姜飛涂春鳴楊健莊士成劉子維

（國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學(xué)）長(zhǎng)沙410082）

適用于主動(dòng)配電網(wǎng)的多功能串聯(lián)補(bǔ)償器研究

姜飛涂春鳴楊健莊士成劉子維

（國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學(xué)）長(zhǎng)沙410082）

提出一種適用于主動(dòng)配電網(wǎng)（ADN）的多功能串聯(lián)補(bǔ)償器（MFSC），可作為分布式能源系統(tǒng)與公共交流配電網(wǎng)的連接接口，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償及故障限流的雙功能。分別分析電網(wǎng)正常運(yùn)行及發(fā)生短路故障下，MFSC的工作原理和直流系統(tǒng)能量平衡原理，并建立MFSC電壓補(bǔ)償及故障限流數(shù)學(xué)模型。此外，提出MFSC的電壓補(bǔ)償模式、故障限流模式、分布式電源與儲(chǔ)能單元協(xié)調(diào)模式的控制策略。最后，在PSCAD/EMTDC仿真軟件上驗(yàn)證了所提新拓?fù)涞挠行裕⒋罱▽?shí)驗(yàn)室平臺(tái)驗(yàn)證了其電壓補(bǔ)償功能及限流功能的正確性。

主動(dòng)配電網(wǎng)多功能故障限流電壓補(bǔ)償

3　引言

隨著各級(jí)政府及居民環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐步提升，分布式能源（如太陽(yáng)能、風(fēng)能等）發(fā)電技術(shù)（Distributed Generation，DG）獲得了蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)配電網(wǎng)需逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)（Active Distribution Network，ADN），以滿足對(duì)分布式能源的主動(dòng)控制及主動(dòng)管理等要求［1，2］。然而，DG大量接入對(duì)ADN系統(tǒng)的電壓、短路容量等造成顯著影響［3］；ADN中的各種類別故障（短路故障、電壓跌落等）也將對(duì)電網(wǎng)設(shè)備安全及高效運(yùn)行產(chǎn)生潛在危害。因此，設(shè)計(jì)一種同時(shí)具備電壓補(bǔ)償與故障限流功能的新拓?fù)?，?duì)傳統(tǒng)配電網(wǎng)向ADN快速轉(zhuǎn)變以及ADN的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

近年來，文獻(xiàn)［4，5］已提出了利用電力電子變換器作為新能源發(fā)電并網(wǎng)接口，同時(shí)具備改善電能質(zhì)量功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［6］提出了將傳統(tǒng)串、并聯(lián)變換器結(jié)構(gòu)與分布式能源、能量存儲(chǔ)進(jìn)行結(jié)合再配置，能夠更好的適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)。此外，串、并聯(lián)變換器的直流側(cè)均可采用獨(dú)立分布式能源供電［7，8］，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，提高變換器運(yùn)行效率。

故障限流器的主流研究方向?yàn)榛陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的固態(tài)限流器和基于超導(dǎo)技術(shù)的超導(dǎo)限流器［9］，主要集中在限流模塊的拓?fù)鋬?yōu)化［10］、控制策略［11，12］及其對(duì)電網(wǎng)的影響［13，14］。文獻(xiàn)［10］提出了一種能夠控制電網(wǎng)正常運(yùn)行下的電壓補(bǔ)償深度及電網(wǎng)短路故障下的電流限制程度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)［11］提出了一種耦合法固態(tài)限流器，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)短路故障電流限制的功能。文獻(xiàn)［12］提出了一種適用于諧振型高頻交流母線新型固態(tài)短路限流器的驅(qū)動(dòng)電源。傳統(tǒng)固態(tài)限流器運(yùn)行機(jī)理是通過對(duì)多個(gè)電力電子器件的通斷來實(shí)現(xiàn)限流模塊投切［15］，因此，本文考慮將固態(tài)限流器與相近似拓?fù)涞碾娔苜|(zhì)量調(diào)節(jié)器復(fù)用，單獨(dú)控制限流模塊，達(dá)到實(shí)現(xiàn)多種電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的功能。文獻(xiàn)［16］建立了帶限流模塊的統(tǒng)一潮流控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（Unified Power Flow Controller，UPFC），具有常規(guī)UPFC和三相橋式固態(tài)限流器的多種功能。文獻(xiàn)［17］分析了基于磁通補(bǔ)償原理的固態(tài)限流器拓?fù)浼霸?。文獻(xiàn)［18］提出了串聯(lián)型有源電力濾波器（Series Active Power Filter，SAPF）的串聯(lián)變壓器二次側(cè)，并聯(lián)變阻器和反并聯(lián)二極管支路方法，能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)變換器的作用，但由于額外增加支路復(fù)雜，且控制難度大，易造成配合失效［19］。由文獻(xiàn)［16-18］可知，通過對(duì)電力電子設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單改進(jìn)或復(fù)用實(shí)現(xiàn)所需額外功能是可行的。經(jīng)調(diào)研，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）拓?fù)洌?0］與固態(tài)限流器拓?fù)洌?1］存在一定的相似性，考慮將固態(tài)限流器與動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器相同結(jié)構(gòu)復(fù)用［22］，作為主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)分布式能源系統(tǒng)與公共交流配電網(wǎng)的一個(gè)連接端口。

本文提出了一種適用于主動(dòng)配電網(wǎng)的多功能串聯(lián)補(bǔ)償器（Multi-Function Series Compensator，MFSC），其交流側(cè)串聯(lián)接入公共交流配電網(wǎng)，分布式能源系統(tǒng)的直流母線通過DC-DC雙向變換器與MFSC的直流側(cè)電容連接，可為MFSC提供穩(wěn)定的直流側(cè)電壓。當(dāng)電網(wǎng)未發(fā)生短路故障時(shí)，MFSC實(shí)現(xiàn)對(duì)交流配電網(wǎng)的電壓暫升、暫降調(diào)節(jié)；當(dāng)公共交流配電網(wǎng)負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，MFSC能有效隔離交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)交流系統(tǒng)故障電流的限制功能。分析了MFSC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作機(jī)理及控制策略，并在PSCAD/ EMTDC仿真軟件上驗(yàn)證了所提新拓?fù)涔δ艿挠行?，搭建?shí)驗(yàn)室樣機(jī)平臺(tái)驗(yàn)證了MFSC的電壓補(bǔ)償功能及故障限流功能的正確性。

1　MFSC的拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

1.1MFSC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于多功能串聯(lián)補(bǔ)償器的主動(dòng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1a中的分布式能源系統(tǒng)含有分布式電源（以光伏陣列為例）、儲(chǔ)能單元（蓄電池）以及直流負(fù)載（小型化直流樓宇、數(shù)據(jù)中心負(fù)載等），經(jīng)過MFSC與公共交流配電網(wǎng)相連，光伏陣列與儲(chǔ)能單元為直流負(fù)載與MFSC直流側(cè)提供能量。直流母線與MFSC之間增設(shè)雙向DC-DC電路，目的是為了獲取MFSC直流側(cè)所需等級(jí)的電壓幅值，同時(shí)避免MFSC直流側(cè)電壓波動(dòng)對(duì)分布式能源系統(tǒng)的影響。

單相多功能串聯(lián)補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)如圖1b所示，串聯(lián)逆變器通過LC濾波器接于串聯(lián)變壓器T的二次側(cè)，串聯(lián)變壓器一、二次電壓比為k，LC濾波器用于濾除逆變器輸出的高次諧波；一組反并聯(lián)晶閘管并聯(lián)在串聯(lián)逆變器交流輸出端的兩側(cè)，控制反并聯(lián)晶閘管的通斷能夠?qū)崿F(xiàn)電壓補(bǔ)償功能與故障限流功能的切換；區(qū)域D為不同功能運(yùn)行模式下的公共拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖1　基于多功能串聯(lián)補(bǔ)償器的主動(dòng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of active distribution network based on the MFSC

一方面，公共交流配電系統(tǒng)未發(fā)生短路故障。當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到額定值時(shí)，光伏陣列采用最大功率點(diǎn)輸出能量，在滿足能量需求平衡條件下，將剩余功率存儲(chǔ)至蓄電池；當(dāng)光照強(qiáng)度未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，需要蓄電池放電來補(bǔ)充直流負(fù)載所需能量，且光伏電池工作在最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）狀態(tài)，能夠最大限度的利用太陽(yáng)能；交流配電網(wǎng)發(fā)生電壓波動(dòng)時(shí)，逆變器輸出補(bǔ)償電壓所需的能量能夠完全由分布式能源系統(tǒng)提供。另一方面，公共交流配電系統(tǒng)負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障?？刂葡到y(tǒng)檢測(cè)故障發(fā)生后，立即封鎖故障相的IGBT觸發(fā)脈沖，延時(shí)導(dǎo)通反并聯(lián)晶閘管支路，使分布式能源系統(tǒng)與公共交流配電網(wǎng)分離，濾波電感L通過反并聯(lián)晶閘管支路串連接入交流配電系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)故障限流功能。

該新型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：①協(xié)調(diào)控制光伏、儲(chǔ)能單元的能量流動(dòng)，為MFSC直流側(cè)穩(wěn)壓提供能量，有效補(bǔ)償公共交流配電網(wǎng)電壓的長(zhǎng)時(shí)間、深度跌落，同時(shí)提高分布式能源系統(tǒng)的利用效率；②作為分布式能源與公共交流配電網(wǎng)的連接裝置，故障情況下能實(shí)現(xiàn)兩者的靈活分離，并具備對(duì)后者的限流保護(hù)功能，較大限度提升設(shè)備利用價(jià)值。

1.2MFSC的工作原理

1.2.1電壓補(bǔ)償功能原理

公共交流配電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落，MFSC處于電壓補(bǔ)償模式，結(jié)構(gòu)類似于傳統(tǒng)DVR，如圖2所示。MFSC的電壓源型變換器可看成串聯(lián)于電源和負(fù)載之間的受控電壓源u0，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償系統(tǒng)電壓跌落。而MFSC的直流側(cè)能量由分布式電源通過直流母線經(jīng)DC-DC變換器提供，分布式能源系統(tǒng)帶有儲(chǔ)能單元，因此具備較大的電壓輸出能力，能夠補(bǔ)償深度電壓跌落。

圖2　電壓補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit in voltage compensation mode

根據(jù)圖2，若忽略公共交流配電網(wǎng)阻抗Zs及線路阻抗Zl，當(dāng)電壓跌落后，全補(bǔ)償方式下［23］

式中：udvr為MFSC輸出的補(bǔ)償電壓；usag為跌落后的交流系統(tǒng)電壓；uLref為交流系統(tǒng)期望負(fù)載側(cè)瞬時(shí)電壓。可見，補(bǔ)償電壓大小是通過檢測(cè)跌落前負(fù)載側(cè)電壓值和跌落時(shí)的電壓值計(jì)算得出，實(shí)現(xiàn)負(fù)載側(cè)電壓恒定。因此，準(zhǔn)確檢測(cè)電源電壓相位及幅值對(duì)于補(bǔ)償效果十分關(guān)鍵。由于串聯(lián)變壓器一次電壓udvr是通過二次側(cè)回路控制產(chǎn)生，對(duì)串聯(lián)變壓器二次側(cè)電路有

式中：L為MFSC輸出濾波電感；串聯(lián)變壓器T的一、二次電壓比為k；iL為交流系統(tǒng)負(fù)載電流。假設(shè)忽略流過LC濾波器的濾波電容C上流過的基波電流，逆變器輸出的基波電流可表示為i0=-kiL，則式（2）轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>

式中：uc為串聯(lián)變壓器二次電壓。由式（1）～式（3），求得在交流系統(tǒng)電源側(cè)電壓跌落值為usag，負(fù)載側(cè)電壓補(bǔ)償?shù)嚼硐胫祏Lref時(shí)，MFSC變流器交流側(cè)需輸出的基波電壓為

1.2.2故障限流功能原理

公共交流配電網(wǎng)負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，封鎖IGBT脈沖，延時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通反并聯(lián)晶閘管，MFSC將主動(dòng)配電網(wǎng)分為兩個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)，即分布式能源系統(tǒng)和公共交流配電網(wǎng)系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)除維持MFSC直流側(cè)電容電壓穩(wěn)定及負(fù)載正常運(yùn)行外，內(nèi)部多余的能量存儲(chǔ)至儲(chǔ)能單元。故障消除后，由于MFSC的直流側(cè)電壓維持在恒定值，MFSC能夠迅速連通分布式電源與公共交流配電網(wǎng)，加速恢復(fù)正常供電。MFSC在限流模式下的等效電路如圖3所示。

圖3　故障限流功能實(shí)現(xiàn)的等效電路圖Fig.3 The equivalent circuit in current-limitingmode

故障期間，系統(tǒng)電流急劇增大，封鎖多功能串聯(lián)補(bǔ)償器故障相逆變器的工作脈沖，IGBT不再導(dǎo)通，延時(shí)等待后，晶閘管支路將故障相濾波電感L等效串聯(lián)接入交流系統(tǒng)。由于濾波電容C的基波阻抗遠(yuǎn)大于電感L的基波阻抗，因此

串聯(lián)變壓器一次側(cè)的等效限流阻抗為

式中：k為串聯(lián)變壓器一、二次電壓比。當(dāng)反并聯(lián)晶閘管控制短路支路導(dǎo)通后，故障電流被限制為

式中：Zs為公共交流系統(tǒng)阻抗；Zl為交流系統(tǒng)線路阻抗。通常Zs和Zl很小，因此，限流后交流配電網(wǎng)系統(tǒng)中的故障電流大小主要取決于串入的等效限流阻抗Zeq，其由串聯(lián)變壓器一、二次電壓比k和輸出濾波電感L的大小共同決定。

1.2.3直流系統(tǒng)能量平衡原理

MFSC直流側(cè)電容通過DC-DC雙向變換器與分布式能源系統(tǒng)的直流母線相連；光伏發(fā)電單元通過DC-DC變換器向直流母線提供能量；儲(chǔ)能單元（蓄電池）通過雙向DC-DC變換器連接在直流母線，能夠?qū)崿F(xiàn)能量交換；直流負(fù)載消耗能量。下面通過4個(gè)模式分析直流系統(tǒng)能量流動(dòng)，示意圖如圖4所示。

1）模式一：光伏發(fā)電單元單獨(dú)向儲(chǔ)能單元、直流負(fù)載供電模式。包括：當(dāng)儲(chǔ)能單元能量較低，且公共交流配電網(wǎng)無需電壓補(bǔ)償；當(dāng)公共交流配電網(wǎng)中發(fā)生短路故障時(shí)，MFSC切換至短路限流模式，其直流側(cè)僅與DC-DC雙向變換器相連。以上情況光伏電池采用MPPT控制，并維持直流母線電壓恒定，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電單元輸出功率與儲(chǔ)能單元、直流負(fù)載吸收功率及系統(tǒng)器件損耗相等。

2）模式二：光伏發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元作為雙電源供電模式。當(dāng)公共交流配電網(wǎng)系統(tǒng)需電壓補(bǔ)償時(shí)，逆變器開始向電網(wǎng)傳輸能量，若光伏發(fā)電單元輸出能量不能同時(shí)滿足直流負(fù)載及交流側(cè)電壓補(bǔ)償所需能量時(shí)，由儲(chǔ)能單元提供功率缺額。

3）模式三：光伏發(fā)電單元給儲(chǔ)能單元和逆變器提供能量模式。隨著光照強(qiáng)度的不斷增大，光伏發(fā)電單元的輸出功率不斷增加，當(dāng)輸出功率超過直流負(fù)載、器件損耗及MFSC所需能量之和時(shí)，堆積在直流母線上的功率將造成母線電壓升高，立即起動(dòng)儲(chǔ)能單元，維持直流母線電壓穩(wěn)壓。

4）模式四：儲(chǔ)能單元獨(dú)立向整個(gè)系統(tǒng)供電模式。當(dāng)光照強(qiáng)度不足或處于夜晚時(shí)，光伏發(fā)電單元停止供電。除滿足直流負(fù)載正常功率需求及器件損耗外，交流配電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落，需進(jìn)行電壓補(bǔ)償時(shí)，交流系統(tǒng)所需能量將由儲(chǔ)能單元提供，儲(chǔ)能單元的雙向變換器處于boost模式，可實(shí)現(xiàn)分布式能源系統(tǒng)電壓恒定。

2　MFSC的控制策略

2.1電壓補(bǔ)償功能控制

MFSC分相控制可實(shí)現(xiàn)公共交流配電網(wǎng)系統(tǒng)各相電壓靈活補(bǔ)償，以A相為例進(jìn)行說明，如圖5所示。捕獲交流系統(tǒng)A相電壓esa相位，生成所需參考電壓的標(biāo)準(zhǔn)正弦指令ULref，計(jì)算公共交流系統(tǒng)基波電壓Usag，Uref減去Usag得到基波電壓的波動(dòng)指令Udvr，Udvr除以一、二次電壓比k后，與串聯(lián)變壓器二次側(cè)輸出電壓Uc相減，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)控制，得到補(bǔ)償電壓的PWM信號(hào)。若線路發(fā)生了短路故障，通過故障電流檢測(cè)判斷輸出故障信號(hào)，閉鎖后將PWM信號(hào)封鎖，故該相IGBT不再開通。

圖5　MFSC單相控制策略Fig.5 Control strategy of the single-phase of the MFSC

2.2故障限流功能控制

當(dāng)短路故障發(fā)生，檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)短路電流超過限定值時(shí)，延時(shí)待故障相開關(guān)管徹底關(guān)斷后導(dǎo)通晶閘管支路，故障相輸出濾波電感被短接入串聯(lián)變壓器二次側(cè)，等效阻抗耦合至線路進(jìn)行限流，限流后電流大小可由式（7）計(jì)算得出。為防止諸如潮流變化現(xiàn)象引起的電流突增，進(jìn)而導(dǎo)致故障電流瞬時(shí)值檢測(cè)誤動(dòng)作，以及非金屬性接地導(dǎo)致的故障點(diǎn)電壓不為零等情況的出現(xiàn)，本文提出，當(dāng)連續(xù)檢測(cè)多個(gè)交流系統(tǒng)負(fù)載側(cè)電流瞬時(shí)值、串聯(lián)變壓器二次側(cè)電壓瞬時(shí)值大于故障動(dòng)作值同時(shí)出現(xiàn)，才能判斷公共交流配電網(wǎng)發(fā)生短路故障。公共交流配電系統(tǒng)為中性點(diǎn)不接地［24］，則：

1）公共交流配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，三相MFSC中的反并聯(lián)晶閘管處于關(guān)斷狀態(tài)，各相均工作于電壓調(diào)節(jié)模式。

2）公共交流配電網(wǎng)發(fā)生單相短路故障時(shí)，故障相電流很小，交流系統(tǒng)允許帶故障持續(xù)運(yùn)行，MFSC中非故障相工作在電壓調(diào)節(jié)模式。

3）公共交流配電網(wǎng)發(fā)生兩相接地短路及相間短路故障時(shí)，控制系統(tǒng)檢測(cè)到故障相串聯(lián)變壓器兩端電壓迅速增大，交流線路電流也同時(shí)迅速增大，分別控制故障相工作在限流模式，非故障相工作在電壓調(diào)節(jié)模式。

4）公共交流配電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障時(shí)，控制系統(tǒng)檢測(cè)到三相交流線路電流迅速增大，且落在串聯(lián)變壓器兩側(cè)的電壓突增，控制MFSC各相均切換至故障限流模式。

5）若短路故障消失后，MFSC應(yīng)由故障限流工作模式切換至電壓調(diào)節(jié)模式，加速故障后公共交流配電網(wǎng)的系統(tǒng)電壓恢復(fù)。

2.3光伏發(fā)電與儲(chǔ)能單元協(xié)調(diào)控制

1）光伏發(fā)電控制

檢測(cè)光伏發(fā)電單元的輸出UPV、IPV，通過升壓電路使得UPV跟隨參考電壓其中，參考電壓通過MPPT控制器給定，控制光伏發(fā)電單元實(shí)現(xiàn)最大功率輸出［25］。光伏發(fā)電單元的boost控制如圖6所示。

圖6　光伏發(fā)電單元中boost控制Fig.6 Boost control in photovoltaic

2）儲(chǔ)能單元控制策略

充電模式：儲(chǔ)能單元的雙向變換器工作在buck模式，采用恒壓控制，外環(huán)為儲(chǔ)能單元電壓環(huán)，經(jīng)PI控制，然后通過限幅環(huán)節(jié)，內(nèi)環(huán)為儲(chǔ)能單元電流環(huán)［25］，如圖7所示。

圖7　儲(chǔ)能單元充電模式的控制策略Fig.7 The control strategy of the energy storage unit

放電模式：儲(chǔ)能單元的雙向變換器工作在boost模式，控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)，外環(huán)為直流母線電壓控制環(huán)，經(jīng)PI控制，然后通過限幅環(huán)節(jié)，內(nèi)環(huán)為儲(chǔ)能單元電流控制環(huán)，電流限幅控制可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能單元的放電電流限制［25］，如圖8所示。

圖8　儲(chǔ)能單元放電模式的控制策略Fig.8 The control strategy of the battery dischargemode

3）儲(chǔ)能單元模式切換策略

當(dāng)光伏發(fā)電單元輸出功率增大，需要儲(chǔ)能單元吸收多余功率，使得分布式能源系統(tǒng)的直流母線電壓保持穩(wěn)定。若光伏發(fā)電單元輸出功率為PPV、MFSC吸收功率為Pin、直流負(fù)載消耗功率為Pload_dc，當(dāng)PPV＞（Pin+ Pload_dc）時(shí)，儲(chǔ)能單元工作在充電模式，當(dāng)PPV＜（Pin+ Pload_dc）時(shí)，儲(chǔ)能單元工作在放電模式。

3　仿真與實(shí)驗(yàn)

3.1MFSC多功能的仿真驗(yàn)證

本文提出了一種適用于主動(dòng)配電網(wǎng)的MFSC拓?fù)浼捌淇刂撇呗?，采用PSCAD/EMTDC仿真軟件驗(yàn)證其電壓補(bǔ)償及故障電流限制功能的有效性。仿真系統(tǒng)選取的公共交流配電網(wǎng)為中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，額定系統(tǒng)電壓為10 kV，負(fù)載額定容量為1 MW，具體參數(shù)如附表1所示。本文通過對(duì)公共交流配電網(wǎng)中發(fā)生最惡劣的三相短路故障電流限制及電壓暫升、暫降補(bǔ)償?shù)哪M仿真，驗(yàn)證了MFSC多功能的有效性。

1）電壓補(bǔ)償性能仿真

如圖9所示，若0.2 s時(shí)公共交流配電網(wǎng)發(fā)生三相電壓跌落，跌落電壓幅值為20%?？刂葡到y(tǒng)檢測(cè)到交流配電系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落后，發(fā)出補(bǔ)償指令，通過串聯(lián)變壓器輸出補(bǔ)償電壓串入輸電線路，以實(shí)現(xiàn)交流負(fù)載側(cè)電壓ULoad恒定，如圖9b所示。此時(shí)刻，MFSC的直流側(cè)電壓存在一定壓降，但能迅速恢復(fù)至800 V附近。0.3 s時(shí)交流配電系統(tǒng)電壓恢復(fù)至正常值，此時(shí)，串聯(lián)變壓器兩端電壓恢復(fù)正常。若0.4 s時(shí)公共交流配電網(wǎng)三相電壓抬升，抬升幅度為20%。當(dāng)MFSC檢測(cè)到系統(tǒng)發(fā)生暫升時(shí)，立即發(fā)出補(bǔ)償電壓指令，使得系統(tǒng)電壓維持在正常運(yùn)行。此過程中，直流側(cè)電壓稍許抬升，但能恢復(fù)至穩(wěn)定值附近。整個(gè)電壓暫升、暫降過程，MFSC的反并聯(lián)晶閘管支路未投入，負(fù)載電壓幾乎不變，實(shí)現(xiàn)了電壓補(bǔ)償功能。

圖9　公共交流配電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落/抬升Fig.9 Voltage sags/swells in the system

2）故障限流性能仿真

如圖10所示，若在0.55 s公共交流配電網(wǎng)負(fù)載側(cè)發(fā)生三相短路故障，持續(xù)時(shí)間為0.1 s。在0.55～0.65 s期間，負(fù)載側(cè)電壓為零，負(fù)載電流迅速增大，分別如圖10b、圖10c所示?？刂葡到y(tǒng)檢測(cè)到負(fù)載電流迅速增大，判斷故障發(fā)生后，立即導(dǎo)通晶閘管支路，MFSC切換至限流模式。由式（6）可知，此刻MFSC呈現(xiàn)高阻抗，大部分壓降落在串聯(lián)變壓器兩端，使得線路故障電流限制在約281.5 A，實(shí)現(xiàn)保護(hù)交流配電網(wǎng)中各類型設(shè)備免受大電流沖擊。當(dāng)三相短路故障消失，MFSC能迅速恢復(fù)至電壓調(diào)節(jié)模式，無沖擊。由圖10e可見，故障期間，MFSC能夠使得分布式電源系統(tǒng)與公共交流配電網(wǎng)有效分離，且直流側(cè)電壓能夠維持穩(wěn)定，短路沖擊較小，可實(shí)現(xiàn)故障限流功能。

圖10　公共交流配電網(wǎng)發(fā)生三相接地短路故障Fig.10 Three-phase downstream fault in the system

3.2MFSC多功能的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

由于本文提出的MFSC為三單相拓?fù)?，各相控制策略相同，因此?shí)驗(yàn)室僅搭建單相樣機(jī)，驗(yàn)證短路故障電流限制及電壓補(bǔ)償功能，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如附表2所示。采用交流調(diào)壓器模擬的公共交流配電網(wǎng)電壓為110 V，MFSC的直流側(cè)電容接至直流母線。電壓補(bǔ)償功能、短路限流功能實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖11、圖12所示。

圖11　電壓補(bǔ)償功能實(shí)驗(yàn)Fig.11 Experiments of the voltage compensation function

圖12　限流功能實(shí)驗(yàn)Fig.12 Experiments of the fault current limiting function

1）電壓補(bǔ)償性能實(shí)驗(yàn)

模擬公共交流配電網(wǎng)的電壓有效值由110 V下降至80 V，當(dāng)MFSC的控制系統(tǒng)檢測(cè)到配電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時(shí)，立即發(fā)出補(bǔ)償電壓指令，保證交流系統(tǒng)供電電壓維持恒定，如圖11所示。整個(gè)暫降過程中，MFSC的晶閘管支路未投入?？梢?，MFSC的電壓補(bǔ)償功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。

2）故障限流性能實(shí)驗(yàn)

假設(shè)正常運(yùn)行時(shí)電阻負(fù)載為20Ω，若t1時(shí)刻在負(fù)載側(cè)并聯(lián)5Ω電阻，等效電阻變?yōu)?Ω，負(fù)載電流顯著增大，模擬公共交流電網(wǎng)側(cè)發(fā)生短路故障；t3時(shí)刻切除5Ω電阻，電阻負(fù)載恢復(fù)至20Ω，負(fù)載電流突然變小，模擬短路故障消除。

如圖12a所示，t1時(shí)刻模擬公共交流電網(wǎng)短路故障發(fā)生，控制系統(tǒng)檢測(cè)到短路故障發(fā)生后立即封鎖MFSC中的IGBT信號(hào)，延遲在t2時(shí)刻導(dǎo)通晶閘管支路，濾波電感通過串聯(lián)變壓器串入公共交流電網(wǎng)，MFSC實(shí)現(xiàn)限制短路電流功能。t1～t2時(shí)間段為裝置限流功能投入的暫態(tài)過程，此期間，晶閘管兩端開始承受經(jīng)串聯(lián)變壓器耦合到二次側(cè)的電壓，由于受較大的串聯(lián)變壓器勵(lì)磁阻抗影響，負(fù)載電流在t1～t2時(shí)間段迅速變小。MFSC運(yùn)行模式改變時(shí)，直流側(cè)電壓Udc在一個(gè)微小抬升后能夠迅速維持穩(wěn)定。由于MFSC在短路電流限制狀態(tài)下，理論等效到一次側(cè)的阻抗約為0.502 4Ω，因此，計(jì)算進(jìn)行限流后公共交流系統(tǒng)的故障電流約為24.43 A?？紤]到線路阻抗及串聯(lián)變壓器漏抗的影響，ILoad實(shí)際值應(yīng)稍小于理論值。

如圖12b所示，t3時(shí)刻模擬公共交流電網(wǎng)短路故障消除，控制系統(tǒng)檢測(cè)到短路故障消除后，立即去除雙向晶閘管的導(dǎo)通信號(hào)，待其承受反壓且電流降到維持電流以下后才能完全關(guān)斷，晶閘管支路電流變?yōu)榱?。在t3～t4時(shí)間段為裝置限流功能退出的暫態(tài)過程。此期間，模擬公共交流電網(wǎng)恢復(fù)過程中受串聯(lián)變壓器勵(lì)磁阻抗及濾波電容的影響，負(fù)載電流在t3～t4時(shí)間段迅速變小。t4時(shí)刻后，IGBT導(dǎo)通，MFSC重新進(jìn)入到電壓調(diào)節(jié)模式。此過程中MFSC的直流側(cè)電壓Udc幾乎維持不變?？梢?，MFSC的限流功能能夠正常實(shí)現(xiàn)。

3　結(jié)論

本文提出了一種多功能串聯(lián)補(bǔ)償器，其直流側(cè)能量由分布式電源與儲(chǔ)能單元通過直流母線可靠供給，當(dāng)公共交流配電網(wǎng)未發(fā)生短路故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓跌落及抬升的可靠補(bǔ)償；當(dāng)公共交流配電網(wǎng)負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，能夠快速分離分布式能源系統(tǒng)與公共交流配網(wǎng)，并對(duì)交流系統(tǒng)中的短路電流進(jìn)行迅速限制。

1）所提MFSC系統(tǒng)采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)用技術(shù)，可將其作為分布式能源系統(tǒng)與公共交流配電網(wǎng)的一種連接裝置。其直流側(cè)通過分布式電源提供可靠能量，解決了原有電網(wǎng)補(bǔ)償裝置在深度電壓補(bǔ)償時(shí)能量不足的問題。

2）MFSC系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用于需同時(shí)考慮優(yōu)化電能質(zhì)量及故障電流限制的復(fù)雜配網(wǎng)系統(tǒng)，也可在交直流混合配網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮一定作用。本文重點(diǎn)研究了MFSC多功能實(shí)現(xiàn)的可行性，但對(duì)于分布式能源系統(tǒng)與公共交流配電網(wǎng)的交互影響仍需深入研究。

附錄

附表1仿真參數(shù)App.Tab.1 Data of the simulation

附表2實(shí)驗(yàn)參數(shù)App.Tab.2 Experimental conditions

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M ulti-function Series Com pensator for Active Distribution Network

Jiang Fei Tu Chunming Yang Jian Zhuang Shicheng Liu Ziwei
（National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center Hunan University Changsha 410082 China）

A multi-function series compensator（MFSC）for active distribution network（ADN）is proposed in this paper.MFSC could act as a connection interface between the distribution energy and the public AC grid.It also realizes the voltage compensation and fault-current limiting function.In addition，the operation principles of the MFSC system are analyzed in the normal operation mode and the faultmode，respectively.The mathematical models for voltage compensation and short-current limiting are established thereafter.Moreover，the control schemes of the MFSC in the voltage compensation mode and the fault-current limitingmode，and the coordinated control schemes between the distributed generation and the energy storage unit are proposed.Finally，the effectiveness of the new topology is verified by the PSCAD/EMTDC simulation software，and the correctness of the voltage compensation function and the fault-current limiting function are proved with the laboratory prototype.

Active distribution network，multi-function，fault-current limiting，voltage compensation

TM315

姜飛男，1985年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。（通信作者）

涂春鳴男，1976年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

國(guó)家自然科學(xué)基金（51377051）資助項(xiàng)目。

2015-06-01改稿日期2015-10-10