适用于主动配电网的多功能串联补偿器研究

姜飞涂春鸣杨健庄士成刘子维

（国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）长沙410082）

适用于主动配电网的多功能串联补偿器研究

姜飞涂春鸣杨健庄士成刘子维

（国家电能变换与控制工程技术研究中心（湖南大学）长沙410082）

提出一种适用于主动配电网（ADN）的多功能串联补偿器（MFSC），可作为分布式能源系统与公共交流配电网的连接接口，实现动态电压补偿及故障限流的双功能。分别分析电网正常运行及发生短路故障下，MFSC的工作原理和直流系统能量平衡原理，并建立MFSC电压补偿及故障限流数学模型。此外，提出MFSC的电压补偿模式、故障限流模式、分布式电源与储能单元协调模式的控制策略。最后，在PSCAD/EMTDC仿真软件上验证了所提新拓扑的有效性，并搭建实验室平台验证了其电压补偿功能及限流功能的正确性。

主动配电网多功能故障限流电压补偿

3　引言

随着各级政府及居民环境保护意识的逐步提升，分布式能源（如太阳能、风能等）发电技术（Distributed Generation，DG）获得了蓬勃发展，传统配电网需逐步转变为主动配电网（Active Distribution Network，ADN），以满足对分布式能源的主动控制及主动管理等要求［1，2］。然而，DG大量接入对ADN系统的电压、短路容量等造成显著影响［3］；ADN中的各种类别故障（短路故障、电压跌落等）也将对电网设备安全及高效运行产生潜在危害。因此，设计一种同时具备电压补偿与故障限流功能的新拓扑，对传统配电网向ADN快速转变以及ADN的安全、稳定运行具有重要意义。

近年来，文献［4，5］已提出了利用电力电子变换器作为新能源发电并网接口，同时具备改善电能质量功能的拓扑结构。文献［6］提出了将传统串、并联变换器结构与分布式能源、能量存储进行结合再配置，能够更好的适用于分布式发电系统。此外，串、并联变换器的直流侧均可采用独立分布式能源供电［7，8］，维持直流侧电压稳定，提高变换器运行效率。

故障限流器的主流研究方向为基于电力电子技术的固态限流器和基于超导技术的超导限流器［9］，主要集中在限流模块的拓扑优化［10］、控制策略［11，12］及其对电网的影响［13，14］。文献［10］提出了一种能够控制电网正常运行下的电压补偿深度及电网短路故障下的电流限制程度的拓扑结构。文献［11］提出了一种耦合法固态限流器，能够实现电网短路故障电流限制的功能。文献［12］提出了一种适用于谐振型高频交流母线新型固态短路限流器的驱动电源。传统固态限流器运行机理是通过对多个电力电子器件的通断来实现限流模块投切［15］，因此，本文考虑将固态限流器与相近似拓扑的电能质量调节器复用，单独控制限流模块，达到实现多种电能质量调节装置的功能。文献［16］建立了带限流模块的统一潮流控制拓扑结构（Unified Power Flow Controller，UPFC），具有常规UPFC和三相桥式固态限流器的多种功能。文献［17］分析了基于磁通补偿原理的固态限流器拓扑及原理。文献［18］提出了串联型有源电力滤波器（Series Active Power Filter，SAPF）的串联变压器二次侧，并联变阻器和反并联二极管支路方法，能够实现保护变换器的作用，但由于额外增加支路复杂，且控制难度大，易造成配合失效［19］。由文献［16-18］可知，通过对电力电子设备拓扑结构的简单改进或复用实现所需额外功能是可行的。经调研，动态电压恢复器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）拓扑［20］与固态限流器拓扑［21］存在一定的相似性，考虑将固态限流器与动态电压恢复器相同结构复用［22］，作为主动配电网内分布式能源系统与公共交流配电网的一个连接端口。

本文提出了一种适用于主动配电网的多功能串联补偿器（Multi-Function Series Compensator，MFSC），其交流侧串联接入公共交流配电网，分布式能源系统的直流母线通过DC-DC双向变换器与MFSC的直流侧电容连接，可为MFSC提供稳定的直流侧电压。当电网未发生短路故障时，MFSC实现对交流配电网的电压暂升、暂降调节；当公共交流配电网负载侧发生短路故障时，MFSC能有效隔离交流系统与直流系统，并实现对交流系统故障电流的限制功能。分析了MFSC的拓扑结构、工作机理及控制策略，并在PSCAD/ EMTDC仿真软件上验证了所提新拓扑功能的有效性，搭建实验室样机平台验证了MFSC的电压补偿功能及故障限流功能的正确性。

1　MFSC的拓扑及工作原理

1.1MFSC的拓扑结构

基于多功能串联补偿器的主动配电网结构如图1所示。图1a中的分布式能源系统含有分布式电源（以光伏阵列为例）、储能单元（蓄电池）以及直流负载（小型化直流楼宇、数据中心负载等），经过MFSC与公共交流配电网相连，光伏阵列与储能单元为直流负载与MFSC直流侧提供能量。直流母线与MFSC之间增设双向DC-DC电路，目的是为了获取MFSC直流侧所需等级的电压幅值，同时避免MFSC直流侧电压波动对分布式能源系统的影响。

单相多功能串联补偿器结构如图1b所示，串联逆变器通过LC滤波器接于串联变压器T的二次侧，串联变压器一、二次电压比为k，LC滤波器用于滤除逆变器输出的高次谐波；一组反并联晶闸管并联在串联逆变器交流输出端的两侧，控制反并联晶闸管的通断能够实现电压补偿功能与故障限流功能的切换；区域D为不同功能运行模式下的公共拓扑结构。

图1　基于多功能串联补偿器的主动配电网结构Fig.1 Topology of active distribution network based on the MFSC

一方面，公共交流配电系统未发生短路故障。当光照强度达到额定值时，光伏阵列采用最大功率点输出能量，在满足能量需求平衡条件下，将剩余功率存储至蓄电池；当光照强度未达到设定值时，需要蓄电池放电来补充直流负载所需能量，且光伏电池工作在最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）状态，能够最大限度的利用太阳能；交流配电网发生电压波动时，逆变器输出补偿电压所需的能量能够完全由分布式能源系统提供。另一方面，公共交流配电系统负载侧发生短路故障。控制系统检测故障发生后，立即封锁故障相的IGBT触发脉冲，延时导通反并联晶闸管支路，使分布式能源系统与公共交流配电网分离，滤波电感L通过反并联晶闸管支路串连接入交流配电系统，可实现故障限流功能。

该新型结构的优点为：①协调控制光伏、储能单元的能量流动，为MFSC直流侧稳压提供能量，有效补偿公共交流配电网电压的长时间、深度跌落，同时提高分布式能源系统的利用效率；②作为分布式能源与公共交流配电网的连接装置，故障情况下能实现两者的灵活分离，并具备对后者的限流保护功能，较大限度提升设备利用价值。

1.2MFSC的工作原理

1.2.1电压补偿功能原理

公共交流配电网发生电压跌落，MFSC处于电压补偿模式，结构类似于传统DVR，如图2所示。MFSC的电压源型变换器可看成串联于电源和负载之间的受控电压源u0，实现补偿系统电压跌落。而MFSC的直流侧能量由分布式电源通过直流母线经DC-DC变换器提供，分布式能源系统带有储能单元，因此具备较大的电压输出能力，能够补偿深度电压跌落。

图2　电压补偿功能实现的等效电路图Fig.2 Equivalent circuit in voltage compensation mode

根据图2，若忽略公共交流配电网阻抗Zs及线路阻抗Zl，当电压跌落后，全补偿方式下［23］

式中：udvr为MFSC输出的补偿电压；usag为跌落后的交流系统电压；uLref为交流系统期望负载侧瞬时电压。可见，补偿电压大小是通过检测跌落前负载侧电压值和跌落时的电压值计算得出，实现负载侧电压恒定。因此，准确检测电源电压相位及幅值对于补偿效果十分关键。由于串联变压器一次电压udvr是通过二次侧回路控制产生，对串联变压器二次侧电路有

式中：L为MFSC输出滤波电感；串联变压器T的一、二次电压比为k；iL为交流系统负载电流。假设忽略流过LC滤波器的滤波电容C上流过的基波电流，逆变器输出的基波电流可表示为i0=-kiL，则式（2）转变为

式中：uc为串联变压器二次电压。由式（1）～式（3），求得在交流系统电源侧电压跌落值为usag，负载侧电压补偿到理想值uLref时，MFSC变流器交流侧需输出的基波电压为

1.2.2故障限流功能原理

公共交流配电网负载侧发生短路故障时，封锁IGBT脉冲，延时触发导通反并联晶闸管，MFSC将主动配电网分为两个相互独立的系统，即分布式能源系统和公共交流配电网系统。分布式能源系统除维持MFSC直流侧电容电压稳定及负载正常运行外，内部多余的能量存储至储能单元。故障消除后，由于MFSC的直流侧电压维持在恒定值，MFSC能够迅速连通分布式电源与公共交流配电网，加速恢复正常供电。MFSC在限流模式下的等效电路如图3所示。

图3　故障限流功能实现的等效电路图Fig.3 The equivalent circuit in current-limitingmode

故障期间，系统电流急剧增大，封锁多功能串联补偿器故障相逆变器的工作脉冲，IGBT不再导通，延时等待后，晶闸管支路将故障相滤波电感L等效串联接入交流系统。由于滤波电容C的基波阻抗远大于电感L的基波阻抗，因此

串联变压器一次侧的等效限流阻抗为

式中：k为串联变压器一、二次电压比。当反并联晶闸管控制短路支路导通后，故障电流被限制为

式中：Zs为公共交流系统阻抗；Zl为交流系统线路阻抗。通常Zs和Zl很小，因此，限流后交流配电网系统中的故障电流大小主要取决于串入的等效限流阻抗Zeq，其由串联变压器一、二次电压比k和输出滤波电感L的大小共同决定。

1.2.3直流系统能量平衡原理

MFSC直流侧电容通过DC-DC双向变换器与分布式能源系统的直流母线相连；光伏发电单元通过DC-DC变换器向直流母线提供能量；储能单元（蓄电池）通过双向DC-DC变换器连接在直流母线，能够实现能量交换；直流负载消耗能量。下面通过4个模式分析直流系统能量流动，示意图如图4所示。

1）模式一：光伏发电单元单独向储能单元、直流负载供电模式。包括：当储能单元能量较低，且公共交流配电网无需电压补偿；当公共交流配电网中发生短路故障时，MFSC切换至短路限流模式，其直流侧仅与DC-DC双向变换器相连。以上情况光伏电池采用MPPT控制，并维持直流母线电压恒定，实现光伏发电单元输出功率与储能单元、直流负载吸收功率及系统器件损耗相等。

2）模式二：光伏发电单元和储能单元作为双电源供电模式。当公共交流配电网系统需电压补偿时，逆变器开始向电网传输能量，若光伏发电单元输出能量不能同时满足直流负载及交流侧电压补偿所需能量时，由储能单元提供功率缺额。

3）模式三：光伏发电单元给储能单元和逆变器提供能量模式。随着光照强度的不断增大，光伏发电单元的输出功率不断增加，当输出功率超过直流负载、器件损耗及MFSC所需能量之和时，堆积在直流母线上的功率将造成母线电压升高，立即起动储能单元，维持直流母线电压稳压。

4）模式四：储能单元独立向整个系统供电模式。当光照强度不足或处于夜晚时，光伏发电单元停止供电。除满足直流负载正常功率需求及器件损耗外，交流配电网发生电压跌落，需进行电压补偿时，交流系统所需能量将由储能单元提供，储能单元的双向变换器处于boost模式，可实现分布式能源系统电压恒定。

2　MFSC的控制策略

2.1电压补偿功能控制

MFSC分相控制可实现公共交流配电网系统各相电压灵活补偿，以A相为例进行说明，如图5所示。捕获交流系统A相电压esa相位，生成所需参考电压的标准正弦指令ULref，计算公共交流系统基波电压Usag，Uref减去Usag得到基波电压的波动指令Udvr，Udvr除以一、二次电压比k后，与串联变压器二次侧输出电压Uc相减，经过PI调节控制，得到补偿电压的PWM信号。若线路发生了短路故障，通过故障电流检测判断输出故障信号，闭锁后将PWM信号封锁，故该相IGBT不再开通。

图5　MFSC单相控制策略Fig.5 Control strategy of the single-phase of the MFSC

2.2故障限流功能控制

当短路故障发生，检测系统发现短路电流超过限定值时，延时待故障相开关管彻底关断后导通晶闸管支路，故障相输出滤波电感被短接入串联变压器二次侧，等效阻抗耦合至线路进行限流，限流后电流大小可由式（7）计算得出。为防止诸如潮流变化现象引起的电流突增，进而导致故障电流瞬时值检测误动作，以及非金属性接地导致的故障点电压不为零等情况的出现，本文提出，当连续检测多个交流系统负载侧电流瞬时值、串联变压器二次侧电压瞬时值大于故障动作值同时出现，才能判断公共交流配电网发生短路故障。公共交流配电系统为中性点不接地［24］，则：

1）公共交流配电网正常运行时，三相MFSC中的反并联晶闸管处于关断状态，各相均工作于电压调节模式。

2）公共交流配电网发生单相短路故障时，故障相电流很小，交流系统允许带故障持续运行，MFSC中非故障相工作在电压调节模式。

3）公共交流配电网发生两相接地短路及相间短路故障时，控制系统检测到故障相串联变压器两端电压迅速增大，交流线路电流也同时迅速增大，分别控制故障相工作在限流模式，非故障相工作在电压调节模式。

4）公共交流配电网发生三相短路故障时，控制系统检测到三相交流线路电流迅速增大，且落在串联变压器两侧的电压突增，控制MFSC各相均切换至故障限流模式。

5）若短路故障消失后，MFSC应由故障限流工作模式切换至电压调节模式，加速故障后公共交流配电网的系统电压恢复。

2.3光伏发电与储能单元协调控制

1）光伏发电控制

检测光伏发电单元的输出UPV、IPV，通过升压电路使得UPV跟随参考电压其中，参考电压通过MPPT控制器给定，控制光伏发电单元实现最大功率输出［25］。光伏发电单元的boost控制如图6所示。

图6　光伏发电单元中boost控制Fig.6 Boost control in photovoltaic

2）储能单元控制策略

充电模式：储能单元的双向变换器工作在buck模式，采用恒压控制，外环为储能单元电压环，经PI控制，然后通过限幅环节，内环为储能单元电流环［25］，如图7所示。

图7　储能单元充电模式的控制策略Fig.7 The control strategy of the energy storage unit

放电模式：储能单元的双向变换器工作在boost模式，控制系统采用双闭环，外环为直流母线电压控制环，经PI控制，然后通过限幅环节，内环为储能单元电流控制环，电流限幅控制可实现对储能单元的放电电流限制［25］，如图8所示。

图8　储能单元放电模式的控制策略Fig.8 The control strategy of the battery dischargemode

3）储能单元模式切换策略

当光伏发电单元输出功率增大，需要储能单元吸收多余功率，使得分布式能源系统的直流母线电压保持稳定。若光伏发电单元输出功率为PPV、MFSC吸收功率为Pin、直流负载消耗功率为Pload_dc，当PPV＞（Pin+ Pload_dc）时，储能单元工作在充电模式，当PPV＜（Pin+ Pload_dc）时，储能单元工作在放电模式。

3　仿真与实验

3.1MFSC多功能的仿真验证

本文提出了一种适用于主动配电网的MFSC拓扑及其控制策略，采用PSCAD/EMTDC仿真软件验证其电压补偿及故障电流限制功能的有效性。仿真系统选取的公共交流配电网为中性点不接地系统，额定系统电压为10 kV，负载额定容量为1 MW，具体参数如附表1所示。本文通过对公共交流配电网中发生最恶劣的三相短路故障电流限制及电压暂升、暂降补偿的模拟仿真，验证了MFSC多功能的有效性。

1）电压补偿性能仿真

如图9所示，若0.2 s时公共交流配电网发生三相电压跌落，跌落电压幅值为20%。控制系统检测到交流配电系统发生电压跌落后，发出补偿指令，通过串联变压器输出补偿电压串入输电线路，以实现交流负载侧电压ULoad恒定，如图9b所示。此时刻，MFSC的直流侧电压存在一定压降，但能迅速恢复至800 V附近。0.3 s时交流配电系统电压恢复至正常值，此时，串联变压器两端电压恢复正常。若0.4 s时公共交流配电网三相电压抬升，抬升幅度为20%。当MFSC检测到系统发生暂升时，立即发出补偿电压指令，使得系统电压维持在正常运行。此过程中，直流侧电压稍许抬升，但能恢复至稳定值附近。整个电压暂升、暂降过程，MFSC的反并联晶闸管支路未投入，负载电压几乎不变，实现了电压补偿功能。

图9　公共交流配电网发生电压跌落/抬升Fig.9 Voltage sags/swells in the system

2）故障限流性能仿真

如图10所示，若在0.55 s公共交流配电网负载侧发生三相短路故障，持续时间为0.1 s。在0.55～0.65 s期间，负载侧电压为零，负载电流迅速增大，分别如图10b、图10c所示。控制系统检测到负载电流迅速增大，判断故障发生后，立即导通晶闸管支路，MFSC切换至限流模式。由式（6）可知，此刻MFSC呈现高阻抗，大部分压降落在串联变压器两端，使得线路故障电流限制在约281.5 A，实现保护交流配电网中各类型设备免受大电流冲击。当三相短路故障消失，MFSC能迅速恢复至电压调节模式，无冲击。由图10e可见，故障期间，MFSC能够使得分布式电源系统与公共交流配电网有效分离，且直流侧电压能够维持稳定，短路冲击较小，可实现故障限流功能。

图10　公共交流配电网发生三相接地短路故障Fig.10 Three-phase downstream fault in the system

3.2MFSC多功能的实验验证

由于本文提出的MFSC为三单相拓扑，各相控制策略相同，因此实验室仅搭建单相样机，验证短路故障电流限制及电压补偿功能，具体实验参数如附表2所示。采用交流调压器模拟的公共交流配电网电压为110 V，MFSC的直流侧电容接至直流母线。电压补偿功能、短路限流功能实验结果分别如图11、图12所示。

图11　电压补偿功能实验Fig.11 Experiments of the voltage compensation function

图12　限流功能实验Fig.12 Experiments of the fault current limiting function

1）电压补偿性能实验

模拟公共交流配电网的电压有效值由110 V下降至80 V，当MFSC的控制系统检测到配电网电压发生跌落时，立即发出补偿电压指令，保证交流系统供电电压维持恒定，如图11所示。整个暂降过程中，MFSC的晶闸管支路未投入。可见，MFSC的电压补偿功能能够正常实现。

2）故障限流性能实验

假设正常运行时电阻负载为20Ω，若t1时刻在负载侧并联5Ω电阻，等效电阻变为4Ω，负载电流显著增大，模拟公共交流电网侧发生短路故障；t3时刻切除5Ω电阻，电阻负载恢复至20Ω，负载电流突然变小，模拟短路故障消除。

如图12a所示，t1时刻模拟公共交流电网短路故障发生，控制系统检测到短路故障发生后立即封锁MFSC中的IGBT信号，延迟在t2时刻导通晶闸管支路，滤波电感通过串联变压器串入公共交流电网，MFSC实现限制短路电流功能。t1～t2时间段为装置限流功能投入的暂态过程，此期间，晶闸管两端开始承受经串联变压器耦合到二次侧的电压，由于受较大的串联变压器励磁阻抗影响，负载电流在t1～t2时间段迅速变小。MFSC运行模式改变时，直流侧电压Udc在一个微小抬升后能够迅速维持稳定。由于MFSC在短路电流限制状态下，理论等效到一次侧的阻抗约为0.502 4Ω，因此，计算进行限流后公共交流系统的故障电流约为24.43 A。考虑到线路阻抗及串联变压器漏抗的影响，ILoad实际值应稍小于理论值。

如图12b所示，t3时刻模拟公共交流电网短路故障消除，控制系统检测到短路故障消除后，立即去除双向晶闸管的导通信号，待其承受反压且电流降到维持电流以下后才能完全关断，晶闸管支路电流变为零。在t3～t4时间段为装置限流功能退出的暂态过程。此期间，模拟公共交流电网恢复过程中受串联变压器励磁阻抗及滤波电容的影响，负载电流在t3～t4时间段迅速变小。t4时刻后，IGBT导通，MFSC重新进入到电压调节模式。此过程中MFSC的直流侧电压Udc几乎维持不变。可见，MFSC的限流功能能够正常实现。

3　结论

本文提出了一种多功能串联补偿器，其直流侧能量由分布式电源与储能单元通过直流母线可靠供给，当公共交流配电网未发生短路故障时，可实现对电压跌落及抬升的可靠补偿；当公共交流配电网负载侧发生短路故障时，能够快速分离分布式能源系统与公共交流配网，并对交流系统中的短路电流进行迅速限制。

1）所提MFSC系统采用拓扑结构复用技术，可将其作为分布式能源系统与公共交流配电网的一种连接装置。其直流侧通过分布式电源提供可靠能量，解决了原有电网补偿装置在深度电压补偿时能量不足的问题。

2）MFSC系统可根据实际情况应用于需同时考虑优化电能质量及故障电流限制的复杂配网系统，也可在交直流混合配网系统中发挥一定作用。本文重点研究了MFSC多功能实现的可行性，但对于分布式能源系统与公共交流配电网的交互影响仍需深入研究。

附录

附表1仿真参数App.Tab.1 Data of the simulation

附表2实验参数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

姜飞男，1985年生，博士研究生，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。（通信作者）

涂春鸣男，1976年生，教授，博士生导师，研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用。

国家自然科学基金（51377051）资助项目。

2015-06-01改稿日期2015-10-10