应用于微电网中静态转换开关的强制关断技术

摘 要： 针对微电网中由晶闸管构成的静态转换开关（STS）关断时间较长的问题，提出一种结合微电网内储能变流器使用的强制关断方法，并给出理论计算数学模型。利用储能变流器结构中的拓扑特点，在微电网由并网运行转孤网运行过程中对晶闸管施加反向电压，促使晶闸管电流提前过零，从而完成强制关断。通过对所提方法的数学模型分析，揭示影响该强制关断技术的主要因素。为了解决实际工程中的应用问题，给出实际应用中的强制关断控制流程，最后通过仿真分析和实验验证了所提方法的正确性。

关键词： 静态转换开关; 储能变流器; 整流器; 微电网

中图分类号： TM46

文献标志码： A

文章编号： 2095-8188（2024）12-0015-06

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.12.003

Forced Turn off Technology Applied to Static Transfer Switch in Microgrid

WANG Weian^1，2， QIAO Daoji1

（1.Technical Center， Shanghai Electric Power Transmission and Distribution Equipment Company， Shanghai 200722， China;

2.School of Electronic Information and Electrical Engineering， Shanghai Jiaotong University， Shanghai 200240， China）

Abstract： In order to solve the problem that the static transfer switch of the thyristor in the microgrid is hard to shut off，a kind of forced turn off method combined with the energy storage converter in the microgrid is proposed and the mathematical model of the method is also given.The topology characteristics in the structure of energy storage converter are used to apply the reverse voltage to the thyristor during the operation of changing mode of grid connected to isolated network.The thyristor current is dropped to zero to complete the forced turn off.By analyzing the mathematical model of the proposed method，the main factors affecting the forced turn off technology are revealed.In order to solve the application problems in practical engineering，the forced turn off control process in practical application is also given.Finally，the correctness of the proposed method is verified by the simulation analysis and the test.

Key words： static transfer switch; power conversion system; rectifier; microgrid

0 引 言

随着社会的发展，传统大电网供电方式与分布式能源网络崛起的矛盾日益突出，微电网已经逐渐成为分布式发电大规模普及应用的重要组织形式。微电网充分汲取分布式发电的优点，与大电网互为支撑，可以自发自用、余电上网，不仅能使用户得到不间断的可靠供电，而且能为社会减少化石能源的消耗，减轻环境的承载压力。

微电网^［1-2］一个重要的功能是并网和孤岛2种运行模式间自由无缝切换。无缝切换是保证微电网内敏感负荷正常运行的前提，已成为微电网和新能源领域的研究热点之一。然而，若要实现微电网与大电网间的自由无缝切换，必须采用一种能快速导通和断开2者间联系的静态转换开关（STS）设备。利用半导体器件组成的电力电子设备可以在导通速度上满足要求，如以绝缘栅双极型晶体管（IGBT）^［3-4］为代表的全控型电力电子器件和以晶闸管为代表的半控型器件。IGBT可以通过控制门极触发信号来控制器件的导通与关断，但其驱动电路复杂、成本高、器件本身耐冲击能力差，目前实际项目中应用不多。而以晶闸管为代表的半控型器件构成的STS因其成本低、过载能力强、导通损耗小、耐冲击、器件工艺技术成熟等优点而成为目前微电网应用中的主要解决方案。

晶闸管应用于STS最大的难点^［5-8］是其作为半控型器件，一旦导通之后，驱动信号无法控制其关断，需要等到主回路电流过零才能可靠关断。因此在自然状态下，这种转换开关的关断延时最高可达1/2个工频周期，这对于应用于微电网的无缝切换领域无疑是一个弊端。通常解决这个问题有2种方法：① 通过设计辅助电路，在关断时刻为晶闸管提供并联反向电压，强迫晶闸管关断;② 通过改变晶闸管主回路中的两端电压，为晶闸管利用其应用场合构造出一个反向强迫关断回路，从而进行强迫关断。如在不间断电源（UPS）或动态电压恢复器（DVR）应用中^［5］，当负载原有的供电电源出现电压跌落故障时，起动与之并联的备用电源。由于故障电源与备用电源之间存在电压差，故障电源支路上的晶闸管因两端承受反压而强迫关断，负载能够迅速由故障电源切换至备用电源，但这种方法也受制于负载的功率因数、跌落深度等因素影响。

在微电网应用中，通常以1台或者几台储能变流器作为孤网运行下的主电源^［9-12］。当电网掉电后，利用储能系统中的能量为负荷提供电压和频率的支撑。若需完成无缝切换功能，储能变流器会实时监测电网的电压是否有故障等信息（非计划孤网）或者实时接收调度指令（计划孤网），一旦启动离网指令后，储能变流器会发送信号关断STS，待晶闸管完全可靠关断后再进行独立逆变并网。可见，整个过程中晶闸管关断时间的长短决定了整个微电网由并网转孤网运行过程的切换时间。

本文通过分析三相三电平储能变流器，提出了一种基于储能变流器的关断方法，并对该关断方法进行了详细的数学推导，给出了晶闸管的关断时间与储能变流器主回路参数之间的相互关系，为微电网中并网转孤网运行过程的切换时间提供了理论依据，最终通过仿真验证了方法的可行性。

1 系统拓扑

常见微电网系统示意如图1所示。微电网系统中包含储能系统、光伏系统以及其他的分布式电源。正常并网工况时，STS导通，所有设备与大电网相连，系统工作在大电网的并网模式，负载供电由电网提供。当有需要使得微电网系统工作于孤网模式时，微电网控制器或储能变流器控制STS关断，断开微电网与大电网的联系。此时电压源由储能变流器承担，支撑微电网系统的电压和频率。图1中的STS每相均由2个反并联的晶闸管构成。

在储能变流器的拓扑中，目前常用的拓扑是中点钳位型（NPC）三电平变换器^［10-13］。其每相回路由4只开关管、4只反并联的续流二极管、2个钳位二极管、2组直流电容和交流滤波回路组成。此拓扑结构具有如下的优点：① 每个功率管承受的电压是直流母线总电压的1/2，低开关管的耐受电压可以允许提高开关管的工作频率，并且相对开关损耗小;② 相同的开关频率下，输出波形为三电平叠加，从而输出波形的谐波含量低;③ 电容中点的引出可以为系统提供中线输出能力，能用于微电网中单相负荷供电。NPC三电平变换器拓扑结构如图2所示。此外，还有多种三相四线制的储能变流器拓扑结构也能使用本文所提的强制关断技术，本文不再赘述。

2 强制关断技术分析

本文所提的晶闸管强制关断方法，是利用微电网内的储能变流器，通过一定的功率器件开关组合，在晶闸管驱动脉冲消失后给晶闸管主回路施加一定时间的反向关断电压，加速晶闸管主回路电流下降到维持电流以下，从而促使其强制关断。整个关断过程结束后，储能变流器再按照正常的离网电压源运行。

基于NPC型三电平储能变流器在整个微电网中应用的单相拓扑简图如图3所示。

由图3可知，正常并网运行时，控制STS导通，负载通过回路1向负载供电，此时的储能变流器工作在并网模式，以电流源模式运行，其根据电网调度需求从电网中吸收能量或释放能量。当电网出现故障或者人为控制孤网运行时，控制STS关断，待STS彻底关断后，由储能变流器作电压源模式运行，通过回路2为负载建立起电压和频率。为了使负载供电不受供电模式切换的影响，需要保证这个切换过程时间足够短。

图3中，储能变流器直流侧有储能电容C1、C2，在储能并网变流器正常运行时，直流侧储能电容C1、C2的电压Udc+、Udc-一定要大于等于储能变流器电网交流侧相电压的峰值，所以利用这个直流电压，通过控制储能变流器中的部分开关管的导通与关断情况，可以给STS施加反向电压，从而强制其关断。

具体措施：以某相电网电压Us处于正半周为例，封锁STS触发驱动信号后，控制储能变流器该相的功率开关管VT1、VT2导通，此时储能变流器直流侧储能电容C1经过功率开关管VT1、VT2，再经过交流滤波电感Lf向负载放电。这3者构成了一个典型的二阶LC振荡电路。电容电压初始值为Udc+，电感电流初始值为零。当电感电流增至原STS中流过的电流时，即STS的电流下降到0，负载电流转移到储能变流器上，此时晶闸管被强迫关断。

3 强制关断的数学模型

以A相电压正半周为例，控制功率开关管VT1、VT2导通，忽略晶闸管构成的STS的导通压降、开关器件VT1、VT2管压降以及储能变流器交流滤波电容Cf的作用。图3中回路电压方程和初始条件为

Lfdiadt=u+dc－Us

C1du+dcdt=－ia

u+dct=0=Udciat=0=0（1）

式中： Lf——交流滤波电感;

C1——直流母线储能电容;

Us——电网A相电压瞬时值;

ia——流过交流滤波电感的电流;

u+dc——直流电容电压瞬时值;

Udc——直流电容电压初始值。

由于要控制晶闸管在很短时间内关断，为简便分析，假定在关断过程中电网电压不变。

解关于式（1）构成的二阶非齐次微分方程，可得：

udc+=Us+（Udc－Us）costLfC1

ia=（Udc－Us）C1LfsintLfC1（2）

假设在关断时刻流过STS的电流为IA，采用本文所提的方法，当滤波电感Lf上的电流达到IA时，也就是在STS中的电流IA下降到0的时刻，晶闸管被强迫关断。整个过程中的时间toff为

toff=LfC1arcsinIA（Udc－Us）C1/Lf（3）

为了保证整个过程中晶闸管被可靠关断，需保证式（3）方程有解，即

IA（Udc－Us）C1/Lf≤1（4）

由式（3）、式（4）可知，实现可靠强制关断的必要条件是负载电流不能太大，否则会导致储能变流器的振荡回路无法提供相应的电流给STS换流，从而无法强制关断STS。这在实际应用中可以理解为当微电网由并网模式切换至离网模式时，如果负载过大，必然会导致储能逆变器过流保护，将无法实现强制关断，这就需要微电网能量管理系统的控制器在并网转孤网运行模式前提前对负荷用电量评估。另外，从式（3）还可以得出，关断晶闸管时电网电压、储能变流器的参数均会对关断时间产生影响。

4 强制关断控制流程

前文已经对晶闸管强制关断的关键技术原理，以及关断过程中的数学模型进行了详细的分析。强制关断技术的策略：在封锁晶闸管的触发脉冲后，控制储能逆变器的各相开关管，并维持一定的时间直至晶闸管上的导通电流下降到其维持电流以下，从而强制关断STS，之后再控制储能变流器按照正常的电压源模式运行。控制策略流程如图4所示。

5 仿真分析

为了验证本文所提方法的有效性，运用MATLAB/Simulink仿真工具软件对本文所提出的方法进行仿真研究。

仿真条件：交流电网额定电压380 V，额定频率50 Hz，脉冲宽度调制（PWM）整流器三相交流滤波电感0.6 mH，三相交流滤波电容40 μF，负载是由5 Ω电阻和10 mH电感组成的阻感性负载，储能变流器采用三相NPC拓扑结构，直流侧电容中点直接引出至电网中性点，直流侧上下支撑电容容值分别为20 mF，直流母线电压为720 V，开关频率选取为10 kHz，采用三相SPWM调制方法^［13-15］。

为了解电网相电压出现峰值时的晶闸管强制关断情况，本仿真过程中，在0.025 s时封锁晶闸管触发脉冲，应用本文提出的强制关断方法，待晶闸管确认关闭后再启动储能变流器的孤网运行功能。

无强制关断时A相晶闸管的自然过零关断情况如图5所示。由图5可知，当电压在A相峰值点时下发晶闸管脉冲封锁指令，此时由于晶闸管正向导通，而且负载为阻感性电流，晶闸管要经过半个周期后方可关断，关断的时间较长。

应用本文提出的强制关断方法及建立的数学模型，计算仿真条件下的微电网系统参数。应用公式（3），取Us=310 V，0.025 s的关断时刻负载电流IA=160 A，代入可求得toff ≈2.03 ms，即应用本文的强制关断方法和其数学模型，只需2.03 ms便可以将晶闸管强制关断。有强制关断时A相晶闸管强制过零如图6所示。由图6可知，采用本文所提方法后，晶闸管在0.027 s时就实现了提前关断，强制关断时间与本文所提的数学模型的理论计算高度一致，进一步证明了该方法理论的正确性。

由数学模型可以得知，整个强制关断过程的关断时间与储能逆变器装置本身的硬件参数、直流母线电压值、关断时刻的电网电压瞬时值密切相关。由式（3）可知，当储能变流器的参数及负载电流确定后，电网电压的峰值点对应着最严苛的强制关断工况。实际应用中，统筹三相电流、电压情况，可以得出三相晶闸管最长的关断时间。在实现晶闸管的可靠关断后，储能变流器便可切换回正常的电压源运行模式。微电网系统并网转孤网切换如图7所示。

由图7可知，采用本文所提方法后，使用晶闸管作为STS的微电网系统能实现快速断开与电网的联系，并且能保证整个过程中负载基本不受影响。

6 实验验证

为了进一步验证本文所提方法的有效性，搭建模拟微电网平台。该平台由50 kW三电平储能变流器、STS和30 kVA阻感性负载构成。储能变流器采用三相NPC拓扑结构，交流滤波回路采用LCL结构，电感值分别为0.4 mH、0.2 mH，三相交流滤波电容容值为40 μF。微电网平台如图8所示。

在纯阻性负载状态下，模拟电网电压三相幅值跌落至0%，储能变流器检测到电网电压跌落后，给STS发送驱动闭锁信号，待晶闸管有效关断后，储能逆变器控制输出三相交流电压。阻性负载状态下三相电网电压跌落如图9所示。储能变流器利用本文所提的强制关断技术，能够迅速控制流过晶闸管的电流过零，从而切断与电网间的联系。当该STS可靠关断后，储能变流器转入逆变输出模式，支撑负荷电压，使负荷供电基本不受影响。

当该模拟微电网带阻感性负荷后，阻感性负载下三相电网电压跌落如图10所示。与图9相似，储能变流器检测到电网电压跌落后利用本文所提的强制关断技术控制流过晶闸管的电流迅速过零。STS关断后，储能变流器转为恒压频逆变模式为负荷供电。

7 结 语

针对微电网中由晶闸管构成的STS关断时间较长的问题，本文提出了一种结合微电网内储能变流器的强制关断方法，并给出了该方法的理论计算数学模型。

所提方法利用储能变流器结构中的储能电容和滤波电感，通过一个二阶LC振荡电路实现对晶闸管施加反向电压，促使晶闸管电流提前过零，从而完成强制关断。通过对该方法的数学模型分析，揭示了影响该强制关断技术的主要因素，当已知系统主要参数后，可以通过数学模型较精确地计算出实现强制关断所需要的时间，从而解决实际工程中的应用问题，具有很强的设计指导意义。本文所提强制关断方法需要LC回路及变流器开关管配合，应用场景有一定局限性。在研究中作者并未考虑储能变流器故障、高低穿或开关管驱动损坏等工况，因此在复杂场景下本文内容的适用性有待验证。

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收稿日期： 20240803