適用于主動配電網的多功能串聯補償器研究

姜飛涂春鳴楊健莊士成劉子維

（國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）長沙410082）

適用于主動配電網的多功能串聯補償器研究

姜飛涂春鳴楊健莊士成劉子維

（國家電能變換與控制工程技術研究中心（湖南大學）長沙410082）

提出一種適用于主動配電網（ADN）的多功能串聯補償器（MFSC），可作為分布式能源系統與公共交流配電網的連接接口，實現動態電壓補償及故障限流的雙功能。分別分析電網正常運行及發生短路故障下，MFSC的工作原理和直流系統能量平衡原理，并建立MFSC電壓補償及故障限流數學模型。此外，提出MFSC的電壓補償模式、故障限流模式、分布式電源與儲能單元協調模式的控制策略。最后，在PSCAD/EMTDC仿真軟件上驗證了所提新拓撲的有效性，并搭建實驗室平臺驗證了其電壓補償功能及限流功能的正確性。

主動配電網多功能故障限流電壓補償

3　引言

隨著各級政府及居民環境保護意識的逐步提升，分布式能源（如太陽能、風能等）發電技術（Distributed Generation，DG）獲得了蓬勃發展，傳統配電網需逐步轉變為主動配電網（Active Distribution Network，ADN），以滿足對分布式能源的主動控制及主動管理等要求［1，2］。然而，DG大量接入對ADN系統的電壓、短路容量等造成顯著影響［3］；ADN中的各種類別故障（短路故障、電壓跌落等）也將對電網設備安全及高效運行產生潛在危害。因此，設計一種同時具備電壓補償與故障限流功能的新拓撲，對傳統配電網向ADN快速轉變以及ADN的安全、穩定運行具有重要意義。

近年來，文獻［4，5］已提出了利用電力電子變換器作為新能源發電并網接口，同時具備改善電能質量功能的拓撲結構。文獻［6］提出了將傳統串、并聯變換器結構與分布式能源、能量存儲進行結合再配置，能夠更好的適用于分布式發電系統。此外，串、并聯變換器的直流側均可采用獨立分布式能源供電［7，8］，維持直流側電壓穩定，提高變換器運行效率。

故障限流器的主流研究方向為基于電力電子技術的固態限流器和基于超導技術的超導限流器［9］，主要集中在限流模塊的拓撲優化［10］、控制策略［11，12］及其對電網的影響［13，14］。文獻［10］提出了一種能夠控制電網正常運行下的電壓補償深度及電網短路故障下的電流限制程度的拓撲結構。文獻［11］提出了一種耦合法固態限流器，能夠實現電網短路故障電流限制的功能。文獻［12］提出了一種適用于諧振型高頻交流母線新型固態短路限流器的驅動電源。傳統固態限流器運行機理是通過對多個電力電子器件的通斷來實現限流模塊投切［15］，因此，本文考慮將固態限流器與相近似拓撲的電能質量調節器復用，單獨控制限流模塊，達到實現多種電能質量調節裝置的功能。文獻［16］建立了帶限流模塊的統一潮流控制拓撲結構（Unified Power Flow Controller，UPFC），具有常規UPFC和三相橋式固態限流器的多種功能。文獻［17］分析了基于磁通補償原理的固態限流器拓撲及原理。文獻［18］提出了串聯型有源電力濾波器（Series Active Power Filter，SAPF）的串聯變壓器二次側，并聯變阻器和反并聯二極管支路方法，能夠實現保護變換器的作用，但由于額外增加支路復雜，且控制難度大，易造成配合失效［19］。由文獻［16-18］可知，通過對電力電子設備拓撲結構的簡單改進或復用實現所需額外功能是可行的。經調研，動態電壓恢復器（Dynamic Voltage Restorer，DVR）拓撲［20］與固態限流器拓撲［21］存在一定的相似性，考慮將固態限流器與動態電壓恢復器相同結構復用［22］，作為主動配電網內分布式能源系統與公共交流配電網的一個連接端口。

本文提出了一種適用于主動配電網的多功能串聯補償器（Multi-Function Series Compensator，MFSC），其交流側串聯接入公共交流配電網，分布式能源系統的直流母線通過DC-DC雙向變換器與MFSC的直流側電容連接，可為MFSC提供穩定的直流側電壓。當電網未發生短路故障時，MFSC實現對交流配電網的電壓暫升、暫降調節；當公共交流配電網負載側發生短路故障時，MFSC能有效隔離交流系統與直流系統，并實現對交流系統故障電流的限制功能。分析了MFSC的拓撲結構、工作機理及控制策略，并在PSCAD/ EMTDC仿真軟件上驗證了所提新拓撲功能的有效性，搭建實驗室樣機平臺驗證了MFSC的電壓補償功能及故障限流功能的正確性。

1　MFSC的拓撲及工作原理

1.1MFSC的拓撲結構

基于多功能串聯補償器的主動配電網結構如圖1所示。圖1a中的分布式能源系統含有分布式電源（以光伏陣列為例）、儲能單元（蓄電池）以及直流負載（小型化直流樓宇、數據中心負載等），經過MFSC與公共交流配電網相連，光伏陣列與儲能單元為直流負載與MFSC直流側提供能量。直流母線與MFSC之間增設雙向DC-DC電路，目的是為了獲取MFSC直流側所需等級的電壓幅值，同時避免MFSC直流側電壓波動對分布式能源系統的影響。

單相多功能串聯補償器結構如圖1b所示，串聯逆變器通過LC濾波器接于串聯變壓器T的二次側，串聯變壓器一、二次電壓比為k，LC濾波器用于濾除逆變器輸出的高次諧波；一組反并聯晶閘管并聯在串聯逆變器交流輸出端的兩側，控制反并聯晶閘管的通斷能夠實現電壓補償功能與故障限流功能的切換；區域D為不同功能運行模式下的公共拓撲結構。

圖1　基于多功能串聯補償器的主動配電網結構Fig.1 Topology of active distribution network based on the MFSC

一方面，公共交流配電系統未發生短路故障。當光照強度達到額定值時，光伏陣列采用最大功率點輸出能量，在滿足能量需求平衡條件下，將剩余功率存儲至蓄電池；當光照強度未達到設定值時，需要蓄電池放電來補充直流負載所需能量，且光伏電池工作在最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）狀態，能夠最大限度的利用太陽能；交流配電網發生電壓波動時，逆變器輸出補償電壓所需的能量能夠完全由分布式能源系統提供。另一方面，公共交流配電系統負載側發生短路故障。控制系統檢測故障發生后，立即封鎖故障相的IGBT觸發脈沖，延時導通反并聯晶閘管支路，使分布式能源系統與公共交流配電網分離，濾波電感L通過反并聯晶閘管支路串連接入交流配電系統，可實現故障限流功能。

該新型結構的優點為：①協調控制光伏、儲能單元的能量流動，為MFSC直流側穩壓提供能量，有效補償公共交流配電網電壓的長時間、深度跌落，同時提高分布式能源系統的利用效率；②作為分布式能源與公共交流配電網的連接裝置，故障情況下能實現兩者的靈活分離，并具備對后者的限流保護功能，較大限度提升設備利用價值。

1.2MFSC的工作原理

1.2.1電壓補償功能原理

公共交流配電網發生電壓跌落，MFSC處于電壓補償模式，結構類似于傳統DVR，如圖2所示。MFSC的電壓源型變換器可看成串聯于電源和負載之間的受控電壓源u0，實現補償系統電壓跌落。而MFSC的直流側能量由分布式電源通過直流母線經DC-DC變換器提供，分布式能源系統帶有儲能單元，因此具備較大的電壓輸出能力，能夠補償深度電壓跌落。

圖2　電壓補償功能實現的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit in voltage compensation mode

根據圖2，若忽略公共交流配電網阻抗Zs及線路阻抗Zl，當電壓跌落后，全補償方式下［23］

式中：udvr為MFSC輸出的補償電壓；usag為跌落后的交流系統電壓；uLref為交流系統期望負載側瞬時電壓。可見，補償電壓大小是通過檢測跌落前負載側電壓值和跌落時的電壓值計算得出，實現負載側電壓恒定。因此，準確檢測電源電壓相位及幅值對于補償效果十分關鍵。由于串聯變壓器一次電壓udvr是通過二次側回路控制產生，對串聯變壓器二次側電路有

式中：L為MFSC輸出濾波電感；串聯變壓器T的一、二次電壓比為k；iL為交流系統負載電流。假設忽略流過LC濾波器的濾波電容C上流過的基波電流，逆變器輸出的基波電流可表示為i0=-kiL，則式（2）轉變為

式中：uc為串聯變壓器二次電壓。由式（1）～式（3），求得在交流系統電源側電壓跌落值為usag，負載側電壓補償到理想值uLref時，MFSC變流器交流側需輸出的基波電壓為

1.2.2故障限流功能原理

公共交流配電網負載側發生短路故障時，封鎖IGBT脈沖，延時觸發導通反并聯晶閘管，MFSC將主動配電網分為兩個相互獨立的系統，即分布式能源系統和公共交流配電網系統。分布式能源系統除維持MFSC直流側電容電壓穩定及負載正常運行外，內部多余的能量存儲至儲能單元。故障消除后，由于MFSC的直流側電壓維持在恒定值，MFSC能夠迅速連通分布式電源與公共交流配電網，加速恢復正常供電。MFSC在限流模式下的等效電路如圖3所示。

圖3　故障限流功能實現的等效電路圖Fig.3 The equivalent circuit in current-limitingmode

故障期間，系統電流急劇增大，封鎖多功能串聯補償器故障相逆變器的工作脈沖，IGBT不再導通，延時等待后，晶閘管支路將故障相濾波電感L等效串聯接入交流系統。由于濾波電容C的基波阻抗遠大于電感L的基波阻抗，因此

串聯變壓器一次側的等效限流阻抗為

式中：k為串聯變壓器一、二次電壓比。當反并聯晶閘管控制短路支路導通后，故障電流被限制為

式中：Zs為公共交流系統阻抗；Zl為交流系統線路阻抗。通常Zs和Zl很小，因此，限流后交流配電網系統中的故障電流大小主要取決于串入的等效限流阻抗Zeq，其由串聯變壓器一、二次電壓比k和輸出濾波電感L的大小共同決定。

1.2.3直流系統能量平衡原理

MFSC直流側電容通過DC-DC雙向變換器與分布式能源系統的直流母線相連；光伏發電單元通過DC-DC變換器向直流母線提供能量；儲能單元（蓄電池）通過雙向DC-DC變換器連接在直流母線，能夠實現能量交換；直流負載消耗能量。下面通過4個模式分析直流系統能量流動，示意圖如圖4所示。

1）模式一：光伏發電單元單獨向儲能單元、直流負載供電模式。包括：當儲能單元能量較低，且公共交流配電網無需電壓補償；當公共交流配電網中發生短路故障時，MFSC切換至短路限流模式，其直流側僅與DC-DC雙向變換器相連。以上情況光伏電池采用MPPT控制，并維持直流母線電壓恒定，實現光伏發電單元輸出功率與儲能單元、直流負載吸收功率及系統器件損耗相等。

2）模式二：光伏發電單元和儲能單元作為雙電源供電模式。當公共交流配電網系統需電壓補償時，逆變器開始向電網傳輸能量，若光伏發電單元輸出能量不能同時滿足直流負載及交流側電壓補償所需能量時，由儲能單元提供功率缺額。

3）模式三：光伏發電單元給儲能單元和逆變器提供能量模式。隨著光照強度的不斷增大，光伏發電單元的輸出功率不斷增加，當輸出功率超過直流負載、器件損耗及MFSC所需能量之和時，堆積在直流母線上的功率將造成母線電壓升高，立即起動儲能單元，維持直流母線電壓穩壓。

4）模式四：儲能單元獨立向整個系統供電模式。當光照強度不足或處于夜晚時，光伏發電單元停止供電。除滿足直流負載正常功率需求及器件損耗外，交流配電網發生電壓跌落，需進行電壓補償時，交流系統所需能量將由儲能單元提供，儲能單元的雙向變換器處于boost模式，可實現分布式能源系統電壓恒定。

2　MFSC的控制策略

2.1電壓補償功能控制

MFSC分相控制可實現公共交流配電網系統各相電壓靈活補償，以A相為例進行說明，如圖5所示。捕獲交流系統A相電壓esa相位，生成所需參考電壓的標準正弦指令ULref，計算公共交流系統基波電壓Usag，Uref減去Usag得到基波電壓的波動指令Udvr，Udvr除以一、二次電壓比k后，與串聯變壓器二次側輸出電壓Uc相減，經過PI調節控制，得到補償電壓的PWM信號。若線路發生了短路故障，通過故障電流檢測判斷輸出故障信號，閉鎖后將PWM信號封鎖，故該相IGBT不再開通。

圖5　MFSC單相控制策略Fig.5 Control strategy of the single-phase of the MFSC

2.2故障限流功能控制

當短路故障發生，檢測系統發現短路電流超過限定值時，延時待故障相開關管徹底關斷后導通晶閘管支路，故障相輸出濾波電感被短接入串聯變壓器二次側，等效阻抗耦合至線路進行限流，限流后電流大小可由式（7）計算得出。為防止諸如潮流變化現象引起的電流突增，進而導致故障電流瞬時值檢測誤動作，以及非金屬性接地導致的故障點電壓不為零等情況的出現，本文提出，當連續檢測多個交流系統負載側電流瞬時值、串聯變壓器二次側電壓瞬時值大于故障動作值同時出現，才能判斷公共交流配電網發生短路故障。公共交流配電系統為中性點不接地［24］，則：

1）公共交流配電網正常運行時，三相MFSC中的反并聯晶閘管處于關斷狀態，各相均工作于電壓調節模式。

2）公共交流配電網發生單相短路故障時，故障相電流很小，交流系統允許帶故障持續運行，MFSC中非故障相工作在電壓調節模式。

3）公共交流配電網發生兩相接地短路及相間短路故障時，控制系統檢測到故障相串聯變壓器兩端電壓迅速增大，交流線路電流也同時迅速增大，分別控制故障相工作在限流模式，非故障相工作在電壓調節模式。

4）公共交流配電網發生三相短路故障時，控制系統檢測到三相交流線路電流迅速增大，且落在串聯變壓器兩側的電壓突增，控制MFSC各相均切換至故障限流模式。

5）若短路故障消失后，MFSC應由故障限流工作模式切換至電壓調節模式，加速故障后公共交流配電網的系統電壓恢復。

2.3光伏發電與儲能單元協調控制

1）光伏發電控制

檢測光伏發電單元的輸出UPV、IPV，通過升壓電路使得UPV跟隨參考電壓其中，參考電壓通過MPPT控制器給定，控制光伏發電單元實現最大功率輸出［25］。光伏發電單元的boost控制如圖6所示。

圖6　光伏發電單元中boost控制Fig.6 Boost control in photovoltaic

2）儲能單元控制策略

充電模式：儲能單元的雙向變換器工作在buck模式，采用恒壓控制，外環為儲能單元電壓環，經PI控制，然后通過限幅環節，內環為儲能單元電流環［25］，如圖7所示。

圖7　儲能單元充電模式的控制策略Fig.7 The control strategy of the energy storage unit

放電模式：儲能單元的雙向變換器工作在boost模式，控制系統采用雙閉環，外環為直流母線電壓控制環，經PI控制，然后通過限幅環節，內環為儲能單元電流控制環，電流限幅控制可實現對儲能單元的放電電流限制［25］，如圖8所示。

圖8　儲能單元放電模式的控制策略Fig.8 The control strategy of the battery dischargemode

3）儲能單元模式切換策略

當光伏發電單元輸出功率增大，需要儲能單元吸收多余功率，使得分布式能源系統的直流母線電壓保持穩定。若光伏發電單元輸出功率為PPV、MFSC吸收功率為Pin、直流負載消耗功率為Pload_dc，當PPV＞（Pin+ Pload_dc）時，儲能單元工作在充電模式，當PPV＜（Pin+ Pload_dc）時，儲能單元工作在放電模式。

3　仿真與實驗

3.1MFSC多功能的仿真驗證

本文提出了一種適用于主動配電網的MFSC拓撲及其控制策略，采用PSCAD/EMTDC仿真軟件驗證其電壓補償及故障電流限制功能的有效性。仿真系統選取的公共交流配電網為中性點不接地系統，額定系統電壓為10 kV，負載額定容量為1 MW，具體參數如附表1所示。本文通過對公共交流配電網中發生最惡劣的三相短路故障電流限制及電壓暫升、暫降補償的模擬仿真，驗證了MFSC多功能的有效性。

1）電壓補償性能仿真

如圖9所示，若0.2 s時公共交流配電網發生三相電壓跌落，跌落電壓幅值為20%。控制系統檢測到交流配電系統發生電壓跌落后，發出補償指令，通過串聯變壓器輸出補償電壓串入輸電線路，以實現交流負載側電壓ULoad恒定，如圖9b所示。此時刻，MFSC的直流側電壓存在一定壓降，但能迅速恢復至800 V附近。0.3 s時交流配電系統電壓恢復至正常值，此時，串聯變壓器兩端電壓恢復正常。若0.4 s時公共交流配電網三相電壓抬升，抬升幅度為20%。當MFSC檢測到系統發生暫升時，立即發出補償電壓指令，使得系統電壓維持在正常運行。此過程中，直流側電壓稍許抬升，但能恢復至穩定值附近。整個電壓暫升、暫降過程，MFSC的反并聯晶閘管支路未投入，負載電壓幾乎不變，實現了電壓補償功能。

圖9　公共交流配電網發生電壓跌落/抬升Fig.9 Voltage sags/swells in the system

2）故障限流性能仿真

如圖10所示，若在0.55 s公共交流配電網負載側發生三相短路故障，持續時間為0.1 s。在0.55～0.65 s期間，負載側電壓為零，負載電流迅速增大，分別如圖10b、圖10c所示。控制系統檢測到負載電流迅速增大，判斷故障發生后，立即導通晶閘管支路，MFSC切換至限流模式。由式（6）可知，此刻MFSC呈現高阻抗，大部分壓降落在串聯變壓器兩端，使得線路故障電流限制在約281.5 A，實現保護交流配電網中各類型設備免受大電流沖擊。當三相短路故障消失，MFSC能迅速恢復至電壓調節模式，無沖擊。由圖10e可見，故障期間，MFSC能夠使得分布式電源系統與公共交流配電網有效分離，且直流側電壓能夠維持穩定，短路沖擊較小，可實現故障限流功能。

圖10　公共交流配電網發生三相接地短路故障Fig.10 Three-phase downstream fault in the system

3.2MFSC多功能的實驗驗證

由于本文提出的MFSC為三單相拓撲，各相控制策略相同，因此實驗室僅搭建單相樣機，驗證短路故障電流限制及電壓補償功能，具體實驗參數如附表2所示。采用交流調壓器模擬的公共交流配電網電壓為110 V，MFSC的直流側電容接至直流母線。電壓補償功能、短路限流功能實驗結果分別如圖11、圖12所示。

圖11　電壓補償功能實驗Fig.11 Experiments of the voltage compensation function

圖12　限流功能實驗Fig.12 Experiments of the fault current limiting function

1）電壓補償性能實驗

模擬公共交流配電網的電壓有效值由110 V下降至80 V，當MFSC的控制系統檢測到配電網電壓發生跌落時，立即發出補償電壓指令，保證交流系統供電電壓維持恒定，如圖11所示。整個暫降過程中，MFSC的晶閘管支路未投入。可見，MFSC的電壓補償功能能夠正常實現。

2）故障限流性能實驗

假設正常運行時電阻負載為20Ω，若t1時刻在負載側并聯5Ω電阻，等效電阻變為4Ω，負載電流顯著增大，模擬公共交流電網側發生短路故障；t3時刻切除5Ω電阻，電阻負載恢復至20Ω，負載電流突然變小，模擬短路故障消除。

如圖12a所示，t1時刻模擬公共交流電網短路故障發生，控制系統檢測到短路故障發生后立即封鎖MFSC中的IGBT信號，延遲在t2時刻導通晶閘管支路，濾波電感通過串聯變壓器串入公共交流電網，MFSC實現限制短路電流功能。t1～t2時間段為裝置限流功能投入的暫態過程，此期間，晶閘管兩端開始承受經串聯變壓器耦合到二次側的電壓，由于受較大的串聯變壓器勵磁阻抗影響，負載電流在t1～t2時間段迅速變小。MFSC運行模式改變時，直流側電壓Udc在一個微小抬升后能夠迅速維持穩定。由于MFSC在短路電流限制狀態下，理論等效到一次側的阻抗約為0.502 4Ω，因此，計算進行限流后公共交流系統的故障電流約為24.43 A。考慮到線路阻抗及串聯變壓器漏抗的影響，ILoad實際值應稍小于理論值。

如圖12b所示，t3時刻模擬公共交流電網短路故障消除，控制系統檢測到短路故障消除后，立即去除雙向晶閘管的導通信號，待其承受反壓且電流降到維持電流以下后才能完全關斷，晶閘管支路電流變為零。在t3～t4時間段為裝置限流功能退出的暫態過程。此期間，模擬公共交流電網恢復過程中受串聯變壓器勵磁阻抗及濾波電容的影響，負載電流在t3～t4時間段迅速變小。t4時刻后，IGBT導通，MFSC重新進入到電壓調節模式。此過程中MFSC的直流側電壓Udc幾乎維持不變。可見，MFSC的限流功能能夠正常實現。

3　結論

本文提出了一種多功能串聯補償器，其直流側能量由分布式電源與儲能單元通過直流母線可靠供給，當公共交流配電網未發生短路故障時，可實現對電壓跌落及抬升的可靠補償；當公共交流配電網負載側發生短路故障時，能夠快速分離分布式能源系統與公共交流配網，并對交流系統中的短路電流進行迅速限制。

1）所提MFSC系統采用拓撲結構復用技術，可將其作為分布式能源系統與公共交流配電網的一種連接裝置。其直流側通過分布式電源提供可靠能量，解決了原有電網補償裝置在深度電壓補償時能量不足的問題。

2）MFSC系統可根據實際情況應用于需同時考慮優化電能質量及故障電流限制的復雜配網系統，也可在交直流混合配網系統中發揮一定作用。本文重點研究了MFSC多功能實現的可行性，但對于分布式能源系統與公共交流配電網的交互影響仍需深入研究。

附錄

附表1仿真參數App.Tab.1 Data of the simulation

附表2實驗參數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

姜飛男，1985年生，博士研究生，研究方向為電力電子技術在電力系統中的應用。（通信作者）

涂春鳴男，1976年生，教授，博士生導師，研究方向為電力電子技術在電力系統中的應用。

國家自然科學基金（51377051）資助項目。

2015-06-01改稿日期2015-10-10