郭 祺，賈文慧，涂春鳴，侯玉超，黃澤鈞，姜 飛

（1.國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心（湖南大學(xué)）,湖南省長沙市 410082；2.國網(wǎng)山西省電力公司晉中供電公司,山西省晉中市 030600；3.長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院,湖南省長沙市 410004）

0 引言

隨著國家“碳達峰·碳中和”目標的制定,國內(nèi)新能源領(lǐng)域得到進一步推進與發(fā)展。但隨著可再生能源與電力電子裝置滲透率的增高,電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題如電壓閃變、波動以及無功缺額等日益嚴峻［1-2］,在此背景下,電網(wǎng)的高質(zhì)、高效、高可靠供電問題值得持續(xù)關(guān)注與突破［3-4］。

為滿足新形勢下高供電品質(zhì)的需求,電力電子型電能質(zhì)量治理裝置憑借其智能性、靈活性的優(yōu)勢得到廣泛推廣和應(yīng)用［5］。其中,基于并網(wǎng)變流器的電能質(zhì)量治理裝置如有源電力濾波器、無功補償器等在諧波抑制、無功補償?shù)确矫姹憩F(xiàn)優(yōu)異,且設(shè)備可靠性高,在電網(wǎng)故障時可以直接脫網(wǎng)運行。但并聯(lián)接入電網(wǎng)的方式使得此類裝置缺乏解決電壓暫降/抬升等電壓質(zhì)量問題的能力［6-7］。

為此,目前主要有兩種研究思路來進一步提高并聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置的功能區(qū)間以及利用率。一是將并聯(lián)型電能質(zhì)量治理裝置與串聯(lián)變流器聯(lián)合運 行［8-9］,如 統(tǒng) 一 電 能 質(zhì) 量 調(diào) 節(jié) 器（unified power quality conditioner,UPQC）,其串聯(lián)變流器可以解決電壓質(zhì)量問題,而并聯(lián)側(cè)解決電流質(zhì)量問題［10-11］。目前,國內(nèi)外研究學(xué)者對UPQC 的拓撲結(jié)構(gòu)［12-13］以及控制策略［14-15］等方面開展了深入研究,但是UPQC 需要兩套變流器,成本較高［16］。并聯(lián)型動態(tài)電壓恢復(fù)器不僅能實現(xiàn)電流補償也可以治理電壓波動,但現(xiàn)有方案需要兩套變換器,增加了裝置容量和成本,或在電壓跌落程度較深時需由變換器補償所有功率,對直流側(cè)儲能容量要求較高［17］。二是在一套變流器的基礎(chǔ)上增加多組繼電器/物理開關(guān),實現(xiàn)硬投切,如現(xiàn)有串并聯(lián)變流器一體化的方案［18-19］。其工作原理是通過多組開關(guān)的投切將變流器從并聯(lián)入網(wǎng)方式強行切換至串聯(lián)入網(wǎng)方式,進而實現(xiàn)電壓補償?shù)哪康?。但是多組開關(guān)的投切導(dǎo)致負載側(cè)可能存在短時斷電的過程,暫態(tài)問題突出。此外,變流器在電壓補償期間直接串聯(lián)接入電網(wǎng),整體運行可靠性較低［20］。因此,并網(wǎng)變流器的高性能、低成本、高可靠問題值得進一步研究與探索。

基于此,本文提出一種以并聯(lián)形式接入電網(wǎng)且能夠靈活治理電網(wǎng)電流和電壓質(zhì)量問題的多功能并網(wǎng)變流器（multi-functional grid-connected converter,MF-GCC）拓撲結(jié)構(gòu)及其多模式綜合控制策略。首先,介紹了MF-GCC 的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理。在電網(wǎng)電壓正常時,MF-GCC 工作于并聯(lián)補償模式,動態(tài)補償負載所需無功功率,實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運行；在電網(wǎng)電壓波動時,MF-GCC 工作于串聯(lián)補償模式,其通過補償電壓以維持負載電壓幅值恒定。然后,詳細分析開關(guān)導(dǎo)通時序與變流器有源部分不同模式控制指令配合切換下各種暫態(tài)電氣量的變化規(guī)律,從而確定元部件動作邏輯,保證切換過程中瞬時電壓、電流沖擊最小以及模式間的平滑、快速切換。其次,總結(jié)了MF-GCC 的綜合控制策略以及柔性切換策略。最后,通過仿真和實驗,驗證了所提柔性切換策略的有效性和可行性。

1 拓撲結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

本文所提MF-GCC 的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示,其由有源部分、多繞組變壓器T、耦合電容C0、電阻Rn、變壓器旁路開關(guān)S1和切換開關(guān)S2組成。有源部分包含LC 濾波環(huán)節(jié)（濾波電容C1與濾波電感L1）、單相全橋變換器和直流側(cè)電容Cdc（直流側(cè)儲能元件可根據(jù)實際應(yīng)用場景的電壓質(zhì)量問題與負荷側(cè)需求因情況而定）。多繞組變壓器的一次側(cè)與輸電線路連接,二次側(cè)端口接入變流器,三次側(cè)端口通過耦合電容C0接地,二、三次側(cè)的公共端口通過開關(guān)S2和電 阻Rn接 地。圖 中:Udc為 直 流 側(cè) 電 壓；U?S、I?S分 別為 電 網(wǎng) 電 壓、電 流；I?L1、I?C1分 別 為 濾 波 電 感、濾 波 電容 支 路 電 流；U?C1、I?1分 別 為MF-GCC 有 源 部 分 輸 出電壓、電流；U?C0為耦合電容C0兩端電壓；U?R為電阻Rn兩端電壓；U?tr、U?tr1、U?tr2分別為多繞組變壓器一次、二 次、三 次 側(cè) 電 壓；I?nn為S2支 路 電 流；I?S1為S1支路電流；I?cn為耦合電容支路電流；Z為線路阻抗；U?L、I?L分別為負載電壓、電流；ZL為負載阻抗。

圖1 MF-GCC 的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topology of MF-GCC

1.2 工作原理

根據(jù)電網(wǎng)的運行狀態(tài),MF-GCC 可工作于串聯(lián)補償模式和并聯(lián)補償模式兩種模式。在電網(wǎng)電壓處在波動（如跌落、抬升）狀態(tài)時,MF-GCC 工作在串聯(lián)補償模式,通過向電網(wǎng)注入相應(yīng)補償電壓來實現(xiàn)負載側(cè)電壓幅值不受網(wǎng)側(cè)擾動的影響。當電網(wǎng)電壓處在正常狀態(tài)時,MF-GCC 工作在并聯(lián)補償模式,可向負荷側(cè)提供無功功率。

1.2.1 串聯(lián)補償模式

1）基本工作原理

在電網(wǎng)電壓處在波動的狀態(tài)時,開關(guān)S1斷開、開關(guān)S2閉合,MF-GCC 工作于串聯(lián)補償模式,如圖2（a）所示。為使負載側(cè)的電壓幅值不受網(wǎng)側(cè)干擾,可以控制U?C1與U?S的矢量差維持負載電壓幅值恒定,如圖2（b）和（c）所示,圖中補償后U?L的相角為α。

圖2 MF-GCC 在串聯(lián)補償模式下的拓撲及其電氣量之間的相量關(guān)系Fig.2 Topology of MF-GCC in series compensation mode and phasor relationship between electrical quantities

所提變流器在串聯(lián)補償模式下的等效電路如附錄A 圖A1 所示。圖中:變壓器一次側(cè)、二次側(cè)、三次側(cè)漏感分別為L1σ、L2σ、L3σ；變 壓器的勵磁阻抗為Zm。所提變流器的有源部分在串聯(lián)模式下相當于一個受控電壓源。

假設(shè)變壓器一次與二、三次側(cè)繞組的匝數(shù)比為1∶1∶1,根據(jù)基爾霍夫電壓定律（KVL）、基爾霍夫電流定律（KCL）可得MF-GCC 拓撲結(jié)構(gòu)中電壓、電流關(guān)系滿足:

由于Rn數(shù)值較小,U?R≈0,結(jié)合式（1）可得:

另外,由理想變壓器特性可知變壓器一次側(cè)、二次側(cè)、三次側(cè)的電壓關(guān)系為:

結(jié)合變壓器匝數(shù)比為1∶1∶1,進一步得到:

根據(jù)式（5）和式（2）可得:

2）參考值計算與分析

由圖2（b）可知,變壓器一次側(cè)補償電壓U?tr的幅值Utr和相位β表示如下:

式中:UL為負載電壓U?L的幅值；US為電網(wǎng)電壓U?S的幅值。

此時,I?cn的幅值Icn與 相位δ可表示如 下:

式中:ω為角頻率。

結(jié)合式（6）和式（10）可得電網(wǎng)電流I?S的幅值IS和相位μ為:

假定φ為負載功率因數(shù)角,則所提變流器的輸出有功功率Pin和無功功率Qin可表示如下:

式中:IL為負載電流I?L的幅值。

最終,以有源部分輸出有功功率最小為目標,結(jié)合式（7）、式（8）、式（11）—式（13）,可得有源部分輸出電壓參考值U?*C1的控制相位α。此外,為使U?L的幅值在補償后保持不變,由式（3）可知U?*C1的幅值即是負載電壓額定幅值U*Lm,從而得到有源部分輸出電壓參考值。

1.2.2 并聯(lián)補償模式

當電網(wǎng)電壓正常時,開關(guān)S1閉合、開關(guān)S2斷開,MF-GCC 工作在并聯(lián)補償模式。MF-GCC 在并聯(lián)補償模式下的拓撲和等效電路如圖3（a）和（b）所示,MF-GCC 有源部分在此模式下等效為受控電流源。

圖3 MF-GCC 在并聯(lián)補償模式下的電路圖Fig.3 Circuit diagram of MF-GCC in shunt compensation mode

并聯(lián)補償模式時,控制量為并網(wǎng)電流I?1,通過控制其幅值和相位的變化,實現(xiàn)類似于并聯(lián)型變換器的無功補償功能?？紤]到并聯(lián)補償模式下的工作原理與傳統(tǒng)并聯(lián)型無功補償裝置無較大區(qū)別［21］,故不再贅述。

2 MF-GCC 的不同模式柔性切換策略設(shè)計

當配電網(wǎng)發(fā)生電壓波動時,MF-GCC 從并聯(lián)補償模式切換至串聯(lián)補償模式,待到電網(wǎng)電壓恢復(fù)后,MF-GCC 又從串聯(lián)補償模式切換到并聯(lián)補償模式。在模式切換過程中,合理的開關(guān)動作時序?qū)乐寡b置元部件遭受電壓和電流等瞬態(tài)沖擊,進而保證設(shè)備和電網(wǎng)的安全、可靠運行。

2.1 并-串聯(lián)補償模式柔性切換原則與邏輯

假設(shè)配電網(wǎng)在t0時刻發(fā)生跌落/抬升故障,MFGCC 的S1、S2以及變流器中絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）控制信號按照合理的邏輯順序動作后,完成并聯(lián)補償模式至串聯(lián)補償模式的切換。假設(shè)不同開關(guān)按照t1、t2、t3時刻順序進行動作,不同開關(guān)動作邏輯方案應(yīng)滿足以下原則。

1）不同量值的電流源不能串聯(lián)

假設(shè)t1時刻S1斷開,負載電流流過變壓器一次側(cè),故此時流過變壓器二、三次側(cè)的電流為負載電流的一半,變壓器二、三次側(cè)可等效為一個輸出電流受負載電流鉗位的電流源。同時,MF-GCC 有源部分仍處于并聯(lián)模式,也等效為一個輸出無功補償電流i1的電流源。結(jié)合S1斷開后的等效電路圖（詳見附錄A 圖A2）可以看出,變壓器二、三次側(cè)等效電流源與MF-GCC 有源部分等效電流源串聯(lián)?？紤]到電路中不同量值的電流源不能串聯(lián)［22］,故該現(xiàn)象與電路理論相矛盾。因此,S1不能在t1時刻動作,可得幾種開關(guān)動作邏輯方案,如表1 所示。

表1 并-串聯(lián)切換邏輯方案Table 1 Logic scheme of parallel-series switching

2）控制信號切換不引起電路振蕩

假設(shè)t1時刻切換IGBT 控制信號,MF-GCC 有源部分等效于從電流源切換至電壓源,如附錄A 圖A3 所示,由于Zm較大,Zm回路視作開路。開關(guān)K 由1 接至2,電路輸入發(fā)生變化,由于變壓器二、三次回路中無阻尼成分,屬于欠阻尼狀態(tài),電路中相關(guān)電氣量振蕩［23］。因此,不能在t1時刻切換IGBT 控制信號,方案1、4 不可取。

3）MF-GCC 輸出電流應(yīng)滿足裕度

在t1時刻S2閉合后,假設(shè)t2時刻切換IGBT 控制信號,變壓器二、三次回路等效電路圖如附錄A 圖A4 所示,MF-GCC 有源部分輸出電流i1表示為:

式中:u和uS分別為MF-GCC 有源部分輸出電壓參考值和電網(wǎng)電壓的時域表示形式。

由于阻尼電阻Rn值較小,導(dǎo)致式（14）中i1較大,甚至超出MF-GCC 有源部分輸出電流額定裕度,影響裝置的安全運行。因此,方案3 不可取。故最終選擇方案2 所列有源器件動作順序為并聯(lián)至串聯(lián)模式的最佳柔性切換邏輯。

2.2 串-并聯(lián)補償模式柔性切換原則與邏輯

2.2.1 串-并聯(lián)補償模式柔性切換原則

當電網(wǎng)電壓在t4時刻恢復(fù)正常后,控制S1、S2以及IGBT 控制信號按合理的邏輯順序依次在t5、t6、t7時刻動作,MF-GCC 從串聯(lián)補償模式切換至并聯(lián)補償模式。為便于從微分方程模型角度分析切換過程,本小節(jié)各電流、電壓變量均采用時域形式,即小寫字母表示,各變量含義與1.1 節(jié)中定義相對應(yīng)。各開關(guān)的動作邏輯需要滿足以下原則。

1）避免utr對uL的影響

在t4時刻電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常后,為了避免MFGCC 輸出補償電壓utr對uL的影響,保證負載側(cè)正常穩(wěn)定運行,應(yīng)首先在t5時刻閉合S1。由此,可得兩種開關(guān)動作邏輯方案,如表2 所示。

表2 串-并聯(lián)切換邏輯方案Table 2 Logic scheme of series-parallel switching

2）避免S1閉合產(chǎn)生瞬時電流沖擊

對t5時刻S1閉合瞬間電路中沖擊電流的發(fā)生機理進行分析。附錄A 圖A5 為t5時刻之前變壓器二、三次回路等效電路圖。根據(jù)KVL,可得t5時刻之前uC0和uC1為:

因Rn數(shù)值較小,Rn在變壓器三次回路中分壓較小,為便于分析,取uR≈0,則式（15）變?yōu)?

t5時刻之后變壓器二、三次回路的等效電路圖如附錄A 圖A6 所示。變壓器一次側(cè)被短接,因此utr1=utr2=0,同理,可得回路中電壓關(guān)系如下:

根據(jù)式（16）和式（17）可知,t5時刻S1閉合后耦合電容電壓突變至零,濾波電容電壓突變至uS。在S1閉合前后,耦合電容電壓與濾波電容電壓變化均為utr1（串聯(lián)模式下的補償電壓）,從而引起電流icn、i1產(chǎn)生較大瞬時沖擊,威脅設(shè)備與電網(wǎng)可靠運行。

2.2.2 串-并聯(lián)補償模式柔性切換邏輯

根據(jù)2.2.1 節(jié)分析可知,方案5、6 中S1閉合瞬間均會導(dǎo)致濾波/耦合電容電壓突變,從而引發(fā)濾波/耦合電容支路過電流,對裝置的運行產(chǎn)生威脅。因此,在t5時刻S1閉合之前,有必要添加端口電壓相位平滑過渡環(huán)節(jié)來有效避免電壓突變產(chǎn)生瞬時電流沖擊,具體原理如下。

1）端口電壓相位平滑過渡

由2.2.1 節(jié) 分 析 可 知,S1閉 合 時,I?cn瞬 時 沖 擊 的產(chǎn)生是由于U?C1突變?yōu)榱?。根?jù)1.2.1 節(jié)串聯(lián)補償模式工作原理可知,控制U?C1的初始相位θ0平滑過渡到0°,即可實現(xiàn)U?C0平滑過渡至零。濾波電容電壓相位θ變化曲線如附錄A 圖A7（a）所示,t4時刻電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常,t4a、t4b為U?C1相位平滑過渡時刻,Δt為過渡時間段,t5時刻S1閉合。U?C1相位θ在Δt內(nèi)平滑過渡過程為:

U?C1相位平滑過渡相量圖如附錄A 圖A7（b）所示。圖中,U?′C1為過渡期間濾波電容電壓,U?′tr為過渡期間變壓器一次側(cè)電壓。通過式（18）得到θ的初始值、終值以及過渡值。由此可將U?C1逐步旋轉(zhuǎn)到與U?S重合,U?tr以及U?C0也隨著U?C1的旋轉(zhuǎn)逐步過渡到零,此外,U?C1的旋轉(zhuǎn)過程不影響負載電壓。

2）平滑過渡后確定開關(guān)動作邏輯

t4a～t4b時段U?C1相位平滑過渡后,t5時刻S1閉合,t6、t7時段開關(guān)動作邏輯未定。S1閉合后變壓器二、三次回路等效電路圖如附錄A 圖A8 所示。由于濾波電容平滑過渡環(huán)節(jié)中U?C1的終值為U?S,結(jié)合圖A8可知,MF-GCC 有源部分輸出電流I?1=0。此外,Rn與C0等效被短接,下一步若斷開S2,C0兩端電壓不會發(fā)生突變,有效避免沖擊電流產(chǎn)生。因此,在t6時刻斷開S2,在t7時刻切換IGBT 控制信號。綜上,故最終選擇方案5 所列有源器件動作順序為串聯(lián)至并聯(lián)模式的最佳柔性切換邏輯。

3 MF-GCC 整體控制策略

在電網(wǎng)電壓處在正常/波動狀態(tài)時,MF-GCC處在并聯(lián)/串聯(lián)補償模式。而當電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時,MF-GCC 從并聯(lián)補償模式切換至串聯(lián)補償模式,待到電網(wǎng)電壓恢復(fù)后,MF-GCC 又從串聯(lián)補償模式切換到并聯(lián)補償模式。MF-GCC 不同模式的控制策略如圖4 所示,其中,PLL 表示鎖相環(huán),PI 表示比例-積分控制器,PWM 表示脈寬調(diào)制。首先,對電網(wǎng)電壓幅值進行檢測,得到dS。然后,根據(jù)dS對電網(wǎng)的運行狀態(tài)進行判斷:當0.91.1 時,判定電網(wǎng)電壓發(fā)生波動,開關(guān)S2閉 合、開 關(guān)S1斷 開,切 換IGBT 控 制 信 號,MFGCC 工作于串聯(lián)補償模式。

圖4 MF-GCC 不同模式的控制策略Fig.4 Control strategy of MF-GCC in different modes

1）變流器在并聯(lián)補償模式下的控制策略

2）變流器在串聯(lián)補償模式下的控制策略

根據(jù)串聯(lián)補償模式下的工作原理,首先,由U?S檢測模塊確定dS；其次,由式（7）、式（8）、式（11）—式（13）得 到U?L的 控 制 相 位α,α與 負 載 電 壓 幅 值U相結(jié)合即可得到負載電壓參考值,補償電壓參考值就是和U?S的差；最終,結(jié)合式（19）可得,再通過內(nèi)外環(huán)跟蹤與正弦脈寬調(diào)制（SPWM）輸出變流器IGBT 的控制信號。

3）多模式柔性切換策略

圖5 是電網(wǎng)電壓波動（以跌落為例）從發(fā)生到恢復(fù)正常過程中,各開關(guān)以及控制信號的動作時序,1 表示開關(guān)閉合,0 表示開關(guān)斷開。t0時刻電網(wǎng)電壓跌落,經(jīng)短暫延時后,t1時刻S2閉合,t2時刻S1斷開,t3時刻變流器的控制信號切換至串聯(lián)補償模式對應(yīng)的控制信號。至此,MF-GCC 進入串聯(lián)補償模式。當t4時刻電網(wǎng)電壓恢復(fù)后,經(jīng)過短暫延時,t4a～t4b時段控制濾波電容電壓相位平滑過渡至零,t5時刻S1閉合,t6時刻S2斷開。t7時刻變流器的控制信號切換至并聯(lián)補償模式對應(yīng)的控制信號,MF-GCC 恢復(fù)至并聯(lián)補償模式。

圖5 開關(guān)及控制信號的動作時序圖Fig.5 Action sequence diagram of switch and control signals

4 仿真驗證

根據(jù)圖1,本文在MATLAB/Simulink 中搭建仿真模型,驗證本文所提多模式切換方案的有效性,具體仿真參數(shù)如表3 所示。

表3 仿真參數(shù)Table 3 Simulation parameters

4.1 并-串聯(lián)補償模式切換仿真分析

電網(wǎng)電壓從正常轉(zhuǎn)變至跌落工況下的仿真波形如附錄A 圖A9 和圖A10 所示。圖A9（a）至（d）為未采用并-串聯(lián)模式柔性切換下的波形圖,切換邏輯為:S1斷開→IGBT 控制信號切換→S2閉合,圖A10（a）至（d）為采用所提柔性切換策略下的波形圖。S1與S2考慮采用電力電子器件,其選型和耐受電壓、電流應(yīng)力有關(guān)。對于開關(guān)S1而言,流過S1電流為負載電流和變壓器一次側(cè)電流之和,S1耐壓是系統(tǒng)電壓。對于開關(guān)S2而言,流過S2電流為有源部分輸出電流和耦合電容支路電流之和,耐壓水平與S2支路電流及該支路上的電阻Rn大小有關(guān)。

在0～0.1 s 期間,電網(wǎng)正常運行（dS=1）,MFGCC 處在并聯(lián)補償模式,如圖A9（b）和A10（b）所示,U?S與I?S在 無 功 補 償 后 相 位 相 同,網(wǎng) 側(cè) 實 現(xiàn) 單 位功率因數(shù)運行。在0.1～0.2 s,電網(wǎng)電壓處在跌落狀態(tài)（dS=0.8）,結(jié)合圖A9（a）和圖A10（a）可知,在電壓波動時,所提變流器可有效輸出補償電壓,實現(xiàn)負載側(cè)電壓恒定。

此外,由附錄A 圖A9（c）和（d）可以明顯看出,未采用并-串模式柔性切換下,t=0.102 s 開關(guān)S1斷開,t=0.103 s 時IGBT 控 制 信 號 切 換,t=0.104 s 開關(guān)S2閉 合。在 各 開 關(guān) 動 作 的 瞬 間,I?nn、I?S1、I?1、I?S均 產(chǎn)生較大的瞬時沖擊,負載側(cè)在切換過程中也出現(xiàn)較大電壓沖擊。由圖A10（c）可以明顯看出,在t=0.102 s 之前I?nn為 零,t=0.102 s 開關(guān)S2閉合,S2所在支 路 導(dǎo) 通。t=0.103 s 時 開 關(guān)S1斷 開,I?S1變 為 零。t=0.104 s 時IGBT 控 制 信 號 切 換,MF-GCC 有 源 部分的輸出電壓和電流相應(yīng)改變,如圖A10（d）所示。此外,本文充分考慮了檢測延時對運行切換造成的影響,故在仿真與實驗中,在并-串聯(lián)補償模式切換動作初期,均加入1 ms 延時模擬檢測環(huán)節(jié)帶來的影響。各開關(guān)動作的邏輯順序與2.1 節(jié)分析一致,在整個并-串聯(lián)補償模式切換過程中,各電氣量均未產(chǎn)生較大突變,MF-GCC 和電網(wǎng)的運行可靠性得到了保證。

4.2 串-并聯(lián)補償模式切換仿真分析

電網(wǎng)電壓從跌落工況轉(zhuǎn)變至正常工況下的仿真波 形 如 附 錄A 圖A11 和 圖A12 所 示。圖A11（a）至（d）為未采用串-并聯(lián)補償模式柔性切換下的波形圖,圖A12（a）至（d）為采用2.2.2 節(jié)所提切換方案下的波形圖。0.2～0.3 s 期間,所提變流器工作于串聯(lián)補償模式,實現(xiàn)負載側(cè)電壓恒定,如圖A11（a）和圖A12（a）所示。0.3～0.4 s 期間電網(wǎng)正常運行（dS=1）,MF-GCC 處在并聯(lián)補償模式,如圖A11（b）和圖A12（b）所示。

未采用串-并聯(lián)補償模式柔性切換下,在t=0.307 s 開關(guān)S1閉 合瞬間I?S、I?S1、U?C1、I?1均產(chǎn) 生較大的瞬時沖擊,如圖A11（c）和（d）所示,威脅設(shè)備和電網(wǎng)的正常運行。采用所提切換方案后,MF-GCC 在t=0.302～0.304 s 期間實現(xiàn)濾波電容電壓相位過渡,再按照所分析的邏輯時序完成各開關(guān)動作,如圖A12（c）和（d）所示。仿真結(jié)果表明,MF-GCC 可以平滑地從串聯(lián)補償模式切換至并聯(lián)補償模式,驗證了理論分析的正確性和可行性。

5 實驗驗證

為了進一步驗證本文所提MF-GCC 多模式切換方案的有效性,本文基于第4 章的仿真模型搭建實驗平臺,實驗參數(shù)與表3 一致。電網(wǎng)電壓抬升和跌落時MF-GCC 從并聯(lián)模式切換至串聯(lián)模式的實驗波形如圖6 所示。

圖6 MF-GCC 并-串聯(lián)模式切換的實驗波形Fig.6 Experimental waveforms of MF-GCC in parallel-series mode switching

電網(wǎng)在t0時刻之前保持正常運行狀態(tài)（dS=1）,MF-GCC 處在并聯(lián)補償模式。t0時刻電網(wǎng)電壓抬升（dS=1.2）/跌落（dS=0.5）,經(jīng)過1 ms 延時,t1時刻閉合S2,t2時刻斷開S1,t3時刻切換IGBT 控制信號,MF-GCC 此后進入串聯(lián)補償模式。從圖6 中可以看出,各電氣量在并-串聯(lián)補償模式切換過程中均無沖擊。

電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常時,MF-GCC 從串聯(lián)模式切換至并聯(lián)模式的實驗波形如附錄A 圖A13 和圖A14所示。t4時刻之后電網(wǎng)電壓恢復(fù)正常（dS=1）。從圖A13 和圖A14 中可以看出,各電氣量在串-并聯(lián)補償模式切換過程中只存在較小沖擊,MF-GCC 可以平滑地從串聯(lián)補償模式切換至并聯(lián)補償模式,驗證了所提多模式柔性切換策略的正確性和可行性。

6 結(jié)語

本文針對現(xiàn)有串并聯(lián)一體化多功能集成型電力電子裝置運行可靠性差、暫態(tài)問題突出的問題,充分挖掘串聯(lián)型與并聯(lián)型電力電子裝置運行特性的差異,提出了一種以并聯(lián)形式接入電網(wǎng)且能夠靈活治理電網(wǎng)電流型和電壓型電能質(zhì)量問題的多功能變流器拓撲及其多模式綜合控制策略,主要結(jié)論如下:

1）所提MF-GCC 在電網(wǎng)電壓正常/波動時分別工作在并聯(lián)電流補償模式/串聯(lián)電壓補償模式,有效治理電流、電壓質(zhì)量等問題,功能多樣,成本低廉。

2）所提MF-GCC 可按照合理的開關(guān)設(shè)備動作時序,實現(xiàn)串聯(lián)補償模式與并聯(lián)補償模式之間的快速、平滑切換,切換過程中無瞬時電壓、電流沖擊問題,可以避免變壓器出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象而影響裝置的正常運行,進而保障了配電網(wǎng)的供電可靠性。

本文研究是針對典型的單相系統(tǒng)進行的MFGCC 功能驗證,后續(xù)將開展MF-GCC 三相集成優(yōu)化的研究,并對電壓波動時的變壓器勵磁涌流問題作進一步分析。

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