余加喜，魏應(yīng)冬，謝磊，徐悅洋，陳雁

(1.海南電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心, 海南 海口 570203；2. 電力系統(tǒng)國家重點實驗室 清華大學，北京 100084；3. 南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司，廣東 廣州 510080)

0 引 言

新能源發(fā)電的廣泛接入和負荷容量的增加引起配、用電系統(tǒng)短路容量快速增長，一些大型發(fā)電機和主變壓器發(fā)生近區(qū)短路時，短路電流可達100 kA～200 kA，亟待妥善解決故障電流抑制問題。同時，現(xiàn)代石化、電子、半導體制造和工業(yè)機器人等領(lǐng)域，大量使用了對供電電能質(zhì)量要求更高的電力電子裝置或敏感設(shè)備，易受到電壓驟降，諧波和無功等電能質(zhì)量擾動的影響，不但影響其運行效率，降低使用壽命，而且嚴重的還會引起這些設(shè)備的誤操作或者損壞，造成嚴重的經(jīng)濟損失甚至重大的安全事故[1-2]。

柔性交流配電系統(tǒng)(Distributed Flexible AC Transmission System, D-FACTS)設(shè)備是解決動態(tài)電能質(zhì)量問題的有力工具[3-6]，但單純的并聯(lián)型或串聯(lián)型DFACTS設(shè)備通常僅能解決部分電能質(zhì)量問題[7]。如串聯(lián)型動態(tài)電壓補償器(Dynamic Voltage Restorer, DVR)[8-10]，主要用于電壓驟降恢復，難以補償電流源型諧波和無功負荷，并且對于近端斷路器跳閘形成的短時供電中斷，無法構(gòu)成有效的補償回路。配電網(wǎng)靜止同步補償器(Distributed Static Synchronous Compensator, D-STATCOM)[11]和并聯(lián)型APF[12]通過改變配電系統(tǒng)中潮流分布來間接抑制對電壓波動、電壓閃變、諧波等電能質(zhì)量問題，但對電壓驟降和驟升無法有效控制。在線互動式UPS(Line-Interactive Uninterruptible Power Supply)[13]可以通過將故障配、用電系統(tǒng)快速斷開并獨立為負荷供電來解決電壓型電能質(zhì)量擾動問題，但其采用的交流電子開關(guān)斷開時間較長，典型時間為4 ms～10 ms，這對敏感型負荷是不可接受的。有研究者提出晶閘管強迫換流的切換開關(guān)[14]，但接入的分布式電源使得這種晶閘管強迫換流方式存在失敗可能[4]1696。統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器(Unified Power Quality Controller, UPQC)[15]、雙變換型UPS(Double Conversion UPS)和在線交互式delta型UPS(Line-Interactive Delta UPS)等綜合型D-FACTS設(shè)備在結(jié)構(gòu)上由于包括“并聯(lián)型和串聯(lián)型”或“整流器和逆變器”兩部分變流器，功能強大，能夠同時解決電壓和電流兩類電能質(zhì)量問題。但受限于設(shè)備成本高、抗過載能力弱及可靠性差等問題[16]，目前應(yīng)用范圍仍然有限。此外，上述D-FACTS面臨線路發(fā)生短路故障時，均缺乏對短路電流有效的抑制能力。

基于以上分析，本文提出一種基于諧振開關(guān)的并聯(lián)型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器S-UPQC。既可在公共連接點對諧波和無功綜合補償，也能在電壓驟降時為敏感負荷提供不間斷電壓確保其可靠運行，同時可在線路發(fā)生短路時對故障電流進行快速抑制。S-UQPC具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、抗過載能力強和運行效率高等優(yōu)點。本文通過數(shù)學建模確定了諧振開關(guān)無源器件參數(shù)計算方法，建立典型算例的PSCAD/EMTDC電磁暫態(tài)仿真驗證了S-UPQC的功能有效性。

1 S-UPQC工作原理

S-UPQC的一次電路由DC-AC變換器、儲能單元和切換開關(guān)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 S-UPQC裝置結(jié)構(gòu)圖

考慮到絕大多數(shù)電壓驟降持續(xù)時間為秒級，DC-AC變換器直流端口接入的儲能單元采用超級電容，變換器交流端口接入公共連接點PCC2點。在PCC2與外部電力系統(tǒng)PCC1點之間接入切換開關(guān)。S-UPQC運行原理為：配網(wǎng)電壓us正常時，S-UPQC檢測系統(tǒng)電流，提供無功、負序和諧波補償；檢測到配網(wǎng)發(fā)生電壓驟降時，迅速關(guān)斷切換開關(guān)，通過儲能單元及DC-AC變換器為敏感負荷供電，保證其安全穩(wěn)定運行。一旦公共連接點PCC2出線端至負荷線路發(fā)生短路故障，S-UPQC檢測到故障電流即刻控制關(guān)斷切換開關(guān)，將線路短路電流迅速抑制至可控水平。

2 切換開關(guān)模型

S-UPQC的切換開關(guān)串聯(lián)在電網(wǎng)與負載之間，正常情況下始終處于導通狀態(tài)，要求開關(guān)通態(tài)損耗較小和具備較強的過載能力，同時關(guān)斷速度要盡可能快。

2.1 自然換流開關(guān)

圖2 自然換流開關(guān)示意圖

雙向晶閘管相對常規(guī)的全控型器件(如IGBT等)在損耗和過載能力方面具備明顯優(yōu)勢，示意圖如圖2所示。但晶閘管作為半控型器件，其關(guān)斷條件是陽極電流小于維持電流(接近于零)，當配網(wǎng)故障后，依賴晶閘管自然關(guān)斷，時間可長達半個工頻周期以上，這對敏感負荷通常是不可接受的[17]。

當線路發(fā)生短路故障時，快速上升的故障電流無法滿足晶閘管電流過零關(guān)斷的條件，不但難以迅速抑制故障電流，還可能造成晶閘管的永久失效。

2.2 諧振開關(guān)

圖3 諧振開關(guān)示意圖

本文提出的諧振型開關(guān)，由雙向晶閘管T1，并聯(lián)電感Lr1，串聯(lián)電感Lr2和電容Cr組成如圖3所示。

其工作原理為：電壓工作時，T1處于關(guān)斷狀態(tài)，Lr2與Cr形成串聯(lián)諧振，等效阻抗極低而連通電網(wǎng)與負載；電壓驟降時，觸發(fā)導通T1，Lr1與Cr形成并聯(lián)諧振，等效阻抗迅速上升而將負載端PCC2與電網(wǎng)端PCC1隔離，同時其中儲能單元通過DC-AC變換器向負載供電。電壓驟降恢復后停止觸發(fā)脈沖T1，待晶閘管中電流自然過零后關(guān)斷，負載重新由電網(wǎng)供電。由于是通過觸發(fā)導通晶閘管實現(xiàn)切換開關(guān)的斷開，因而斷開速度很快。

3 諧振開關(guān)參數(shù)計算

令電網(wǎng)額定電壓等級為VB，S-UPQC額定功率容量為SB，額定電流為IB，同步角頻率為ω0，對應(yīng)頻率額定阻抗基值為XB，且滿足：

(1)

記Lr1感抗為jXL1、Lr2感抗為jXL2、Cr的容抗為-jXc。依據(jù)T1的開關(guān)狀態(tài)，諧振開關(guān)有兩種工作模式：即T1導通狀態(tài)下的并聯(lián)諧振模式和T1關(guān)斷狀態(tài)下的不完全串聯(lián)諧振模式。工作在并聯(lián)諧振模式的諧振開關(guān)近似為斷路，方可有效抑制短路故障電流，或?qū)⒐收想娋W(wǎng)和敏感負荷隔離，故并聯(lián)諧振模式的等效阻抗模值X并應(yīng)趨近于無窮大，可表示為：

(2)

故，感抗XL1、容抗XC的模值應(yīng)滿足完全諧振條件：

XL1=XC

(3)

當諧振開關(guān)工作在串聯(lián)諧振模式，其等效阻抗模值X串可表示為：

X串=|j(XL2-XC)|

(4)

考慮到線路自身感抗，通常可將諧振開關(guān)設(shè)計為不完全串聯(lián)諧振狀態(tài)，以在一定程度上補償線路壓降。設(shè)定k為電抗Lr2感抗模值XL2與電容Cr容抗的模值Xc的比值，k取值范圍在0到1之間，即滿足關(guān)系：

XL2=kXC，k=[0,1]

(5)

顯見，當k=1時為完全串聯(lián)諧振狀態(tài)，X串趨近零。

參數(shù)k值的選取需綜合考慮線路感抗與諧振開關(guān)的成本、體積和穩(wěn)態(tài)運行損耗。而且，由于電壓驟降持續(xù)時間有限(通常不超過2 s)，應(yīng)充分利用諧振電路的短時過載能力，以降低諧振感抗XL1和容抗XC的值。設(shè)定m為電容Cr容抗模值Xc與額定阻抗基值XB的比值，m取值范圍在m1和m2之間，即滿足關(guān)系：

XC=mXB,m=[m1,m2]

(6)

根據(jù)式(1)、式(2)和式(6)可得，電感Lr1和電容Cr在發(fā)生并聯(lián)諧振狀態(tài)時，承受m倍于額定電流IB的過載電流?？紤]到Lr1采用空芯電抗，通常短時可承受3～5倍額定電流，對應(yīng)m的取值范圍應(yīng)選擇m1=0.2，m2=0.33。

4 典型算例仿真

建立380 V/100 kVA的S-UPQC典型算例，根據(jù)設(shè)定的電壓和容量基值，根據(jù)式(1)計算可得阻抗、電流基值分別為XB=1.44，IB=152 A。建立基于PSCAD/EMTDC軟件的S-UPQC詳細電磁暫態(tài)仿真模型，DC-AC變換器采用三相兩電平結(jié)構(gòu)，其關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。儲能單元選擇20組含220個超級電容單體串聯(lián)的超級電容器組及其充放電電路。其中超級電容器組工作電壓590 V，每個超級電容單體工作電壓2.7 V，電容大小100 F，最大持續(xù)電流11 A。充放電電路輸入電壓范圍為直流460 V～590 V。

表1 S-UPQC系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

圖4 短路故障及恢復期間PCC1三相電流波形

如圖5所示，仿真模擬0.307 s時刻電網(wǎng)側(cè)發(fā)生電壓驟降故障，設(shè)定電網(wǎng)電壓驟降至額定值的10%，故障時長0.03 s。系統(tǒng)電壓驟降和電壓驟升的判定條件為Vmin=0.9，Vmax=1.2。S-UPQC裝置在故障之前運行在并聯(lián)補償模式，故障發(fā)生后0.2 ms之內(nèi)控制器檢測到電網(wǎng)側(cè)電壓驟降，切換裝置運行模式為不間斷電源模式，0.334 s電網(wǎng)電壓恢復，控制器在0.2 ms之內(nèi)檢測到電網(wǎng)電壓恢復，重新切換裝置運行模式為并聯(lián)補償模式。仿真結(jié)果顯示負荷電壓在整個區(qū)間內(nèi)幾乎不受任何影響，電壓切換時間在1.5 ms以內(nèi)。

圖5 電網(wǎng)電壓驟降90%及恢復期間的負荷電壓波形

理論計算與仿真表明，當k=0.5時，空心電抗器Lr2產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)損耗與同等容量晶閘管導通損耗近似相當。當k≥0.5時，裝置在電壓供電質(zhì)量方面的優(yōu)勢更明顯；當k<0.5時，裝置在穩(wěn)態(tài)運行效率方面的優(yōu)勢更明顯。

5 結(jié)束語

本文提出了一種基于諧振開關(guān)的并聯(lián)型統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器S-UPQC。利用觸發(fā)導通晶閘管構(gòu)造的并聯(lián)諧振電路，實現(xiàn)切換開關(guān)的快速關(guān)斷，可迅速抑制線路短路故障電流；配合其DC-AC變換器，可解決包括電壓驟降和諧波、無功潮流超標等大部分電能質(zhì)量問題，具備結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、過載能力強和運行效率高等優(yōu)點。本文分析了S-UPQC的工作原理，計算并確定了諧振開關(guān)的參數(shù)，同時針對容量為380 V/100 kVA的S-UPQC裝置使用PSCAD /EMTDC仿真，結(jié)果驗證了諧振開關(guān)設(shè)計原理和S-UPQC的有效性。

致 謝

本論文工作受海南電網(wǎng)有限責任公司科技項目“文昌地區(qū)電網(wǎng)電壓驟降機理及治理措施研究”(070000KK52160002)資助，特此鳴謝！