基于SCR强迫关断的负载不间断供电技术研究

孙海洋 宋飞 王俊辉 侯凯

摘要：保证重要负载的不间断供电是当前电力系统中的重要环节。鉴于此，设计了一种以SCR（晶闸管）与PCS（变流器）为核心的负载不间断供电系统，提出了电网故障情况下基于PCS电流注入法的SCR强迫关断技术，其能快速有效隔离故障电网，缩短负载由电网供电切换到PCS供电的过渡时间。样机实验结果表明了该项技术的快速性与有效性。

关键词：不间断供电;PCS电流注入法;SCR强迫关断;快速性

0    引言

当前人们对电能质量的要求越来越高，一些重要负載，诸如高精密仪器、化工设备、工业计算机等对于电网的电压暂升、暂降、断电等异常情况都非常敏感。因此，如何保证这些重要负载的供电可靠性成为一个重要课题。

鉴于此，本文研究了基于SCR与PCS相配合的负载不间断供电系统，其中SCR作为智能开关的基本单元，PCS作为备用电源，当电网故障时由PCS为负载供电。该系统中，为保证电源切换的快速性，本文采用PCS电流注入的方法快速关断SCR，有效隔离了故障电网，在毫秒级时间内即能实现PCS为负载供电的电源切换，从而实现了关键负载的不间断可靠供电。

1    基于SCR与PCS的负载不间断供电系统架构

基于SCR与PCS的负载不间断供电系统架构如图1所示。

图1中，三相智能开关柜由三相反并联的SCR作为主开关[1]，连接着电网与敏感负载。PCS储能变流器采用常规两电平拓扑，直流侧连接着电池或超级电容，交流侧与智能开关柜输出端相并联，同时连接着负载。电网正常情况下，通过控制器驱动SCR导通[2]，由电网电压为负载供电，PCS此时可并网运行或待机;当检测到电网异常时，首先需将SCR关断，即隔离故障电网，然后由PCS切换为离网模式为负载快速建压，由此实现重要负载的不间断供电。

2    PCS控制策略

电网正常时，PCS在本方案中将运行于并网模式，电网故障时PCS将运行于离网模式。并网模式与离网模式采用的控制框图分别如图2、图3所示。图2中，该控制环路为单电流环控制结构，通过设定dq坐标系下的给定有功、无功电流Idref与Iqref可控制PCS进行充电或放电，所用的变换角度为电网锁相获得;图3为离网模式下的VF控制，该控制环路为双环控制结构，外环为电压环，内环为电流环。通过设定电压外环的给定电压Um与频率ω*，可控制PCS输出端电压，从而为负载供电。

3    基于SCR强迫关断的负载不间断供电技术

根据SCR的特性，当需要关断SCR时，仅通过关断SCR驱动，SCR将自然续流最大时长达10 ms才能关断，这无法满足不间断供电系统要求[3]。为此，本文提出了基于SCR与PCS协调控制的SCR强迫关断技术，策略为：当SCR检测到电网故障后，首先SCR控制PCS封脉冲（或由PCS自身过流封脉冲）;当检测到PCS无输出电流后，关断SCR驱动脉冲，同时检测出此时SCR上的续流电流，以此电流作为PCS单电流环模式重启脉冲的给定电流，以达到快速拉低SCR上续流电流的目的;当SCR上电流为0后，即实现了电网故障的快速隔离;然后PCS切换到VF模式运行快速建压，给负载提供可靠供电[4]。

电网故障快速隔离及不间断供电过程如下，其中iscr表示SCR上电流，ipcs表示PCS电流，iload表示负载电流。

过程一如图4所示。

如图4，电网正常时，SCR触发驱动，PCS运行于PQ并网模式发脉冲模式。此时iscr+ipcs=iload。

过程二如图5所示。

如图5，电网故障且PCS电流不为0时，SCR仍触发驱动，SCR通过光纤指令禁止PCS起脉冲直至PCS电流为0，此时iscr=iload。

过程三如图6所示。

如图6，当判断出PCS输出电流为0时，禁止SCR驱动，PCS检测此时SCR上的续流电流，以此电流为目标给定值重启脉冲，运行于单环并网模式。最终iscr=0，ipcs=iload。

以上过程实现了SCR的强迫快速关断，从而可快速隔离电网故障。

过程四如图7所示。

如图7，当SCR检测到自身续流电流为0后，下发VF运行模式指令给PCS，由PCS快速建压为负载供电，从而实现负载不间断供电。

软件设计流程图如图8所示。

4    样机实验验证

针对此负载不间断供电系统方案，研制了基于SCR的智能开关柜样机，该系统中采用500 kW储能变流器作为备用电源。分别开展了空载与带载情况下的实验验证，实验结果分别如图9、图10所示。

如图9所示，电网正常时PCS并网输出1 kW，SCR正常驱动导通;将电网拉闸断电后，故障电网被快速隔离，同时由PCS建压为负载（空载变压器）供电。由图可见，输出电压能够快速切换，保证了不间断供电。

如图10所示，黄色为A相负载电压，红色、绿色、蓝色分别为A相、B相、C相负载电流。电网正常时PCS并网输出1 kW，SCR正常驱动导通，此时负载基本均由电网供电;将电网拉闸断电后，智能开关柜快速隔离了故障电网，同时由PCS建压为负载供电。由图可见，负载输出电压切换过渡时间仅在3 ms左右，保证了负载的不间断供电。

5    结语

本文主要研究了采用SCR与PCS相配合的负载不间断供电系统。为实现故障电网快速隔离，提出了基于PCS电流注入法的SCR强迫关断技术。样机实验结果表明了该系统可在毫秒级时间内实现负载电源的快速切换，从而实现了关键负载的可靠供电。

[参考文献]

[1] 傅鹏，高格，李定，等.晶闸管在大功率变流和开关中的应用[J].电工技术学报，2004，19（8）：34-39.

[2] 范彩云，何青连，马俊民，等.基于晶闸管的中压固态开关触发技术[J].自动化应用，2011（11）：25-27.

[3] 王松岑，于坤山，汤广福.10 kV固态电源切换开关的研制[J].电力电子技术，2008，42（3）：37-38.

[4] 黄伟煌，付勋波，胡书举，等.一种新型晶闸管双向开关快速关断技术[J].电工技术学报，2013，28（S1）：508-513.

收稿日期：2021-04-02

作者简介：孙海洋（1990—），男，江苏南京人，硕士，工程师，研究方向：电力电子技术、储能技术等。