敏感用戶高品質交-直流級聯供電方案研究

倪扶瑤,謝 琦,郭亞威,許 中,周 凱,郭倩雯,欒 樂

(1. 四川大學電氣工程學院，四川 成都 610065; 2. 廣東電網公司廣州供電局電力試驗研究院，廣東 廣州 510420)

0 引 言

隨著全控型電力電子器件和數字化控制技術的發展，用電負荷呈現出多樣性，可編程邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)、個人計算機（personal computer，PC）、交流接觸器（AC contactor，ACC）、變頻器（variable frequency drive，VFD）等一系列對電壓暫降敏感的設備已被廣泛應用于工業生產過程中[1]。其中，VFD通過整流和逆變將市電轉換為電壓和頻率可調的電源，進而實現電機的調速。在造紙廠卷子機、塑料生產注塑機、食品制冷劑循環泵、玻璃自動分片機等各類由電動機驅動的裝置中均采用VFD進行控制。發生電壓暫降時，VFD異常運行常常導致整個生產過程的中斷，造成經濟損失甚至威脅到人身安全[2]。針對電壓暫降問題，目前的治理設備包括動態電壓調節器[3]、靜止同步補償器[4]、電壓暫降保護裝置[5]等。

近年來，直流供電系統由于其高效率、高可靠性等優勢受到了廣泛關注[6-8]，尤其是在住宅供電和數據中心供電場合。直流供電系統采用兩條直流線路供電的架構本身決定了直流配電系統不存在頻率、相位以及三相電壓不平衡的問題[9]。此外，由于直流保護裝置及電力電子接口裝置快速響應與動作特性，使得直流電壓暫降與暫升的典型持續時間遠小于交流系統[10]。因此，充分利用和提升直流供電系統高電能質量供電的能力，建立工業用低壓直流供電方案為以VFD為代表的敏感負荷供電具有重要的發展前景。

蔣科等[11]提出建立基于MMC的直流輸電系統用于提升園區電能質量。李江龍等[5]提出的VSP則是在用戶端研發了一種并聯式直流后備電源系統，通過升壓DC/DC變換器的控制，確保負載在降壓至20%殘壓時依然可以正常運行3～60 s，但是VSP只能單一對直流負荷進行電壓暫降的治理。與多端直流輸電技術以及單一治理設備相比，直流供電方案更關注面向集中敏感用戶的供電可靠性、電能質量等問題[12]。目前關于直流供電方案的研究主要集中在協調控制系統中分布式電源、儲能和可控負荷等單元，實現各種擾動情況下系統的穩定運行。王盼寶等[13]提出了同時適用于并離網運行模式的電壓分層控制策略。該策略根據母線電壓等級將運行模式分為5種，不同模式下分別選取并網逆變器、儲能系統、分布式電源作為穩壓單元，維持直流母線電壓穩定。Tricarico T等[14]研究了交直流混合微網中交錯并聯型變換器的控制，抑制系統中負荷與分布式發電單元變化對系統穩定運行的影響。

然而，上述直流供電系統的研究較少考慮電壓暫降等暫態過程。在交流系統發生電壓暫降時直流供電母線電壓容易出現短時跌落，影響敏感負荷正常運行。因此，本文基于VFD工作特性的分析提出了一種新型工業用交-直流級聯供電方案。該供電方案能為以VFD為代表的各類交流和直流敏感負荷提供高品質供電。

1 VFD雙向供電工作原理

VFD是一類典型的廣泛應用于連續型生產企業的工業生產設備。暫降造成VFD故障停機的主要原因可分為以下兩個方面：1）內部原因，變頻調速器的保護系統（如過電流保護、欠電壓保護）動作，或變頻調速系統控制器斷電或受擾，控制器發出指令紊亂；2）外部原因，系統中其他元件（如交流接觸器或電動機）脫扣，導致變頻調速系統故障停機。

變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。典型的交-直-交變頻器拓撲結構如圖1所示，該類變頻器主要由兩個模塊組成，即整流模塊和逆變模塊。整流模塊主要由二極管整流回路組成，簡單可靠，可將三相交流電整流為直流電，直流電將存儲在直流環節的電容之中；逆變模塊主要由可控器件構成的三相逆變橋組成，可將存儲在電容中的直流電逆變為頻率可變的交流電。

圖1 VFD雙向供電結構圖

交-直-交VFD可以采用前級交流供電和中間級直流供電兩種供電模式。兩種供電模式如圖1所示。VFD在正常運行時前級和中級分別接入交流饋線與直流饋線，互為備用電源，為VFD提供高可靠性和高電能質量供電。在直流輸入端通過串聯二極管限制電流流動方向，防止電流反向流動；串聯熔斷器作為短路與過電流保護。

2 供電方案設計

本文提出的交-直流級聯供電方案能夠同時向VFD負荷提供交流供電與直流供電?；跓o通信系統的壓差自感應電壓暫降檢測技術，實現電壓暫降或短時中斷過程中供電回路快速切換，保證系統正常運行。此外，儲能系統采用自主均流控制的變換器接入直流供電回路，補償功率缺額，維持暫降過程中直流供電母線的電壓穩定，向VFD及其他交流敏感負荷供電。

2.1 系統拓撲

本文提出的工業交-直流級聯供方案拓撲如圖2所示。系統主要分為直流供電回路與交流供電回路兩部分。

圖2 交直流級聯供電方案拓撲圖

直流供電回路如圖2中綠色部分，電池儲能系統通過雙向DC/DC變換器接入直流母線。直流母線電壓與各單元注入直流母線的功率之間的關系可以表示為：

式中：Ubus——直流母線電壓，V；

C——直流母線上的等效電容值，F；

PES——儲能系統輸出有功功率，W；

PL——負荷吸收的有功功率，W。

電池儲能系統通過雙向DC/DC變換器接在直流母線上提供集中式儲能供電。與傳統分散式治理方案中針對每個敏感負荷配備一組蓄電池組的方式相比，減少了對電池容量和數量的需求。直流母線電壓參考值Ubusref設定為500 V，可直接接入VFD直流環節，向VFD供電。同時，正常情況下VFD直流側電壓Udcref=550 V大于直流母線電壓，形成壓差鉗制，避免正常情況下直流供電回路與VFD之間的功率交換。此外，500 V直流通過DC/DC變換器降壓為48 V直流，為工廠48 V等級直流照明等負荷供電。

交流供電回路如圖2中黃色部分，交流供電回路在正常模式下向VFD前級以及其他交流負荷供電。此外，交流回路與直流供電回路之間通過可控型AC/DC逆變器相連，并串聯于敏感交流負載進線前端。在電壓暫降發生時，穩定直流電壓通過可控逆變輸出完美正弦波，確保其他交流敏感負載正常運行，包括VFD的交流控制電路。

2.2 系統控制策略

針對現有電壓檢測技術檢測速度慢、信號處理環節復雜的問題，提出基于半導體器件壓差導通特性的控制方法，實現電壓暫降過程中直流供電系統與敏感負荷間壓差自感應控制，極大提高了電壓暫降治理響應的快速性。

交-直流級聯供電系統運行模式可以分為正常運行模式與暫降暫態模式，通過檢測VFD直流母線電壓可以判斷系統運行模式。由于采用了二極管壓差自感應技術，在此無需傳感器檢測，當暫降引起直流供電母線電壓小于VFD直流側電壓時，二極管自然導通，直流供電系統開始向VFD供電，維持VFD直流環節電壓在正常范圍之內。與此同時，受壓差影響，VFD前級不控整流單元中二極管不再導通，交流供電回路停止向VFD供電，可在一定程度上起到改善交流系統電壓暫降問題的作用。

1）正常運行模式：充電機向儲能系統充電，維持電池荷電狀態在較高水平（>90%），以應對接下來發生的電壓暫降問題。充電結束后，儲能系統與充電機斷開連接，進入備用工作模式。VFD及其他交流系統由交流供電回路供電。VFD直流側電壓Udc=550 V，高于500 V直流母線電壓Ubus，在二極管作用下交直流供電回路之間不存在功率交換。

2）暫降暫態模式：當交流系統發生暫降，系統進入暫降暫態模式，VFD直流電容電壓Udc跌落，當Udc

結合上述交流供電回路與直流供電回路的工作原理，本文提出工業交-直流級聯供電方案工作原理流程如圖3所示。

圖3 工作原理流程圖

2.3 直流供電變換器的控制

DC/DC變換器是實現儲能模式下電壓調節的重要單元，雙向DC/DC變換器控制電池儲能系統的充放電，在暫降過程中儲能放電維持直流母線電壓的穩定，在正常狀態下充電機或交流系統向電池充電。由于采用了多個電池組串并聯的集中供電式電池儲能系統，要求變換器具有大的電流容量。因此，有必要選擇多模塊并聯的DC/DC變換器。

如圖4所示的兩相交錯并聯Buck-Boost變換器輸出電流為并聯電感L1、L2的總和，兩相斬波電路交錯導通能有效減小注入系統的電流紋波及單個濾波電感的尺寸。此外，值得注意的是并聯結構模塊間電感、開關器件及分布參數不可能完全一致，必然存在模塊間電流分布不均的問題。本文設計了一種基于混合電流控制技術的電流均衡方法，快速調節各相電流。

圖4 兩相交錯并聯Buck-Boost電路及控制

均流控制框圖如圖4所示。以電壓、電流雙閉環控制為基礎，并聯運行模塊間采用獨立電流反饋環，共用電壓反饋環?；旌想娏骺刂撇呗曰舅枷胧菍㈦娏骰鶞市盘柧譃槊總€模塊的參考電流，然后補償兩相電感電流差值，經過電流調節器產生信號x1和x2，再由給定恒頻的三角載波信號tr1和tr2與信號x1和x2相加得到信號y1和y2，最終經滯環比較器產生開關管占空比信號S1和S2。其中tr1與tr2為相位相差180°的載波信號，通過滯環控制實現兩相DC/DC變換器依次導通。

圖4中Ubusref是直流母線電壓基準值，Uo是直流母線電壓實時測量值，二者誤差e經電壓調節器生成Iref。電感電流If1和If2作差得到ΔIL/2作為補償值，圖4中：

若If1和If2相等，則誤差值相等，電流調節器輸入為Iref/2與實際電感電流的差值，兩個給定信號x1、x2相同，保證下個開關動作后電感電流維持相等。若If1和If2不等，則根據上一周期電流偏差ΔIL/2，建立新的參考電流，增大電感電流較小者參考電流，減小電流較大者參考電流，使得電感電流快速趨近統一，改善電感電流分布不均問題。

2.4 儲能單元配置方法

確定邊際條件是選擇定制電力治理設備的關鍵問題，包括電壓保護范圍、保護時間和治理頻次。CIGRE C4.110工作組報告給出一種針對工業過程免疫力時間（process immunity time，PIT）的推薦性標準，一般來說，電壓以滿足短時中斷為基礎，時間以滿足最大保護動作時間為基礎，頻次以解決全部電壓暫降為基礎。

典型的VFD在電壓瞬間跌落到額定電壓值的75%～80%以下會報直流母線欠壓故障報警，引起宕機。當VFD逆變器件為IGBT時，在電壓暫降或短時中斷后，將允許VFD繼續工作一個短時間td。若電壓暫降或短時中斷的持續時間totd，VFD欠壓保護動作，VFD停止運行。一般td取6～11 ms，只要電壓暫降到75%～80%以下，都可能使變頻器調速的電動機停止運行。

對于直流供電回路中的電池儲能系統，根據被保護設備的功率及支撐時間進行蓄電池容量的選擇。設變頻器總功率為P，需要支撐的時間為ts，預先選擇蓄電池容量為C1，單節電池放電ts后的截止電壓為U1（查詢容量為C1的電池放電數據表），電池節數N，電池組最大放電總電流I，則：

若電池放電倍率為K，則電池容量的最大值C為：

考慮電池容量儲備為：

其中Ks為電池儲備系數，通常Ks=1.1。最后比較計算結果Cbat與預先選擇容量C1。若C1≥Cbat，則所選蓄電池滿足要求。

3 仿真及實驗測試

3.1 仿真驗證

在Matlab/Simulink中搭建如圖2所示的交-直流級聯供電模型。仿真模型系統參數設置：接入4臺額定功率7.5 kW的VFD，VFD直流側電容C=2 μ F。儲能系統選擇35節125 Ah/12 V鉛酸電池串聯，端口電壓420 V，放電倍率5C。交流系統線電壓Uac=380 V，正常交流供電運行下VFD直流電壓Udc約為550 V，設置欠電壓保護閾值Udcth=412.5 V（75%×550）。直流供電系統母線電壓參考值Ubusref=500 V。

設置t=1 s時交流系統線路發生三相接地故障，故障電阻分別為1.2 Ω與17.1 Ω，故障持續時間tf=600 ms,導致VFD交流側輸入電壓出現30%和70%暫降。

如圖5所示，故障期間交流輸入電壓Uac三相電壓出現了30%的暫降。VFD直流側電壓Udc正常運行模式下約為550 V，當不接入直流供電系統時，且不考慮欠電壓保護動作的情況下，暫降過程中Udc下降到約100 V，遠低于Udcth，VFD停止運行；當接入直流供電系統時，暫降過程中Udc維持在475 V左右，高于欠電壓保護閾值，可繼續正常運行。

圖5 30%電壓暫降治理效果

交流系統發生70%電壓暫降情況下的治理效果見圖6。未接入交-直流供電系統，Udc跌落到378 V仍小于Udcth，欠電壓保護動作。接入直流供電系統，暫降過程中Udc≈500 V。此時，從交流系統注入VFD負荷的功率降為0 kW，電池儲能系統通過直流供電母線向VFD送電，維持系統正常運行。

圖6 70%電壓暫降治理效果

3.2 DC/DC變換器測試

交錯并聯型DC/DC變換器是維持VFD正常運行的重要單元，暫降過程中通過調壓控制維持直流母線電壓的穩定。本節將對DC/DC變換器進行測試，檢測其穩定電壓與均流控制方法的有效性。

測試中取開關頻率為7.5 kHz 采樣電阻為20 Ω，電感L1=L2=88 μ H。分別設置DC/DC輸入側電壓Ui=298～338 V，測試輸出電壓與流過兩相電感的電流。采用示波器讀取電壓電流信號，如圖7所示，CH1：L1電感電流采樣（黃色曲線），CH2：L2電感電流采樣（藍色曲線），CH4：輸出電壓采樣（綠色曲線）。

圖7 交錯并聯DC/DC變換器測試結果

輸出電壓Uo控制目標為480 V，由測試結果看出該DC/DC變換器能夠在一定范圍內維持恒定輸出電壓。與此同時，兩相電流基本相等，有效實現了交錯型變換器的均流。

3.3 暫降治理功能測試

3.3.1 測試方案設計

根據以上分析設計出基于直流一體化技術的電壓暫降治理裝置樣機。本文搭建實驗平臺測試了該裝置的治理范圍及有效性。實驗接線圖如圖8所示。驗證在電網電壓跌落時(由380 V的額定值跌落至額定電壓的0%、20%、60%、90%)，該治理裝置能否提供有效的直流電源保證變頻器持續運行。測試持續時間為10 s，與仿真結果進行對比分析。

圖8 測試平臺實驗接線圖

3.3.2 測試步驟

試驗步驟如下：

1）合上QF1，設置電壓暫降發生儀電壓暫降持續時間，選擇暫降檔位。

2）然后合上QF3，啟動變頻器。

3）合上QF2，設置交直流一體化技術的電壓暫降治理裝置參數。

4）合上QF4，啟動電壓暫降發生儀，模擬380 V廠用母線電壓的跌落過程。

5）記錄不同幅度暫降時設備支撐時間，變頻器電壓電流，交直流一體化技術的電壓暫降治理裝置輸出電壓電流。

6）發出給停止運行指令，觀察交直流一體化技術的電壓暫降治理裝置運行狀況。

3.3.3 測試結果

市電電壓發生暫降時，直流一體化電壓暫降治理裝置樣機能夠提供有效的直流電源，保證變頻器在交流失電的情況下正常運行，支撐時間為10 s。具體實驗測試波形如圖9所示，其中黃色曲線為交流電壓，藍色為變頻器直流母線電壓，紫色為變頻器輸出電壓波形。可見在不同深度電壓暫降以及短時中斷過程中變頻器直流母線電壓都維持在475 V左右，處在正常范圍之內，能夠維持系統正常運行。

圖9 電壓支撐效果測試圖

4 結束語

通過仿真與測試驗證了本文提出的工業用交-直流級聯供電方案能有效改善敏感負荷的電能質量，實現電壓暫降與短時中斷過程中敏感負荷的正常供電。本文的主要貢獻還包括：

1）提出了一種新型基于直流供電技術的電壓暫降治理架構，有效保證了工業敏感負荷VFD以及其他交流敏感負荷的正常供電，為建設工業高品質供電提供了新思路。

2）直流供電直接接入VFD直流母線上，采用無源檢測方式，當直流電壓跌落，自動開始切換為直流供電母線注入功率，實現了無通信系統的快速無擾動切換。

3）針對儲能系統紋波系數大的問題，采用了兩相交錯并聯Buck-Boost變換器作為并網變換器，并提出了基于混合電流控制的均流控制方法，通過實驗測試驗證了該控制方法的有效性。

4）目前，基于直流供電的電能質量控制研究尚處于起步階段，直流系統電能質量方面的標準有待進一步完善。隨著分布式電源的接入，發生電壓暫降時如何協調儲能、分布式電源與負荷響應，開展交-直流級聯高品質供電的經濟性評估將是下一步需要解決的問題。