郭成,涂春鳴,鄧樹

(1.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410082)

新型電能質(zhì)量控制裝置可行性研究

郭成1,涂春鳴2,鄧樹2

(1.云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,昆明 650217；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410082)

針對(duì)配電網(wǎng)的電能質(zhì)量及短路電流問題,提出一種新型電能質(zhì)量控制裝置 (a Novel Power Quality Controller),可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓暫升、暫降、三相電壓不平衡和短路故障限流的功能。分析了NPQC中并聯(lián)變流器與串聯(lián)變流器的PWM控制方式和反并聯(lián)晶閘管的短路控制方式；研究了NPQC的電壓質(zhì)量補(bǔ)償特性和限流特性；描述了NPQC在電壓質(zhì)量補(bǔ)償狀態(tài)與短路故障限流狀態(tài)下的能量流動(dòng)。最后通過仿真分析驗(yàn)證了新型電能質(zhì)量控制裝置的可行性。

新型電能質(zhì)量控制器；固態(tài)限流器；控制方式；能量流動(dòng)

0 前言

電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,智能電網(wǎng)、特高壓大電網(wǎng)以及新能源發(fā)電等迅速發(fā)展,使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電源類型、負(fù)荷特性等產(chǎn)生新的變化,特別是光伏發(fā)電、風(fēng)電、小水電等多類型分布式電源不斷并網(wǎng),使得電網(wǎng)的功率波動(dòng)性、間歇性和不確性特征日益凸顯[1-3]。系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,一是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)短路容量增加,二是會(huì)加劇電網(wǎng)的電能質(zhì)量污染,如電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、諧波等。

動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器[4-5]與固態(tài)限流器[6]是電力電子器件誕生后發(fā)展起來的兩種電力控制技術(shù)。動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器可連續(xù)、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電壓暫升與暫降,波動(dòng)與閃變以及三相不平衡等電壓質(zhì)量問題。固態(tài)限流器在電網(wǎng)正常時(shí),對(duì)基波的阻抗近似為零,在電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí),可實(shí)現(xiàn)故障限流,且動(dòng)作靈活可多次操作。

基于動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器與固態(tài)限流器在裝置構(gòu)成、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、入網(wǎng)方式等方面存在的相通性,本文提出了一種新型多功能固態(tài)限流器 (NPQC),并闡述了NPQC中串、并聯(lián)變流器與雙向晶閘管的控制方式；然后分析了NPQC在電壓質(zhì)量補(bǔ)償狀態(tài)與故障限流狀態(tài)下的工作特性和能量流動(dòng)特性；最后通過仿真結(jié)果驗(yàn)證了新型固態(tài)限流器在不同運(yùn)況下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功能特性和控制方式的可行性與正確性。

1 NPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出的具有補(bǔ)償電壓暫升、暫降、三相不平衡和抑制系統(tǒng)短路電流功能的新型固態(tài)限流器,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。NPQC主要由并聯(lián)變流器、串聯(lián)變流器、直流儲(chǔ)能單元和雙向晶閘管支路構(gòu)成；其中并聯(lián)變流器采用三相全控H橋構(gòu)成,直流儲(chǔ)能單元為電容器組,串聯(lián)變流器為三個(gè)單相H橋,串聯(lián)變流器與并聯(lián)變流器通過共用直流側(cè)電容實(shí)現(xiàn)能量共享；串聯(lián)變流器采用LC型輸出濾波器,雙向晶閘管支路與LC濾波器并聯(lián),且設(shè)置于串聯(lián)變流器IGBT橋臂輸出點(diǎn)之間。

圖1 NPQC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 NPQC的控制方式

2.1 并聯(lián)變流器雙閉環(huán)控制

電網(wǎng)的電壓暫升、暫降、三相不平衡等問題,會(huì)造成直流側(cè)電壓的波動(dòng),可以采用電壓和電流的雙閉環(huán)控制以提高控制的精確度和控制的靈活性,如圖2所示。

圖2 并聯(lián)變流器的雙閉環(huán)控制

2.2 串聯(lián)變流器與雙向晶閘管控制

圖3 串聯(lián)變流器與雙向晶閘管的單相控制方式

串聯(lián)變流器與雙向晶閘管的單相控制方式,如圖3所示。通過捕獲A相電壓esa相位,生成所需要補(bǔ)償?shù)降南嚯妷旱臉?biāo)準(zhǔn)正弦指令Uref,計(jì)算電源基波電壓Usf,Uref減去Usf得到基波電壓的波動(dòng)指令Ur,Ur除以串聯(lián)變壓器變比k后與二次側(cè)輸出Uc相減,經(jīng)過PWM指令計(jì)算后得到IGBT的控制信號(hào)。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí),NPQC進(jìn)入限流狀態(tài)：一方面形成封鎖信號(hào)將A相PWM信號(hào)封鎖使其IGBT全部關(guān)斷,另一方面通過延時(shí)觸發(fā)A相的雙向晶閘管使A相串聯(lián)變流器輸出電抗短接到串聯(lián)變壓器的副邊側(cè)進(jìn)行限流,其中的延時(shí)時(shí)間只要等待IGBT完全關(guān)斷即可。其它兩相的控制方式與A相相同。

3 NPQC的補(bǔ)償特性與限流特性

3.1 電壓補(bǔ)償特性

圖4中,ui為變流器輸出電壓,Lc為變流器濾波電感,Cc為變流器濾波電容,Rc為變流器開關(guān)損耗的等效電阻與濾波電感實(shí)際電阻之和,串聯(lián)變壓器的變比為k∶1,為串聯(lián)變壓器高壓側(cè)折算到二次側(cè)的漏阻抗,變壓器勵(lì)磁阻抗很大,可以看作開路,為串聯(lián)變壓器一側(cè)折算到二次側(cè)的電壓,為折算到二次側(cè)的系統(tǒng)電流。

圖4 電壓補(bǔ)償狀態(tài)的NPQC等效模型

根據(jù)基爾霍夫電壓電流定理有：

對(duì)式 (1)進(jìn)行拉氏變換,得：

由上式可見串聯(lián)變壓器一次側(cè)輸出電壓uT與變流器輸出電壓ui和系統(tǒng)電流is有關(guān)。變流器輸出電壓ui為受控輸出量,系統(tǒng)電流is為擾動(dòng)輸入變量。根據(jù)檢測(cè)算法算出的參考電壓uref,按照PWM控制方法,使變流器輸出幅值相等,脈寬不同的電壓ui,經(jīng)過濾波后,通過串聯(lián)變壓器耦合到電網(wǎng)中。

3.2 限流特性

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí),串聯(lián)變流器故障相橋臂的工作脈沖封鎖,其IGBT不再開通,非故障相變流器持續(xù)運(yùn)行；封鎖后的故障相串聯(lián)變流器與并聯(lián)變流器相當(dāng)于開路；雙向晶閘管導(dǎo)通后,串聯(lián)變流器輸出電抗器被短路到串聯(lián)變壓器的二次側(cè),其等效電路模型如下圖5所示。

圖5 限流狀態(tài)的NPQC等效模型

Lc為變流器輸出電感,基波阻抗為Z1=wLc；串聯(lián)變流器LC輸出濾波器諧振在高頻,其諧振次數(shù)為n,則w為基波角頻率,則為盡可能濾除開關(guān)毛刺使諧振次數(shù)n很大,所以n2＞＞1使即電容的基波阻抗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輸出電感的基波阻抗,使流入電容的基波電流幾乎為零。串聯(lián)變壓器的變比為k,則輸出電抗在一次側(cè)的基波阻抗為 Zeq= k2wLc。由于變比k較大,k2＞＞1,則Zeq＞＞Zl和Zs,由此短路電流被限制為：

4 NPQC運(yùn)行過程中的能量分析

4.1 電壓補(bǔ)償狀態(tài)下的能量流動(dòng)分析

圖6 電壓補(bǔ)償狀態(tài)能量流圖

NPQC在進(jìn)行電壓補(bǔ)償時(shí),不同情況下的補(bǔ)償狀態(tài)其能量流動(dòng)的方向是不同,如上圖6中所示。在電網(wǎng)電壓正常無波動(dòng)時(shí),限流器通過并聯(lián)變流器從電網(wǎng)汲取能量以彌補(bǔ)各部分的損耗實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定；電網(wǎng)電壓發(fā)生三相暫降時(shí),限流器從電網(wǎng)側(cè)汲取能量,通過串聯(lián)變流器注入電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓的穩(wěn)定；當(dāng)發(fā)生三相電壓暫升時(shí),限流器通過從負(fù)載側(cè)吸收能量返送回電網(wǎng)側(cè)達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載電壓的目的；當(dāng)電網(wǎng)電壓有一相暫升 (A相),一相暫降(B相)時(shí),限流器從A相汲取的能量與從電網(wǎng)側(cè)汲取的能量在直流儲(chǔ)能單元處匯流,注入到B相,若維持B相負(fù)載電壓穩(wěn)定所需的能量小于從A相負(fù)載汲取的能量,其盈余部分會(huì)通過并聯(lián)變流器送回電網(wǎng)側(cè)；如電網(wǎng)發(fā)生兩相暫升 (A,C相),一相暫降(B相),則限流器從A,C相吸收的能量和從電網(wǎng)吸收的能量在直流儲(chǔ)能單元處匯合,匯合后的能量流向B相,若維持B相負(fù)載電壓穩(wěn)定所需的能量小于從A,C相負(fù)載吸收的能量,則超出的部分能量將通過并聯(lián)變流器回送電網(wǎng)；若發(fā)生兩相暫降 (A, C相),一相暫升 (B相)時(shí),限流器從B相負(fù)載處吸收的能量與從電網(wǎng)汲取的能量在限流器的直流儲(chǔ)能單元處匯流,匯合的能量通過串聯(lián)變流器注入到A,C相負(fù)載中以維持負(fù)載電壓穩(wěn)定,如果從B相負(fù)載吸收的能量大于注入到A,C相的能量,其盈余部分將通過并聯(lián)變流器流回電網(wǎng)。

4.2 限流狀態(tài)下的能量分析

在限流狀態(tài)中,NPQC在電網(wǎng)中對(duì)基波的等效阻抗為Zeq,電網(wǎng)除了向非故障相提供能量之外,也會(huì)有電流流過Zeq,由于器件的材料等因素不可能完全為感性,故也會(huì)有有功能量消耗在Zeq上。而在限流狀態(tài)下,Zeq與限流態(tài)的串聯(lián)變流器處于等效分離狀態(tài),即Zeq與NPQC并聯(lián)變流器之間沒有能量交換。如圖7所示限流狀態(tài)下的能量流圖,若發(fā)生電源電壓的波動(dòng)時(shí),在單相限流狀態(tài)和兩相限流狀態(tài)中,能量在非故障相的串聯(lián)變流器和并聯(lián)變流器中通過儲(chǔ)能單元實(shí)現(xiàn)負(fù)載與電源側(cè)的能量交換；在三相限流狀態(tài)中,限流器僅從電網(wǎng)吸收少許能量以彌補(bǔ)各部分損耗實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。

圖7 限流狀態(tài)下的能量流圖

5 仿真分析

采用PSIM9.0仿真軟件對(duì)該限流器應(yīng)用于10 kV中性點(diǎn)不接地的電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究,其仿真具體參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

負(fù)載為線性電阻50 Ω,容量約2 MW左右,線路電流約115 A,三相短路電流約18.4 kA；NPQC直流側(cè)電壓穩(wěn)定值為 1 000 V；根據(jù)式(5),三相短路情況下短路電流應(yīng)被限制在382. 9 A左右。以下各仿真波形中,Us為電網(wǎng)電壓, U_L為負(fù)載電壓,I_L為負(fù)載電流,Udc為NPQC的直流側(cè)電壓,Udvr為串聯(lián)變壓器兩端的電壓,其中電網(wǎng)電壓和負(fù)載電壓參考點(diǎn)為地。

5.1 電網(wǎng)系統(tǒng)正常時(shí)NPQC運(yùn)行情況

如圖8示,電網(wǎng)電壓、負(fù)載電壓和負(fù)載電流正常,NPQC的直流電壓穩(wěn)定,其輸出電壓很小,呈現(xiàn)了低阻抗特性,不會(huì)影響電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖8 電網(wǎng)正常時(shí)限流器的運(yùn)行狀況

5.2 電壓波動(dòng)補(bǔ)償

在圖9中,a圖表示0.3 s后三相相電壓幅值暫降1 000 V,暫降范圍為12.25%,b圖表示0.3 s后三相電壓幅值暫升 1 000 V,暫升范圍為12.25%；通過仿真證明,補(bǔ)償后三相負(fù)載相電壓基本無波動(dòng),負(fù)載電流基本保持不變；電壓暫降時(shí),限流器能夠及時(shí)輸出與三相暫降電壓同頻同相的1 000 V電壓,電壓暫升時(shí),限流器能夠輸出與三相暫升電壓同頻反相的1 000 V電壓,在電源電壓暫降和暫升過程中,負(fù)載電壓能夠得到很好的補(bǔ)償,且在補(bǔ)償過程中直流側(cè)電壓能夠在能量流動(dòng)時(shí)迅速恢復(fù)穩(wěn)定,NPQC工作正常,未對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。

圖9 電壓暫升與暫降補(bǔ)償

圖10 三相不平衡補(bǔ)償

0.3 s時(shí)刻,系統(tǒng)發(fā)生三相不平衡波動(dòng),A相電壓暫升1 000 V,B相電壓不變,C相電壓幅值暫降1 000 V,三相電壓相位無變化。如圖10,補(bǔ)償后負(fù)載三相電壓基本無變化,負(fù)載電流基本不變,直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定；限流器A相輸出同頻反相的1 000 V電壓,B相輸出基本為零,C相輸出與電源C相電壓同頻同相的1 000 V電壓,證明NPQC能夠補(bǔ)償系統(tǒng)的三相不平衡,使負(fù)載電壓保持穩(wěn)定,且未對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不良影響。

5.3 單相接地短路

圖11 單相接地短路限流

0.3 s時(shí)刻后,系統(tǒng)A相發(fā)生單相接地短路。如圖11,短路后B,C相對(duì)地電壓升高,但線電壓保持對(duì)稱,三相電流基本保持不變,系統(tǒng)可以帶一個(gè)接地點(diǎn)持續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間,限流器不進(jìn)入限流狀態(tài)。仿真證明,單相接地短路故障下NPQC能夠保持正常運(yùn)行,不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生不良影響。

5.4 兩相接地短路

圖12 兩相接地短路限流

如圖12所示,0.3 s時(shí)刻,系統(tǒng)發(fā)生A,B兩相接地短路。仿真證明,A相電流被限制在376.5 A左右,B相電流被限制在273.1 A左右, C相電流基本不變,非故障相能夠持續(xù)運(yùn)行；由于發(fā)生了接地情況,負(fù)載對(duì)地電壓都發(fā)生了變化；直流側(cè)電壓雖然存在波動(dòng)但始終處于1 000 V穩(wěn)定值左右,NPQC起到了很好的限流效果。

5.5 兩相相間短路

圖13 兩相相間短路

0.3 s時(shí)刻后,系統(tǒng)A,B相發(fā)生相間短路。如圖13所示,限流后A相電流被限制在377.7 A左右,B相電流被限制在282.1 A左右,C相電流基本無變化,直流側(cè)電壓雖然存在波動(dòng)但始終穩(wěn)定在1 000 V左右；仿真表明,NPQC能夠?qū)ο嚅g短路起到良好的限流效果。

5.6 三相短路

圖14 系統(tǒng)三相短路限流

0.3 s時(shí)刻,系統(tǒng)發(fā)生三相短路,如圖14所示,短路發(fā)生后負(fù)載側(cè)電壓幾乎降落到零,電網(wǎng)電壓幾乎完全降落在串聯(lián)變壓器兩端,限流器的直流側(cè)電壓穩(wěn)定在1 000 V,三相電流被限制在378.1 A左右；仿真表明,限流狀態(tài)下的NPQC呈現(xiàn)出了高阻抗特性,能夠?qū)θ喽搪菲鸬搅己玫南蘖餍Ч?/p>

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種配電網(wǎng)新型電能質(zhì)量控制裝置,根據(jù)其理論分析可得到如下結(jié)論：

1.所提出的NPQC,能夠在不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓暫升、暫降、三相電壓不平衡的補(bǔ)償或抑制。

2.所提出的NPQC,還能夠?qū)Σ煌愋偷亩搪饭收线M(jìn)行限流,通過串聯(lián)變壓器的二次側(cè)電抗可實(shí)現(xiàn)良好的限流效果。

文章最后通過仿真分析驗(yàn)證了所提配電網(wǎng)新型電能質(zhì)量控制裝置的可行性。

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涂春鳴 (1976),男,工學(xué)博士,教授,博導(dǎo),湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,目前主要從事電能質(zhì)量分析與控制研究工作。

鄧樹,湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院。

Feasibility Research on a New Power Quality Control Device

GUO Cheng1,TU Chunming2,DENG Shu2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute,Kunming 650217,China；2.College of Electrical and Information Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

In view of the power quality of network and short circuit current,a novel power quality controller(NPQC)is proposed in this paper,which can compensate voltage swells,sags,imbalance and limit short-circuit fault current.The PWM control method of the parallel and series converter in NPQC were researched,and the short circuit control method of bidirectional thyristor was presented as well,Based on which,the characteristics of compensation voltage quality and limiting fault current of NPQC were analyzed. Energy flow characteristics of NPQC in state of compensation voltage quality and short circuit fault current limiting are illustrated in detail.Finally,simulation results validate the feasibility of power quality control device.

NPQC；SSFCL；control strategy；energy flow

TM862

B

1006-7345(2015)01-0091-06

2014-10-24

郭成 (1978),男,工學(xué)博士,高級(jí)工程師,云南電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院,主要從事電能質(zhì)量分析與控制、電力系統(tǒng)分析研究工作 (e-mail)gc325＠126.com。