敏感用户高品质交-直流级联供电方案研究

倪扶瑶,谢 琦,郭亚威,许 中,周 凯,郭倩雯,栾 乐

(1. 四川大学电气工程学院，四川 成都 610065; 2. 广东电网公司广州供电局电力试验研究院，广东 广州 510420)

0 引 言

随着全控型电力电子器件和数字化控制技术的发展，用电负荷呈现出多样性，可编程逻辑控制器(programmable logic controller，PLC)、个人计算机（personal computer，PC）、交流接触器（AC contactor，ACC）、变频器（variable frequency drive，VFD）等一系列对电压暂降敏感的设备已被广泛应用于工业生产过程中[1]。其中，VFD通过整流和逆变将市电转换为电压和频率可调的电源，进而实现电机的调速。在造纸厂卷子机、塑料生产注塑机、食品制冷剂循环泵、玻璃自动分片机等各类由电动机驱动的装置中均采用VFD进行控制。发生电压暂降时，VFD异常运行常常导致整个生产过程的中断，造成经济损失甚至威胁到人身安全[2]。针对电压暂降问题，目前的治理设备包括动态电压调节器[3]、静止同步补偿器[4]、电压暂降保护装置[5]等。

近年来，直流供电系统由于其高效率、高可靠性等优势受到了广泛关注[6-8]，尤其是在住宅供电和数据中心供电场合。直流供电系统采用两条直流线路供电的架构本身决定了直流配电系统不存在频率、相位以及三相电压不平衡的问题[9]。此外，由于直流保护装置及电力电子接口装置快速响应与动作特性，使得直流电压暂降与暂升的典型持续时间远小于交流系统[10]。因此，充分利用和提升直流供电系统高电能质量供电的能力，建立工业用低压直流供电方案为以VFD为代表的敏感负荷供电具有重要的发展前景。

蒋科等[11]提出建立基于MMC的直流输电系统用于提升园区电能质量。李江龙等[5]提出的VSP则是在用户端研发了一种并联式直流后备电源系统，通过升压DC/DC变换器的控制，确保负载在降压至20%残压时依然可以正常运行3～60 s，但是VSP只能单一对直流负荷进行电压暂降的治理。与多端直流输电技术以及单一治理设备相比，直流供电方案更关注面向集中敏感用户的供电可靠性、电能质量等问题[12]。目前关于直流供电方案的研究主要集中在协调控制系统中分布式电源、储能和可控负荷等单元，实现各种扰动情况下系统的稳定运行。王盼宝等[13]提出了同时适用于并离网运行模式的电压分层控制策略。该策略根据母线电压等级将运行模式分为5种，不同模式下分别选取并网逆变器、储能系统、分布式电源作为稳压单元，维持直流母线电压稳定。Tricarico T等[14]研究了交直流混合微网中交错并联型变换器的控制，抑制系统中负荷与分布式发电单元变化对系统稳定运行的影响。

然而，上述直流供电系统的研究较少考虑电压暂降等暂态过程。在交流系统发生电压暂降时直流供电母线电压容易出现短时跌落，影响敏感负荷正常运行。因此，本文基于VFD工作特性的分析提出了一种新型工业用交-直流级联供电方案。该供电方案能为以VFD为代表的各类交流和直流敏感负荷提供高品质供电。

1 VFD双向供电工作原理

VFD是一类典型的广泛应用于连续型生产企业的工业生产设备。暂降造成VFD故障停机的主要原因可分为以下两个方面：1）内部原因，变频调速器的保护系统（如过电流保护、欠电压保护）动作，或变频调速系统控制器断电或受扰，控制器发出指令紊乱；2）外部原因，系统中其他元件（如交流接触器或电动机）脱扣，导致变频调速系统故障停机。

变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。典型的交-直-交变频器拓扑结构如图1所示，该类变频器主要由两个模块组成，即整流模块和逆变模块。整流模块主要由二极管整流回路组成，简单可靠，可将三相交流电整流为直流电，直流电将存储在直流环节的电容之中；逆变模块主要由可控器件构成的三相逆变桥组成，可将存储在电容中的直流电逆变为频率可变的交流电。

图1 VFD双向供电结构图

交-直-交VFD可以采用前级交流供电和中间级直流供电两种供电模式。两种供电模式如图1所示。VFD在正常运行时前级和中级分别接入交流馈线与直流馈线，互为备用电源，为VFD提供高可靠性和高电能质量供电。在直流输入端通过串联二极管限制电流流动方向，防止电流反向流动；串联熔断器作为短路与过电流保护。

2 供电方案设计

本文提出的交-直流级联供电方案能够同时向VFD负荷提供交流供电与直流供电。基于无通信系统的压差自感应电压暂降检测技术，实现电压暂降或短时中断过程中供电回路快速切换，保证系统正常运行。此外，储能系统采用自主均流控制的变换器接入直流供电回路，补偿功率缺额，维持暂降过程中直流供电母线的电压稳定，向VFD及其他交流敏感负荷供电。

2.1 系统拓扑

本文提出的工业交-直流级联供方案拓扑如图2所示。系统主要分为直流供电回路与交流供电回路两部分。

图2 交直流级联供电方案拓扑图

直流供电回路如图2中绿色部分，电池储能系统通过双向DC/DC变换器接入直流母线。直流母线电压与各单元注入直流母线的功率之间的关系可以表示为：

式中：Ubus——直流母线电压，V；

C——直流母线上的等效电容值，F；

PES——储能系统输出有功功率，W；

PL——负荷吸收的有功功率，W。

电池储能系统通过双向DC/DC变换器接在直流母线上提供集中式储能供电。与传统分散式治理方案中针对每个敏感负荷配备一组蓄电池组的方式相比，减少了对电池容量和数量的需求。直流母线电压参考值Ubusref设定为500 V，可直接接入VFD直流环节，向VFD供电。同时，正常情况下VFD直流侧电压Udcref=550 V大于直流母线电压，形成压差钳制，避免正常情况下直流供电回路与VFD之间的功率交换。此外，500 V直流通过DC/DC变换器降压为48 V直流，为工厂48 V等级直流照明等负荷供电。

交流供电回路如图2中黄色部分，交流供电回路在正常模式下向VFD前级以及其他交流负荷供电。此外，交流回路与直流供电回路之间通过可控型AC/DC逆变器相连，并串联于敏感交流负载进线前端。在电压暂降发生时，稳定直流电压通过可控逆变输出完美正弦波，确保其他交流敏感负载正常运行，包括VFD的交流控制电路。

2.2 系统控制策略

针对现有电压检测技术检测速度慢、信号处理环节复杂的问题，提出基于半导体器件压差导通特性的控制方法，实现电压暂降过程中直流供电系统与敏感负荷间压差自感应控制，极大提高了电压暂降治理响应的快速性。

交-直流级联供电系统运行模式可以分为正常运行模式与暂降暂态模式，通过检测VFD直流母线电压可以判断系统运行模式。由于采用了二极管压差自感应技术，在此无需传感器检测，当暂降引起直流供电母线电压小于VFD直流侧电压时，二极管自然导通，直流供电系统开始向VFD供电，维持VFD直流环节电压在正常范围之内。与此同时，受压差影响，VFD前级不控整流单元中二极管不再导通，交流供电回路停止向VFD供电，可在一定程度上起到改善交流系统电压暂降问题的作用。

1）正常运行模式：充电机向储能系统充电，维持电池荷电状态在较高水平（>90%），以应对接下来发生的电压暂降问题。充电结束后，储能系统与充电机断开连接，进入备用工作模式。VFD及其他交流系统由交流供电回路供电。VFD直流侧电压Udc=550 V，高于500 V直流母线电压Ubus，在二极管作用下交直流供电回路之间不存在功率交换。

2）暂降暂态模式：当交流系统发生暂降，系统进入暂降暂态模式，VFD直流电容电压Udc跌落，当Udc

结合上述交流供电回路与直流供电回路的工作原理，本文提出工业交-直流级联供电方案工作原理流程如图3所示。

图3 工作原理流程图

2.3 直流供电变换器的控制

DC/DC变换器是实现储能模式下电压调节的重要单元，双向DC/DC变换器控制电池储能系统的充放电，在暂降过程中储能放电维持直流母线电压的稳定，在正常状态下充电机或交流系统向电池充电。由于采用了多个电池组串并联的集中供电式电池储能系统，要求变换器具有大的电流容量。因此，有必要选择多模块并联的DC/DC变换器。

如图4所示的两相交错并联Buck-Boost变换器输出电流为并联电感L1、L2的总和，两相斩波电路交错导通能有效减小注入系统的电流纹波及单个滤波电感的尺寸。此外，值得注意的是并联结构模块间电感、开关器件及分布参数不可能完全一致，必然存在模块间电流分布不均的问题。本文设计了一种基于混合电流控制技术的电流均衡方法，快速调节各相电流。

图4 两相交错并联Buck-Boost电路及控制

均流控制框图如图4所示。以电压、电流双闭环控制为基础，并联运行模块间采用独立电流反馈环，共用电压反馈环。混合电流控制策略基本思想是将电流基准信号均分为每个模块的参考电流，然后补偿两相电感电流差值，经过电流调节器产生信号x1和x2，再由给定恒频的三角载波信号tr1和tr2与信号x1和x2相加得到信号y1和y2，最终经滞环比较器产生开关管占空比信号S1和S2。其中tr1与tr2为相位相差180°的载波信号，通过滞环控制实现两相DC/DC变换器依次导通。

图4中Ubusref是直流母线电压基准值，Uo是直流母线电压实时测量值，二者误差e经电压调节器生成Iref。电感电流If1和If2作差得到ΔIL/2作为补偿值，图4中：

若If1和If2相等，则误差值相等，电流调节器输入为Iref/2与实际电感电流的差值，两个给定信号x1、x2相同，保证下个开关动作后电感电流维持相等。若If1和If2不等，则根据上一周期电流偏差ΔIL/2，建立新的参考电流，增大电感电流较小者参考电流，减小电流较大者参考电流，使得电感电流快速趋近统一，改善电感电流分布不均问题。

2.4 储能单元配置方法

确定边际条件是选择定制电力治理设备的关键问题，包括电压保护范围、保护时间和治理频次。CIGRE C4.110工作组报告给出一种针对工业过程免疫力时间（process immunity time，PIT）的推荐性标准，一般来说，电压以满足短时中断为基础，时间以满足最大保护动作时间为基础，频次以解决全部电压暂降为基础。

典型的VFD在电压瞬间跌落到额定电压值的75%～80%以下会报直流母线欠压故障报警，引起宕机。当VFD逆变器件为IGBT时，在电压暂降或短时中断后，将允许VFD继续工作一个短时间td。若电压暂降或短时中断的持续时间totd，VFD欠压保护动作，VFD停止运行。一般td取6～11 ms，只要电压暂降到75%～80%以下，都可能使变频器调速的电动机停止运行。

对于直流供电回路中的电池储能系统，根据被保护设备的功率及支撑时间进行蓄电池容量的选择。设变频器总功率为P，需要支撑的时间为ts，预先选择蓄电池容量为C1，单节电池放电ts后的截止电压为U1（查询容量为C1的电池放电数据表），电池节数N，电池组最大放电总电流I，则：

若电池放电倍率为K，则电池容量的最大值C为：

考虑电池容量储备为：

其中Ks为电池储备系数，通常Ks=1.1。最后比较计算结果Cbat与预先选择容量C1。若C1≥Cbat，则所选蓄电池满足要求。

3 仿真及实验测试

3.1 仿真验证

在Matlab/Simulink中搭建如图2所示的交-直流级联供电模型。仿真模型系统参数设置：接入4台额定功率7.5 kW的VFD，VFD直流侧电容C=2 μ F。储能系统选择35节125 Ah/12 V铅酸电池串联，端口电压420 V，放电倍率5C。交流系统线电压Uac=380 V，正常交流供电运行下VFD直流电压Udc约为550 V，设置欠电压保护阈值Udcth=412.5 V（75%×550）。直流供电系统母线电压参考值Ubusref=500 V。

设置t=1 s时交流系统线路发生三相接地故障，故障电阻分别为1.2 Ω与17.1 Ω，故障持续时间tf=600 ms,导致VFD交流侧输入电压出现30%和70%暂降。

如图5所示，故障期间交流输入电压Uac三相电压出现了30%的暂降。VFD直流侧电压Udc正常运行模式下约为550 V，当不接入直流供电系统时，且不考虑欠电压保护动作的情况下，暂降过程中Udc下降到约100 V，远低于Udcth，VFD停止运行；当接入直流供电系统时，暂降过程中Udc维持在475 V左右，高于欠电压保护阈值，可继续正常运行。

图5 30%电压暂降治理效果

交流系统发生70%电压暂降情况下的治理效果见图6。未接入交-直流供电系统，Udc跌落到378 V仍小于Udcth，欠电压保护动作。接入直流供电系统，暂降过程中Udc≈500 V。此时，从交流系统注入VFD负荷的功率降为0 kW，电池储能系统通过直流供电母线向VFD送电，维持系统正常运行。

图6 70%电压暂降治理效果

3.2 DC/DC变换器测试

交错并联型DC/DC变换器是维持VFD正常运行的重要单元，暂降过程中通过调压控制维持直流母线电压的稳定。本节将对DC/DC变换器进行测试，检测其稳定电压与均流控制方法的有效性。

测试中取开关频率为7.5 kHz 采样电阻为20 Ω，电感L1=L2=88 μ H。分别设置DC/DC输入侧电压Ui=298～338 V，测试输出电压与流过两相电感的电流。采用示波器读取电压电流信号，如图7所示，CH1：L1电感电流采样（黄色曲线），CH2：L2电感电流采样（蓝色曲线），CH4：输出电压采样（绿色曲线）。

图7 交错并联DC/DC变换器测试结果

输出电压Uo控制目标为480 V，由测试结果看出该DC/DC变换器能够在一定范围内维持恒定输出电压。与此同时，两相电流基本相等，有效实现了交错型变换器的均流。

3.3 暂降治理功能测试

3.3.1 测试方案设计

根据以上分析设计出基于直流一体化技术的电压暂降治理装置样机。本文搭建实验平台测试了该装置的治理范围及有效性。实验接线图如图8所示。验证在电网电压跌落时(由380 V的额定值跌落至额定电压的0%、20%、60%、90%)，该治理装置能否提供有效的直流电源保证变频器持续运行。测试持续时间为10 s，与仿真结果进行对比分析。

图8 测试平台实验接线图

3.3.2 测试步骤

试验步骤如下：

1）合上QF1，设置电压暂降发生仪电压暂降持续时间，选择暂降档位。

2）然后合上QF3，启动变频器。

3）合上QF2，设置交直流一体化技术的电压暂降治理装置参数。

4）合上QF4，启动电压暂降发生仪，模拟380 V厂用母线电压的跌落过程。

5）记录不同幅度暂降时设备支撑时间，变频器电压电流，交直流一体化技术的电压暂降治理装置输出电压电流。

6）发出给停止运行指令，观察交直流一体化技术的电压暂降治理装置运行状况。

3.3.3 测试结果

市电电压发生暂降时，直流一体化电压暂降治理装置样机能够提供有效的直流电源，保证变频器在交流失电的情况下正常运行，支撑时间为10 s。具体实验测试波形如图9所示，其中黄色曲线为交流电压，蓝色为变频器直流母线电压，紫色为变频器输出电压波形。可见在不同深度电压暂降以及短时中断过程中变频器直流母线电压都维持在475 V左右，处在正常范围之内，能够维持系统正常运行。

图9 电压支撑效果测试图

4 结束语

通过仿真与测试验证了本文提出的工业用交-直流级联供电方案能有效改善敏感负荷的电能质量，实现电压暂降与短时中断过程中敏感负荷的正常供电。本文的主要贡献还包括：

1）提出了一种新型基于直流供电技术的电压暂降治理架构，有效保证了工业敏感负荷VFD以及其他交流敏感负荷的正常供电，为建设工业高品质供电提供了新思路。

2）直流供电直接接入VFD直流母线上，采用无源检测方式，当直流电压跌落，自动开始切换为直流供电母线注入功率，实现了无通信系统的快速无扰动切换。

3）针对储能系统纹波系数大的问题，采用了两相交错并联Buck-Boost变换器作为并网变换器，并提出了基于混合电流控制的均流控制方法，通过实验测试验证了该控制方法的有效性。

4）目前，基于直流供电的电能质量控制研究尚处于起步阶段，直流系统电能质量方面的标准有待进一步完善。随着分布式电源的接入，发生电压暂降时如何协调储能、分布式电源与负荷响应，开展交-直流级联高品质供电的经济性评估将是下一步需要解决的问题。