新型电能质量控制装置可行性研究

郭成,涂春鸣,邓树

(1.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217；2.湖南大学电气与信息工程学院,长沙 410082)

新型电能质量控制装置可行性研究

郭成1,涂春鸣2,邓树2

(1.云南电网公司电力科学研究院,昆明 650217；2.湖南大学电气与信息工程学院,长沙 410082)

针对配电网的电能质量及短路电流问题,提出一种新型电能质量控制装置 (a Novel Power Quality Controller),可实现对电网电压暂升、暂降、三相电压不平衡和短路故障限流的功能。分析了NPQC中并联变流器与串联变流器的PWM控制方式和反并联晶闸管的短路控制方式；研究了NPQC的电压质量补偿特性和限流特性；描述了NPQC在电压质量补偿状态与短路故障限流状态下的能量流动。最后通过仿真分析验证了新型电能质量控制装置的可行性。

新型电能质量控制器；固态限流器；控制方式；能量流动

0 前言

电力系统规模的不断扩大,智能电网、特高压大电网以及新能源发电等迅速发展,使电网结构、电源类型、负荷特性等产生新的变化,特别是光伏发电、风电、小水电等多类型分布式电源不断并网,使得电网的功率波动性、间歇性和不确性特征日益凸显[1-3]。系统规模的不断扩大,一是会导致系统短路容量增加,二是会加剧电网的电能质量污染,如电压波动与闪变、三相不平衡、谐波等。

动态电压恢复器[4-5]与固态限流器[6]是电力电子器件诞生后发展起来的两种电力控制技术。动态电压恢复器可连续、动态补偿电压暂升与暂降,波动与闪变以及三相不平衡等电压质量问题。固态限流器在电网正常时,对基波的阻抗近似为零,在电网发生短路故障时,可实现故障限流,且动作灵活可多次操作。

基于动态电压恢复器与固态限流器在装置构成、拓扑结构、入网方式等方面存在的相通性,本文提出了一种新型多功能固态限流器 (NPQC),并阐述了NPQC中串、并联变流器与双向晶闸管的控制方式；然后分析了NPQC在电压质量补偿状态与故障限流状态下的工作特性和能量流动特性；最后通过仿真结果验证了新型固态限流器在不同运况下拓扑结构、功能特性和控制方式的可行性与正确性。

1 NPQC的拓扑结构

本文提出的具有补偿电压暂升、暂降、三相不平衡和抑制系统短路电流功能的新型固态限流器,其拓扑结构如图1所示。NPQC主要由并联变流器、串联变流器、直流储能单元和双向晶闸管支路构成；其中并联变流器采用三相全控H桥构成,直流储能单元为电容器组,串联变流器为三个单相H桥,串联变流器与并联变流器通过共用直流侧电容实现能量共享；串联变流器采用LC型输出滤波器,双向晶闸管支路与LC滤波器并联,且设置于串联变流器IGBT桥臂输出点之间。

图1 NPQC的拓扑结构

2 NPQC的控制方式

2.1 并联变流器双闭环控制

电网的电压暂升、暂降、三相不平衡等问题,会造成直流侧电压的波动,可以采用电压和电流的双闭环控制以提高控制的精确度和控制的灵活性,如图2所示。

图2 并联变流器的双闭环控制

2.2 串联变流器与双向晶闸管控制

图3 串联变流器与双向晶闸管的单相控制方式

串联变流器与双向晶闸管的单相控制方式,如图3所示。通过捕获A相电压esa相位,生成所需要补偿到的相电压的标准正弦指令Uref,计算电源基波电压Usf,Uref减去Usf得到基波电压的波动指令Ur,Ur除以串联变压器变比k后与二次侧输出Uc相减,经过PWM指令计算后得到IGBT的控制信号。当发生短路故障时,NPQC进入限流状态：一方面形成封锁信号将A相PWM信号封锁使其IGBT全部关断,另一方面通过延时触发A相的双向晶闸管使A相串联变流器输出电抗短接到串联变压器的副边侧进行限流,其中的延时时间只要等待IGBT完全关断即可。其它两相的控制方式与A相相同。

3 NPQC的补偿特性与限流特性

3.1 电压补偿特性

图4中,ui为变流器输出电压,Lc为变流器滤波电感,Cc为变流器滤波电容,Rc为变流器开关损耗的等效电阻与滤波电感实际电阻之和,串联变压器的变比为k∶1,为串联变压器高压侧折算到二次侧的漏阻抗,变压器励磁阻抗很大,可以看作开路,为串联变压器一侧折算到二次侧的电压,为折算到二次侧的系统电流。

图4 电压补偿状态的NPQC等效模型

根据基尔霍夫电压电流定理有：

对式 (1)进行拉氏变换,得：

由上式可见串联变压器一次侧输出电压uT与变流器输出电压ui和系统电流is有关。变流器输出电压ui为受控输出量,系统电流is为扰动输入变量。根据检测算法算出的参考电压uref,按照PWM控制方法,使变流器输出幅值相等,脉宽不同的电压ui,经过滤波后,通过串联变压器耦合到电网中。

3.2 限流特性

当电网发生故障时,串联变流器故障相桥臂的工作脉冲封锁,其IGBT不再开通,非故障相变流器持续运行；封锁后的故障相串联变流器与并联变流器相当于开路；双向晶闸管导通后,串联变流器输出电抗器被短路到串联变压器的二次侧,其等效电路模型如下图5所示。

图5 限流状态的NPQC等效模型

Lc为变流器输出电感,基波阻抗为Z1=wLc；串联变流器LC输出滤波器谐振在高频,其谐振次数为n,则w为基波角频率,则为尽可能滤除开关毛刺使谐振次数n很大,所以n2＞＞1使即电容的基波阻抗远远大于输出电感的基波阻抗,使流入电容的基波电流几乎为零。串联变压器的变比为k,则输出电抗在一次侧的基波阻抗为 Zeq= k2wLc。由于变比k较大,k2＞＞1,则Zeq＞＞Zl和Zs,由此短路电流被限制为：

4 NPQC运行过程中的能量分析

4.1 电压补偿状态下的能量流动分析

图6 电压补偿状态能量流图

NPQC在进行电压补偿时,不同情况下的补偿状态其能量流动的方向是不同,如上图6中所示。在电网电压正常无波动时,限流器通过并联变流器从电网汲取能量以弥补各部分的损耗实现直流侧电压的稳定；电网电压发生三相暂降时,限流器从电网侧汲取能量,通过串联变流器注入电网实现负载电压的稳定；当发生三相电压暂升时,限流器通过从负载侧吸收能量返送回电网侧达到稳定负载电压的目的；当电网电压有一相暂升 (A相),一相暂降(B相)时,限流器从A相汲取的能量与从电网侧汲取的能量在直流储能单元处汇流,注入到B相,若维持B相负载电压稳定所需的能量小于从A相负载汲取的能量,其盈余部分会通过并联变流器送回电网侧；如电网发生两相暂升 (A,C相),一相暂降(B相),则限流器从A,C相吸收的能量和从电网吸收的能量在直流储能单元处汇合,汇合后的能量流向B相,若维持B相负载电压稳定所需的能量小于从A,C相负载吸收的能量,则超出的部分能量将通过并联变流器回送电网；若发生两相暂降 (A, C相),一相暂升 (B相)时,限流器从B相负载处吸收的能量与从电网汲取的能量在限流器的直流储能单元处汇流,汇合的能量通过串联变流器注入到A,C相负载中以维持负载电压稳定,如果从B相负载吸收的能量大于注入到A,C相的能量,其盈余部分将通过并联变流器流回电网。

4.2 限流状态下的能量分析

在限流状态中,NPQC在电网中对基波的等效阻抗为Zeq,电网除了向非故障相提供能量之外,也会有电流流过Zeq,由于器件的材料等因素不可能完全为感性,故也会有有功能量消耗在Zeq上。而在限流状态下,Zeq与限流态的串联变流器处于等效分离状态,即Zeq与NPQC并联变流器之间没有能量交换。如图7所示限流状态下的能量流图,若发生电源电压的波动时,在单相限流状态和两相限流状态中,能量在非故障相的串联变流器和并联变流器中通过储能单元实现负载与电源侧的能量交换；在三相限流状态中,限流器仅从电网吸收少许能量以弥补各部分损耗实现直流侧电压的稳定。

图7 限流状态下的能量流图

5 仿真分析

采用PSIM9.0仿真软件对该限流器应用于10 kV中性点不接地的电网系统进行仿真研究,其仿真具体参数如表1所示。

表1 系统仿真参数

负载为线性电阻50 Ω,容量约2 MW左右,线路电流约115 A,三相短路电流约18.4 kA；NPQC直流侧电压稳定值为 1 000 V；根据式(5),三相短路情况下短路电流应被限制在382. 9 A左右。以下各仿真波形中,Us为电网电压, U_L为负载电压,I_L为负载电流,Udc为NPQC的直流侧电压,Udvr为串联变压器两端的电压,其中电网电压和负载电压参考点为地。

5.1 电网系统正常时NPQC运行情况

如图8示,电网电压、负载电压和负载电流正常,NPQC的直流电压稳定,其输出电压很小,呈现了低阻抗特性,不会影响电网系统的正常运行。

图8 电网正常时限流器的运行状况

5.2 电压波动补偿

在图9中,a图表示0.3 s后三相相电压幅值暂降1 000 V,暂降范围为12.25%,b图表示0.3 s后三相电压幅值暂升 1 000 V,暂升范围为12.25%；通过仿真证明,补偿后三相负载相电压基本无波动,负载电流基本保持不变；电压暂降时,限流器能够及时输出与三相暂降电压同频同相的1 000 V电压,电压暂升时,限流器能够输出与三相暂升电压同频反相的1 000 V电压,在电源电压暂降和暂升过程中,负载电压能够得到很好的补偿,且在补偿过程中直流侧电压能够在能量流动时迅速恢复稳定,NPQC工作正常,未对电网产生不良影响。

图9 电压暂升与暂降补偿

图10 三相不平衡补偿

0.3 s时刻,系统发生三相不平衡波动,A相电压暂升1 000 V,B相电压不变,C相电压幅值暂降1 000 V,三相电压相位无变化。如图10,补偿后负载三相电压基本无变化,负载电流基本不变,直流侧电压保持稳定；限流器A相输出同频反相的1 000 V电压,B相输出基本为零,C相输出与电源C相电压同频同相的1 000 V电压,证明NPQC能够补偿系统的三相不平衡,使负载电压保持稳定,且未对电网产生不良影响。

5.3 单相接地短路

图11 单相接地短路限流

0.3 s时刻后,系统A相发生单相接地短路。如图11,短路后B,C相对地电压升高,但线电压保持对称,三相电流基本保持不变,系统可以带一个接地点持续运行一段时间,限流器不进入限流状态。仿真证明,单相接地短路故障下NPQC能够保持正常运行,不会对系统产生不良影响。

5.4 两相接地短路

图12 两相接地短路限流

如图12所示,0.3 s时刻,系统发生A,B两相接地短路。仿真证明,A相电流被限制在376.5 A左右,B相电流被限制在273.1 A左右, C相电流基本不变,非故障相能够持续运行；由于发生了接地情况,负载对地电压都发生了变化；直流侧电压虽然存在波动但始终处于1 000 V稳定值左右,NPQC起到了很好的限流效果。

5.5 两相相间短路

图13 两相相间短路

0.3 s时刻后,系统A,B相发生相间短路。如图13所示,限流后A相电流被限制在377.7 A左右,B相电流被限制在282.1 A左右,C相电流基本无变化,直流侧电压虽然存在波动但始终稳定在1 000 V左右；仿真表明,NPQC能够对相间短路起到良好的限流效果。

5.6 三相短路

图14 系统三相短路限流

0.3 s时刻,系统发生三相短路,如图14所示,短路发生后负载侧电压几乎降落到零,电网电压几乎完全降落在串联变压器两端,限流器的直流侧电压稳定在1 000 V,三相电流被限制在378.1 A左右；仿真表明,限流状态下的NPQC呈现出了高阻抗特性,能够对三相短路起到良好的限流效果。

6 结束语

本文提出了一种配电网新型电能质量控制装置,根据其理论分析可得到如下结论：

1.所提出的NPQC,能够在不影响系统正常运行情况下实现了对电压暂升、暂降、三相电压不平衡的补偿或抑制。

2.所提出的NPQC,还能够对不同类型的短路故障进行限流,通过串联变压器的二次侧电抗可实现良好的限流效果。

文章最后通过仿真分析验证了所提配电网新型电能质量控制装置的可行性。

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涂春鸣 (1976),男,工学博士,教授,博导,湖南大学电气与信息工程学院,目前主要从事电能质量分析与控制研究工作。

邓树,湖南大学电气与信息工程学院。

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,工学博士,高级工程师,云南电网公司电力科学研究院,主要从事电能质量分析与控制、电力系统分析研究工作 (e-mail)gc325＠126.com。