賈文慧，郭 祺，涂春鳴，姜 飛，侯玉超，李 慶

（1. 國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學(xué)），湖南省長(zhǎng)沙市 410082；2. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南省長(zhǎng)沙市 410004；3. 國(guó)網(wǎng)安徽省電力有限公司電力科學(xué)研究院，安徽省合肥市 230000）

0 引言

隨著風(fēng)光等新能源發(fā)電的波動(dòng)性增加、大量電力電子裝置的廣泛接入，有源配電網(wǎng)電壓波動(dòng)、無(wú)功等電能質(zhì)量問(wèn)題愈發(fā)突出［1-3］，有源配電網(wǎng)的高效、高質(zhì)供電受到廣泛關(guān)注［4］。

為有效解決有源配電網(wǎng)電壓和電流質(zhì)量問(wèn)題，串聯(lián)接入型和并聯(lián)接入型電能質(zhì)量治理裝置被相繼提出［5-7］。其中，串聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置在電壓波動(dòng)治理［8-9］等方面性能優(yōu)異，但裝置長(zhǎng)期處于閑置狀態(tài)，設(shè)備利用低。此外，串聯(lián)接入電網(wǎng)的方式使其極易受到短路/接地等故障沖擊的威脅［10］，運(yùn)行可靠性問(wèn)題突出。并聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置可實(shí)現(xiàn)諧波電流治理/無(wú)功補(bǔ)償?shù)裙δ埽铱煽啃愿?，但難以很好地解決電壓波動(dòng)的問(wèn)題。因此，“雙高”背景下需要研究提高串聯(lián)與并聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置的利用率及可靠性。

在串聯(lián)與并聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置的功能拓展與利用率提升方面，國(guó)內(nèi)外相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)典型電能質(zhì)量治理裝置進(jìn)行控制優(yōu)化和拓?fù)涓倪M(jìn)，實(shí)現(xiàn)了一套裝置能同時(shí)治理電流型和電壓型電能質(zhì)量問(wèn)題，有效提升了設(shè)備利用率。在控制策略優(yōu)化方面，文獻(xiàn)［11-12］提出一種適用于動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（dynamic voltage restorer，DVR）的矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)了新能源消納和電能質(zhì)量治理，但裝置有源部分的容量隨新能源輸出功率增加而驟升。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改進(jìn)方面，統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（unified power quality conditioner，UPQC）可實(shí)現(xiàn)電壓型和電流型電能質(zhì)量問(wèn)題的綜合治理，但需要兩套變換器，成本較高［13］。文獻(xiàn)［14-15］通過(guò)對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行解耦和獨(dú)立控制，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)功率調(diào)控和電壓質(zhì)量調(diào)節(jié)，但這種方法對(duì)直流側(cè)電壓的要求較高。文獻(xiàn)［16-17］分別在單相全橋和三相半橋結(jié)構(gòu)的串聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置中添加多組繼電器和物理開(kāi)關(guān)，進(jìn)而通過(guò)多組繼電器的投切與開(kāi)斷實(shí)現(xiàn)裝置串聯(lián)與并聯(lián)接入方式的靈活切換。文獻(xiàn)［16-17］所提方法有效提高了裝置有源部分的利用率，但電路中含有多組切換開(kāi)關(guān)，使得拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制較為復(fù)雜，暫態(tài)問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

在串聯(lián)型、并聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置的可靠性提升方面，文獻(xiàn)［18］在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)閉合旁路開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)DVR 被動(dòng)退出。文獻(xiàn)［19-20］對(duì)UPQC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)，在系統(tǒng)故障時(shí)通過(guò)切換開(kāi)關(guān)使其主動(dòng)參與故障調(diào)控。文獻(xiàn)［21-22］通過(guò)控制策略優(yōu)化有效控制DVR 的等效輸出阻抗，進(jìn)而限制線路故障過(guò)電流。上述電能質(zhì)量治理裝置可在故障發(fā)生時(shí)被動(dòng)退出或者主動(dòng)參與故障調(diào)控，但開(kāi)關(guān)動(dòng)作與控制均存在延時(shí)。此外，現(xiàn)有硬件改進(jìn)方案的元部件復(fù)用率低，采取控制策略優(yōu)化的方案對(duì)裝置容量要求高，且難以解決故障瞬間的沖擊問(wèn)題。

基于此，為進(jìn)一步提高串聯(lián)與并聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置的設(shè)備利用率和可靠性，本文對(duì)傳統(tǒng)串聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置有源、無(wú)源部件的接線方式進(jìn)行組合重構(gòu)，提出了一種具備串聯(lián)電壓補(bǔ)償功能與并聯(lián)電流補(bǔ)償功能的多功能并網(wǎng)變換器（multifunction grid-connected converter，MF-GCC）。MFGCC 可以有效實(shí)現(xiàn)串聯(lián)型和并聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置功能的有效集成，設(shè)備利用率高。同時(shí)，在電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)MF-GCC 的有源部分主動(dòng)退出運(yùn)行，并可有效遏制故障沖擊電流，進(jìn)而保證了設(shè)備自身及電網(wǎng)的運(yùn)行可靠性。

1 MF-GCC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 MF-GCC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MF-GCC 的拓?fù)淙鐖D1 所示，其由直流側(cè)儲(chǔ)能電容Cdc、單相全橋變換器、LC 濾波環(huán)節(jié)（濾波電感L1與濾波電容C1）、多繞組變壓器T、耦合電容C0、變壓器端口旁路開(kāi)關(guān)S1和切換開(kāi)關(guān)S2組成，多繞組變壓器一次側(cè)接入輸電線路中，二、三次側(cè)端口分別接入變換器、開(kāi)關(guān)S2和耦合電容C0。相較于傳統(tǒng)的串聯(lián)型變換器，MF-GCC 僅多了一組開(kāi)關(guān)和一個(gè)電容。圖1 中，U?S、I?S分別為電網(wǎng)電壓、電流；U?C1、I?2分別為單相全橋變換器輸出電壓、電流；Udc為直流側(cè)電壓；U?tr、U?tr1、U?tr2分別為多繞組變壓器一次、二次和三次側(cè)電壓；U?C0為耦合電容C0兩端電壓；I?1、I?nn和I?cn分別為變換器側(cè)二次側(cè)電流、S2開(kāi)關(guān)支路電流以及耦合電容支路電流；R、L分別為線路電阻、電感；U?L、I?L分別為負(fù)載電壓、電流；ZL為負(fù)載阻抗。

圖1 MF-GCC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of MF-GCC

1.2 MF-GCC 工作原理

MF-GCC 根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)可工作于兩種模式：串聯(lián)補(bǔ)償模式和并聯(lián)補(bǔ)償模式。在電網(wǎng)電壓出現(xiàn)跌落/抬升等電壓波動(dòng)時(shí)，MF-GCC 工作于串聯(lián)補(bǔ)償模式，其可向電網(wǎng)提供相應(yīng)的補(bǔ)償電壓，保證負(fù)載側(cè)電壓幅值不受電網(wǎng)擾動(dòng)的影響。在電網(wǎng)電壓保持正常時(shí)，MF-GCC 工作于并聯(lián)補(bǔ)償模式，通過(guò)控制其注入電流實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)炔⒙?lián)型變換器的功能。

1.2.1 串聯(lián)補(bǔ)償模式

1）基本工作原理

當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生波動(dòng)時(shí)，S1斷開(kāi)、S2閉合，如圖2（a）所示，所提拓?fù)涔ぷ饔诖?lián)補(bǔ)償模式。通過(guò)控制U?C1與U?S的矢量和，保證負(fù)載側(cè)電壓幅值不受電網(wǎng)擾動(dòng)的影響，如圖2（b）所示，其中α為補(bǔ)償后負(fù)載電壓的相角。

圖2 串聯(lián)補(bǔ)償模式下MF-GCC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其電氣量間的相量關(guān)系圖Fig.2 Topology of MF-GCC and phasor relation diagram between different electrical quantities in series compensation mode

串聯(lián)補(bǔ)償模式下的MF-GCC 等效電路如圖3所示。圖中，Zm為變壓器勵(lì)磁阻抗；L1σ、L2σ、L3σ分別為變壓器一、二、三次側(cè)漏感。在此模式下，MFGCC 的有源部分相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源。

圖3 串聯(lián)補(bǔ)償模式下MF-GCC 的等效電路Fig.3 Equivalent circuit of MF-GCC in series compensation mode

根據(jù)理想變壓器特性，可得其一次與二、三次側(cè)的電壓關(guān)系為：

式（4）表明，在變壓器變比為1∶1∶1 的條件下，該結(jié)構(gòu)中電網(wǎng)電流與耦合電容C0支路電流大小相等、方向相反。

另外，根據(jù)KVL 定律可得MF-GCC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電壓關(guān)系滿足：

補(bǔ)償電壓的相位β為：

假設(shè)負(fù)載的功率因數(shù)角為φ，可得MF-GCC 輸出的有功功率Pin和無(wú)功功率Qin為：

基于此，以有源部分輸出有功功率最小為目標(biāo)，結(jié)合式（8）—式（13），即可得到有源部分輸出電壓參考值U?*C1的控制相位α。此外，為保證補(bǔ)償后的負(fù)載電壓幅值不變，根據(jù)式（6）確定U?*C1的幅值即為負(fù)載電壓波動(dòng)前的電壓幅值U*Lm，進(jìn)而得到串聯(lián)補(bǔ)償模式下有源部分輸出電壓的參考值U?*C1。

3）故障穿越能力分析

在電網(wǎng)發(fā)生短路、接地等故障時(shí)，傳統(tǒng)串聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置以及功能集成型電能質(zhì)量治理裝置的有源部分直接承受暫態(tài)電流、電壓的沖擊，設(shè)備可靠性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。相比而言，當(dāng)MF-GCC 接入的電網(wǎng)發(fā)生接地故障時(shí)（U?L=0），結(jié)合式（5）可得：

由式（14）可知，此時(shí)有源部分輸出電壓為零，從而輸出電流I?2=0，設(shè)備的有源部分主動(dòng)退出運(yùn)行。MF-GCC 等效拓?fù)淙鐖D4（a）所示，變壓器一、二、三次側(cè)回路等效電路如圖4（b）所示，圖中的虛線部分表示退出運(yùn)行。此外，C0兩端電壓U?C0=-U?S，根據(jù)式（2）與式（4）可得：

圖4 接地故障時(shí)的電路圖Fig.4 Circuit diagram with grounding fault

由式（15）可知，I?L和I?cn的大小均為ωC0US，MFGCC 可有效遏制在短路、接地故障時(shí)的故障電流，為設(shè)備自身以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有力支撐。

1.2.2 并聯(lián)補(bǔ)償模式

當(dāng)S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí)，所提拓?fù)涔ぷ饔诓⒙?lián)補(bǔ)償模式，MF-GCC 的有源部分等效為電流源。并聯(lián)補(bǔ)償模式下MF-GCC 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和等效電路分別如圖5（a）和（b）所示，此時(shí)，變壓器一次側(cè)短接，只有二、三次側(cè)接入電路。因此，等效電路中只考慮了L2σ和L3σ。

圖5 并聯(lián)補(bǔ)償模式下的電路圖Fig.5 Circuit diagram in parallel compensation mode

該模式下，通過(guò)控制MF-GCC 有源部分向系統(tǒng)注入大小和相位可控的并網(wǎng)電流I?2，可有效實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)炔⒙?lián)型變換器的各項(xiàng)功能。以典型的無(wú)功補(bǔ)償功能為例，電網(wǎng)提供負(fù)荷運(yùn)行所需的全部有功功率，MF-GCC 有源部分與耦合電容提供負(fù)荷運(yùn)行所需的全部無(wú)功功率?？紤]到并聯(lián)補(bǔ)償模式下的工作原理與傳統(tǒng)并聯(lián)型變換器的工作原理沒(méi)有區(qū)別，此處不再贅述。同時(shí)，該結(jié)構(gòu)中，耦合電容C0既可以提供滯后的容性電壓以降低變換器端口的輸出電壓，也可以顯著提升系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償能力［23］。

2 MF-GCC 控制策略與參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 MF-GCC 控制策略

首先，對(duì)電網(wǎng)電壓幅值進(jìn)行檢測(cè)，得到dS。然后，根據(jù)dS對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷：當(dāng)0.9＜dS＜1.1 時(shí)，判 定 電 網(wǎng) 電 壓 正 常，S1閉 合、S2斷 開(kāi)，MF-GCC 工作于并聯(lián)補(bǔ)償模式；當(dāng)dS＜0.9 或dS＞1.1 時(shí)，判 定 電 網(wǎng) 電 壓 發(fā) 生 波 動(dòng)，S2閉 合、S1斷 開(kāi)，MF-GCC 工作于串聯(lián)補(bǔ)償模式。MF-GCC 在串聯(lián)與并聯(lián)補(bǔ)償模式下分別向電網(wǎng)注入補(bǔ)償電壓和補(bǔ)償電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)負(fù)載側(cè)電壓幅值不受電網(wǎng)擾動(dòng)影響和功率因數(shù)校正等功能。多功能并網(wǎng)變換器控制策略如附錄A 圖A1 所示，具體如下。

1）串聯(lián)補(bǔ)償模式下的控制策略

結(jié)合1.2.1 節(jié)的分析，首先，通過(guò)電壓幅值檢測(cè)模塊得到dS的取值。然后，根據(jù)式（8）—式（13）得到對(duì)應(yīng)的負(fù)載電壓控制相位α，結(jié)合給定的負(fù)載電壓幅值U*Lm得到負(fù)載電壓參考值U?*L，U?*L與電網(wǎng)電壓做差即可得到補(bǔ)償電壓的參考值U?*tr。最后，根據(jù)式（16）得到U?*C1，并進(jìn)行電壓、電流雙環(huán)跟蹤，以及正弦脈寬調(diào)制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）得到變換器橋臂絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2）并聯(lián)補(bǔ)償模式下的控制策略

并聯(lián)補(bǔ)償策略包含直流側(cè)穩(wěn)壓與電流跟蹤控制兩部分。首先，采集直流側(cè)電壓Udc與給定的參考值U*dc做差，其誤差經(jīng)過(guò)比例-積分（PI）控制器得到有功瞬時(shí)電流參考值的幅值。其次，通過(guò)鎖相環(huán)得到有功瞬時(shí)電流參考值的相位，進(jìn)而得到有功瞬時(shí)電 流 參 考 值I?*2d。然 后，檢 測(cè) 負(fù) 載 電 流I?L及 負(fù) 載 功 率因數(shù)角φ，計(jì)算得到無(wú)功瞬時(shí)電流參考指令I(lǐng)?*2q。有功與無(wú)功瞬時(shí)電流參考指令之和即為補(bǔ)償電流參考值I?*2。最后，采集變換器輸出電流I?2作為反饋量，再通過(guò)PI 調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償電流I?*2的實(shí)時(shí)有效跟蹤。

2.2 MF-GCC 參數(shù)設(shè)計(jì)

為確保MF-GCC 在不同模式下的功能均可有效實(shí)現(xiàn)，根據(jù)串聯(lián)、并聯(lián)補(bǔ)償模式各自的性能要求分別對(duì)MF-GCC 元件進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，并結(jié)合兩種模式下的性能指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)流程如附錄A 圖A2 所示。

2.2.1 串聯(lián)補(bǔ)償模式下的參數(shù)設(shè)計(jì)

1）變壓器變比設(shè)計(jì)

當(dāng)變壓器一、二、三次側(cè)的變比為1∶k1∶k2時(shí)，根據(jù)式（1）可得：

因 此，可 根 據(jù) 式（18）中I?S、I?L、I?cn的 額 定 值 進(jìn) 行變壓器變比的設(shè)計(jì)。

2）變換器最大輸出電壓UC1，max

當(dāng) 變 壓 器 變 比 為1∶k1∶k2時(shí)，根 據(jù) 式（5）可得：

U?C1是拓?fù)涔ぷ髟诖?lián)補(bǔ)償模式下的受控量，其最大輸出電壓值UC1，max與電網(wǎng)電壓波動(dòng)程度dS有關(guān)。

3）耦合電容

耦合電容C0只具備承擔(dān)補(bǔ)償電壓的作用，C0兩端最大電壓為UC0，max，流經(jīng)C0的最大電流為Icn，max。

4）LC 濾波環(huán)節(jié)

串聯(lián)補(bǔ)償模式下的LC 濾波器的主要功能是濾除MF-GCC 的開(kāi)關(guān)次諧波，LC 濾波器參數(shù)選擇的原則與傳統(tǒng)串聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置中的設(shè)計(jì)原理類似［24］，此處不再贅述。

2.2.2 并聯(lián)補(bǔ)償模式下的參數(shù)設(shè)計(jì)

1）變換器最大輸出電流I1，max

I1是拓?fù)涔ぷ髟诓⒙?lián)補(bǔ)償模式下的受控量，其最大值I1，max與負(fù)載額定功率因數(shù)有關(guān)。

2）耦合電容

該模式下，全橋變換器輸出電壓U?inv的大小滿足

3）LC 濾波環(huán)節(jié)

該模式下，變壓器漏感與LC 濾波環(huán)節(jié)可看作類似于LCL 濾波的結(jié)構(gòu)，濾波參數(shù)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下約束條件。

（1）濾波總電感值上限

濾波電感的選擇取決于其尺寸、成本和濾波效果［25］。因此，總電感值La的上限可以確定為：

式中：fs為開(kāi)關(guān)頻率；Δimax為允許的電流最大紋波系數(shù)。

綜上所述，設(shè)計(jì)變換器側(cè)濾波電感L1時(shí)，應(yīng)有

考慮到濾波電容C1的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)LC 濾波環(huán)節(jié)中電容的設(shè)計(jì)原理類似［27］，本節(jié)不再贅述。

2.2.3 參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

綜合串聯(lián)與并聯(lián)補(bǔ)償模式下的參數(shù)設(shè)計(jì)原則，對(duì)耦合電容參數(shù)、有源部分額定容量以及LC 濾波環(huán)節(jié)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1）耦合電容參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)式（23），結(jié)合串聯(lián)補(bǔ)償模式下允許流過(guò)C0的電流上限與其兩端電壓上限［28］，對(duì)C0進(jìn)行具體的選型。

2）有源部分的容量設(shè)計(jì)

單相全橋變換器額定容量Sinvn表示為：

3）LC 濾波環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)

LC 濾波環(huán)節(jié)參數(shù)需滿足所述串聯(lián)與并聯(lián)補(bǔ)償模式下的設(shè)計(jì)原則。

3 方案對(duì)比分析

本 章 將 所 提MF-GCC、UPQC［13］與 文 獻(xiàn)［11，17，22］中提出的功能集成型電能質(zhì)量治理裝置進(jìn)行綜合比較，如表1 所示。UPQC 可以解決電壓型和電流型電能質(zhì)量問(wèn)題，但需要兩套變換器，成本較高。而文獻(xiàn)［11］中提出的功能集成型電能質(zhì)量治理裝置對(duì)直流側(cè)電壓有著更嚴(yán)格的要求。此外，文獻(xiàn)［17］中使用了兩個(gè)額外的開(kāi)關(guān)，這使得拓?fù)涓訌?fù)雜。與其他方案相比，MF-GCC 和限流式DVR 均具有主動(dòng)限制故障電流的能力，有效保證了MFGCC 有源部分的可靠性，但限流式DVR 對(duì)于直流側(cè)容量要求較高?？傮w而言，本文提出的MF-GCC相較于現(xiàn)有功能集成型電能質(zhì)量控制裝置具有優(yōu)勢(shì)。

表1 不同方案對(duì)比Table 1 Comparison of different schemes

4 仿真驗(yàn)證

基于MATLAB/Simulink 軟件搭建仿真模型進(jìn)行分析，對(duì)MF-GCC 可行性與有效性進(jìn)行驗(yàn)證，仿真參數(shù)如附錄A 表A1 所示。

4.1 電網(wǎng)電壓從正常轉(zhuǎn)變至跌落工況下的仿真分析

電網(wǎng)電壓從正常轉(zhuǎn)變至跌落工況下的仿真波形如圖6 所示。0～0.2 s 期間，電網(wǎng)正常（dS=1），MFGCC 處 在 并 聯(lián) 補(bǔ) 償 模 式。圖6（b）顯 示I?S和I?2相 位相差90°，I?S、I?2分別對(duì)應(yīng)I?L的有功、無(wú)功分量。此外，經(jīng)無(wú)功補(bǔ)償后U?S與I?S保持同相，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)的單位功率因數(shù)運(yùn)行，如圖6（c）所示。

0.2～0.4 s 期間，電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落（dS=0.7），各開(kāi)關(guān)按照“S2閉合—S1斷開(kāi)—有源部分驅(qū)動(dòng)信號(hào)切換”的時(shí)序動(dòng)作。由圖6（a）可知，電網(wǎng)電壓跌落時(shí)，串聯(lián)補(bǔ)償模式下MF-GCC 均可實(shí)現(xiàn)良好的電壓補(bǔ)償效果，保證負(fù)載側(cè)電壓幅值不受電網(wǎng)擾動(dòng)的影響。該模式下MF-GCC 中多個(gè)支路的電流波形如圖6（b）和（e）所示?？梢钥闯觯琁?S與I?cn幅值相等、相位 相 反，I?L與I?1+I?cn幅 值 相 等、相 位 相 反，與 理 論 推導(dǎo)一致，仿真結(jié)果充分驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖6 電網(wǎng)電壓從正常轉(zhuǎn)變至跌落工況下的仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of grid voltage transitioning from normal to sag condition

4.2 電網(wǎng)電壓從正常轉(zhuǎn)變至抬升工況下的仿真分析

電網(wǎng)電壓從正常轉(zhuǎn)變至抬升工況下的仿真波形如附錄A 圖A3 所示。0～0.2 s 期間，電網(wǎng)正常運(yùn)行（dS=1），MF-GCC 處在并聯(lián)補(bǔ)償模式。該模式下的運(yùn)行情況分析與4.1 節(jié)中并聯(lián)模式下相同，此處不再重復(fù)。

0.2～0.4 s 期間，電網(wǎng)電壓抬升（dS=1.3）。由附錄A 圖A3（a）可知，MF-GCC 仍可以保證負(fù)載側(cè)電壓幅值不受電網(wǎng)擾動(dòng)的影響。該模式下MF-GCC中多個(gè)支路的電流波形如圖A3（b）和（e）所示。可以 看 出，I?S與I?cn幅 值 相 等、相 位 相 反，I?L與I?1+I?cn幅值相等、相位相反，與理論分析同樣吻合。

4.3 接地故障穿越工況下的仿真分析

接地故障穿越工況下的仿真波形如附錄A 圖A4 所示。0～0.2 s 期間，電網(wǎng)電壓處于跌落狀態(tài)(dS=0.7)，MF-GCC 工作于串聯(lián)電壓補(bǔ)償模式。由圖A4（a）和（c）可知，該模式下MF-GCC 具備良好的電壓補(bǔ)償效果以保證負(fù)載側(cè)電壓幅值不受電網(wǎng)擾 動(dòng) 的 影 響，I?S與I?cn幅 值 相 等、相 位 相 反。0.2 s 發(fā)生接地故障后，由圖A4（a）可知，負(fù)載電壓UL=0，U?tr與U?S幅 值 相 等、相 位 相 反。從 圖A4（b）中 可以 看 出，U?C1、I?2為 零，設(shè) 備 的 有 源 部 分 得 到 保 護(hù)。此外，I?S的幅值被限制在一個(gè)相對(duì)較小的值，如圖A4（c）所示，使得MF-GCC 具有良好的自保護(hù)和故障限流能力。

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于第3 章的仿真模型搭建相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如附錄A 圖A5 所示。主電路仿真模型位于主控制器中，外部控制器選擇DSP28335，實(shí)驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致。

電網(wǎng)電壓從正常轉(zhuǎn)變至跌落然后恢復(fù)正常工況下的實(shí)驗(yàn)波形如圖7 所示。0～0.12 s 及0.28～0.4 s期間，電網(wǎng)電壓正常運(yùn)行（dS=1），MF-GCC 處于并聯(lián)補(bǔ)償模式，變壓器一次側(cè)輸出電壓U?tr為零，電網(wǎng)電壓與電流保持同相。0.12～0.28 s 期間，電網(wǎng)電壓跌落（dS=0.6），MF-GCC 可在串聯(lián)補(bǔ)償模式下實(shí)現(xiàn)良好的電壓補(bǔ)償效果，保證負(fù)載側(cè)電壓幅值不受電網(wǎng)擾動(dòng)的影響。同時(shí)，該模式下I?S與I?cn幅值相等、相位相反，驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖7 dS=0.6 時(shí)電壓跌落條件下的實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Experimental waveforms under voltage-sag condition when dS equals to 0.6

電網(wǎng)電壓從正常轉(zhuǎn)變至抬升然后恢復(fù)正常工況下的實(shí)驗(yàn)波形如附錄A 圖A6 所示。0～0.12 s 以及0.28～0.40 s 期 間，電 網(wǎng) 電 壓 正 常 運(yùn) 行（dS=1），0.12～0.28 s 期間，電網(wǎng)電壓抬升（dS=1.2）。從圖A6 中可以看出，MF-GCC 在電網(wǎng)電壓正常、抬升情況下均可實(shí)現(xiàn)良好的電流、電壓補(bǔ)償效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了MF-GCC 電流、電壓補(bǔ)償功能的有效性。

此外，上述實(shí)驗(yàn)中MF-GCC 從并聯(lián)補(bǔ)償模式切換至串聯(lián)補(bǔ)償模式時(shí)各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序?yàn)椋篠2閉合—S1斷開(kāi)—有源部分驅(qū)動(dòng)信號(hào)切換。MF-GCC 從串聯(lián)補(bǔ)償模式切換至并聯(lián)補(bǔ)償模式時(shí)各開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序?yàn)椋篠1閉合—S2斷開(kāi)—有源部分驅(qū)動(dòng)信號(hào)切換。

6 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)現(xiàn)有串聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置、并聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置、串聯(lián)型與并聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置功能集成方案的設(shè)備利用率低、運(yùn)行可靠性較差等突出問(wèn)題，充分挖掘串聯(lián)型與并聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置的共性和差異性，提出了一種多功能并網(wǎng)變換器。主要結(jié)論如下：

1）MF-GCC 中的變換器環(huán)節(jié)等效于一直工作于并聯(lián)模式，通過(guò)串聯(lián)變壓器接入電網(wǎng)。與傳統(tǒng)串聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置相比，MF-GCC 不直接串聯(lián)在電網(wǎng)中，且僅多了一組開(kāi)關(guān)和一個(gè)電容，即可根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)工作在串聯(lián)電壓補(bǔ)償模式或并聯(lián)電流補(bǔ)償模式，具備電壓補(bǔ)償與無(wú)功電流補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，設(shè)備利用率高、成本低廉。

2）MF-GCC 在電網(wǎng)發(fā)生短路、接地故障情況下，工作于串聯(lián)模式的MF-GCC 有源部分可主動(dòng)退出運(yùn)行，且可有效抑制電網(wǎng)故障電流，有效保證了設(shè)備自身以及接入電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行。

3）在本文研究的基礎(chǔ)上，作者后續(xù)將進(jìn)一步分析電壓波動(dòng)時(shí)的變壓器勵(lì)磁涌流問(wèn)題、模式切換時(shí)的電壓相角跳變對(duì)系統(tǒng)的影響。此外，本文未對(duì)模式切換過(guò)程中裝置的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性等問(wèn)題進(jìn)行深入分析，將在后續(xù)研究中進(jìn)一步開(kāi)展暫態(tài)過(guò)程的分析。

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