，控制STS關斷，待STS徹底關斷后，由儲能變流器作電壓源模式運行，通過回路2為負載建立起電壓和頻率。為了使負載供電不受供電模式切換的影響，需要保證這個切換過程時間足夠短。

圖3中，儲能變流器直流側有儲能電容C1、C2，在儲能并網(wǎng)變流器正常運行時，直流側儲能電容C1、C2的電壓Udc+、Udc-一定要大于等于儲能變流器電網(wǎng)交流側相電壓的峰值，所以利用這個直流電壓，通過控制儲能變流器中的部分開關管的導通與關斷情況，可以給STS施加反向電壓，從而強制其關斷。

具體措施：以某相電網(wǎng)電壓Us處于正半周為例，封鎖STS觸發(fā)驅動信號后，控制儲能變流器該相的功率開關管VT1、VT2導通，此時儲能變流器直流側儲能電容C1經(jīng)過功率開關管VT1、VT2，再經(jīng)過交流濾波電感Lf向負載放電。這3者構成了一個典型的二階LC振蕩電路。電容電壓初始值為Udc+，電感電流初始值為零。當電感電流增至原STS中流過的電流時，即STS的電流下降到0，負載電流轉移到儲能變流器上，此時晶閘管被強迫關斷。

3 強制關斷的數(shù)學模型

以A相電壓正半周為例，控制功率開關管VT1、VT2導通，忽略晶閘管構成的STS的導通壓降、開關器件VT1、VT2管壓降以及儲能變流器交流濾波電容Cf的作用。圖3中回路電壓方程和初始條件為

Lfdiadt=u+dc－Us

C1du+dcdt=－ia

u+dct=0=Udciat=0=0（1）

式中： Lf——交流濾波電感;

C1——直流母線儲能電容;

Us——電網(wǎng)A相電壓瞬時值;

ia——流過交流濾波電感的電流;

u+dc——直流電容電壓瞬時值;

Udc——直流電容電壓初始值。

由于要控制晶閘管在很短時間內關斷，為簡便分析，假定在關斷過程中電網(wǎng)電壓不變。

解關于式（1）構成的二階非齊次微分方程，可得：

udc+=Us+（Udc－Us）costLfC1

ia=（Udc－Us）C1LfsintLfC1（2）

假設在關斷時刻流過STS的電流為IA，采用本文所提的方法，當濾波電感Lf上的電流達到IA時，也就是在STS中的電流IA下降到0的時刻，晶閘管被強迫關斷。整個過程中的時間toff為

toff=LfC1arcsinIA（Udc－Us）C1/Lf（3）

為了保證整個過程中晶閘管被可靠關斷，需保證式（3）方程有解，即

IA（Udc－Us）C1/Lf≤1（4）

由式（3）、式（4）可知，實現(xiàn)可靠強制關斷的必要條件是負載電流不能太大，否則會導致儲能變流器的振蕩回路無法提供相應的電流給STS換流，從而無法強制關斷STS。這在實際應用中可以理解為當微電網(wǎng)由并網(wǎng)模式切換至離網(wǎng)模式時，如果負載過大，必然會導致儲能逆變器過流保護，將無法實現(xiàn)強制關斷，這就需要微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)的控制器在并網(wǎng)轉孤網(wǎng)運行模式前提前對負荷用電量評估。另外，從式（3）還可以得出，關斷晶閘管時電網(wǎng)電壓、儲能變流器的參數(shù)均會對關斷時間產(chǎn)生影響。

4 強制關斷控制流程

前文已經(jīng)對晶閘管強制關斷的關鍵技術原理，以及關斷過程中的數(shù)學模型進行了詳細的分析。強制關斷技術的策略：在封鎖晶閘管的觸發(fā)脈沖后，控制儲能逆變器的各相開關管，并維持一定的時間直至晶閘管上的導通電流下降到其維持電流以下，從而強制關斷STS，之后再控制儲能變流器按照正常的電壓源模式運行。控制策略流程如圖4所示。

5 仿真分析

為了驗證本文所提方法的有效性，運用MATLAB/Simulink仿真工具軟件對本文所提出的方法進行仿真研究。

仿真條件：交流電網(wǎng)額定電壓380 V，額定頻率50 Hz，脈沖寬度調制（PWM）整流器三相交流濾波電感0.6 mH，三相交流濾波電容40 μF，負載是由5 Ω電阻和10 mH電感組成的阻感性負載，儲能變流器采用三相NPC拓撲結構，直流側電容中點直接引出至電網(wǎng)中性點，直流側上下支撐電容容值分別為20 mF，直流母線電壓為720 V，開關頻率選取為10 kHz，采用三相SPWM調制方法^［13-15］。

為了解電網(wǎng)相電壓出現(xiàn)峰值時的晶閘管強制關斷情況，本仿真過程中，在0.025 s時封鎖晶閘管觸發(fā)脈沖，應用本文提出的強制關斷方法，待晶閘管確認關閉后再啟動儲能變流器的孤網(wǎng)運行功能。

無強制關斷時A相晶閘管的自然過零關斷情況如圖5所示。由圖5可知，當電壓在A相峰值點時下發(fā)晶閘管脈沖封鎖指令，此時由于晶閘管正向導通，而且負載為阻感性電流，晶閘管要經(jīng)過半個周期后方可關斷，關斷的時間較長。

應用本文提出的強制關斷方法及建立的數(shù)學模型，計算仿真條件下的微電網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)。應用公式（3），取Us=310 V，0.025 s的關斷時刻負載電流IA=160 A，代入可求得toff ≈2.03 ms，即應用本文的強制關斷方法和其數(shù)學模型，只需2.03 ms便可以將晶閘管強制關斷。有強制關斷時A相晶閘管強制過零如圖6所示。由圖6可知，采用本文所提方法后，晶閘管在0.027 s時就實現(xiàn)了提前關斷，強制關斷時間與本文所提的數(shù)學模型的理論計算高度一致，進一步證明了該方法理論的正確性。

由數(shù)學模型可以得知，整個強制關斷過程的關斷時間與儲能逆變器裝置本身的硬件參數(shù)、直流母線電壓值、關斷時刻的電網(wǎng)電壓瞬時值密切相關。由式（3）可知，當儲能變流器的參數(shù)及負載電流確定后，電網(wǎng)電壓的峰值點對應著最嚴苛的強制關斷工況。實際應用中，統(tǒng)籌三相電流、電壓情況，可以得出三相晶閘管最長的關斷時間。在實現(xiàn)晶閘管的可靠關斷后，儲能變流器便可切換回正常的電壓源運行模式。微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)轉孤網(wǎng)切換如圖7所示。

由圖7可知，采用本文所提方法后，使用晶閘管作為STS的微電網(wǎng)系統(tǒng)能實現(xiàn)快速斷開與電網(wǎng)的聯(lián)系，并且能保證整個過程中負載基本不受影響。

6 實驗驗證

為了進一步驗證本文所提方法的有效性，搭建模擬微電網(wǎng)平臺。該平臺由50 kW三電平儲能變流器、STS和30 kVA阻感性負載構成。儲能變流器采用三相NPC拓撲結構，交流濾波回路采用LCL結構，電感值分別為0.4 mH、0.2 mH，三相交流濾波電容容值為40 μF。微電網(wǎng)平臺如圖8所示。

在純阻性負載狀態(tài)下，模擬電網(wǎng)電壓三相幅值跌落至0%，儲能變流器檢測到電網(wǎng)電壓跌落后，給STS發(fā)送驅動閉鎖信號，待晶閘管有效關斷后，儲能逆變器控制輸出三相交流電壓。阻性負載狀態(tài)下三相電網(wǎng)電壓跌落如圖9所示。儲能變流器利用本文所提的強制關斷技術，能夠迅速控制流過晶閘管的電流過零，從而切斷與電網(wǎng)間的聯(lián)系。當該STS可靠關斷后，儲能變流器轉入逆變輸出模式，支撐負荷電壓，使負荷供電基本不受影響。

當該模擬微電網(wǎng)帶阻感性負荷后，阻感性負載下三相電網(wǎng)電壓跌落如圖10所示。與圖9相似，儲能變流器檢測到電網(wǎng)電壓跌落后利用本文所提的強制關斷技術控制流過晶閘管的電流迅速過零。STS關斷后，儲能變流器轉為恒壓頻逆變模式為負荷供電。

7 結 語

針對微電網(wǎng)中由晶閘管構成的STS關斷時間較長的問題，本文提出了一種結合微電網(wǎng)內儲能變流器的強制關斷方法，并給出了該方法的理論計算數(shù)學模型。

所提方法利用儲能變流器結構中的儲能電容和濾波電感，通過一個二階LC振蕩電路實現(xiàn)對晶閘管施加反向電壓，促使晶閘管電流提前過零，從而完成強制關斷。通過對該方法的數(shù)學模型分析，揭示了影響該強制關斷技術的主要因素，當已知系統(tǒng)主要參數(shù)后，可以通過數(shù)學模型較精確地計算出實現(xiàn)強制關斷所需要的時間，從而解決實際工程中的應用問題，具有很強的設計指導意義。本文所提強制關斷方法需要LC回路及變流器開關管配合，應用場景有一定局限性。在研究中作者并未考慮儲能變流器故障、高低穿或開關管驅動損壞等工況，因此在復雜場景下本文內容的適用性有待驗證。

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收稿日期： 20240803