基于SCR強迫關斷的負載不間斷供電技術研究

孫海洋 宋飛 王俊輝 侯凱

摘要：保證重要負載的不間斷供電是當前電力系統中的重要環節。鑒于此，設計了一種以SCR（晶閘管）與PCS（變流器）為核心的負載不間斷供電系統，提出了電網故障情況下基于PCS電流注入法的SCR強迫關斷技術，其能快速有效隔離故障電網，縮短負載由電網供電切換到PCS供電的過渡時間。樣機實驗結果表明了該項技術的快速性與有效性。

關鍵詞：不間斷供電;PCS電流注入法;SCR強迫關斷;快速性

0 ? ?引言

當前人們對電能質量的要求越來越高，一些重要負載，諸如高精密儀器、化工設備、工業計算機等對于電網的電壓暫升、暫降、斷電等異常情況都非常敏感。因此，如何保證這些重要負載的供電可靠性成為一個重要課題。

鑒于此，本文研究了基于SCR與PCS相配合的負載不間斷供電系統，其中SCR作為智能開關的基本單元，PCS作為備用電源，當電網故障時由PCS為負載供電。該系統中，為保證電源切換的快速性，本文采用PCS電流注入的方法快速關斷SCR，有效隔離了故障電網，在毫秒級時間內即能實現PCS為負載供電的電源切換，從而實現了關鍵負載的不間斷可靠供電。

1 ? ?基于SCR與PCS的負載不間斷供電系統架構

基于SCR與PCS的負載不間斷供電系統架構如圖1所示。

圖1中，三相智能開關柜由三相反并聯的SCR作為主開關[1]，連接著電網與敏感負載。PCS儲能變流器采用常規兩電平拓撲，直流側連接著電池或超級電容，交流側與智能開關柜輸出端相并聯，同時連接著負載。電網正常情況下，通過控制器驅動SCR導通[2]，由電網電壓為負載供電，PCS此時可并網運行或待機;當檢測到電網異常時，首先需將SCR關斷，即隔離故障電網，然后由PCS切換為離網模式為負載快速建壓，由此實現重要負載的不間斷供電。

2 ? ?PCS控制策略

電網正常時，PCS在本方案中將運行于并網模式，電網故障時PCS將運行于離網模式。并網模式與離網模式采用的控制框圖分別如圖2、圖3所示。圖2中，該控制環路為單電流環控制結構，通過設定dq坐標系下的給定有功、無功電流Idref與Iqref可控制PCS進行充電或放電，所用的變換角度為電網鎖相獲得;圖3為離網模式下的VF控制，該控制環路為雙環控制結構，外環為電壓環，內環為電流環。通過設定電壓外環的給定電壓Um與頻率ω*，可控制PCS輸出端電壓，從而為負載供電。

3 ? ?基于SCR強迫關斷的負載不間斷供電技術

根據SCR的特性，當需要關斷SCR時，僅通過關斷SCR驅動，SCR將自然續流最大時長達10 ms才能關斷，這無法滿足不間斷供電系統要求[3]。為此，本文提出了基于SCR與PCS協調控制的SCR強迫關斷技術，策略為：當SCR檢測到電網故障后，首先SCR控制PCS封脈沖（或由PCS自身過流封脈沖）;當檢測到PCS無輸出電流后，關斷SCR驅動脈沖，同時檢測出此時SCR上的續流電流，以此電流作為PCS單電流環模式重啟脈沖的給定電流，以達到快速拉低SCR上續流電流的目的;當SCR上電流為0后，即實現了電網故障的快速隔離;然后PCS切換到VF模式運行快速建壓，給負載提供可靠供電[4]。

電網故障快速隔離及不間斷供電過程如下，其中iscr表示SCR上電流，ipcs表示PCS電流，iload表示負載電流。

過程一如圖4所示。

如圖4，電網正常時，SCR觸發驅動，PCS運行于PQ并網模式發脈沖模式。此時iscr+ipcs=iload。

過程二如圖5所示。

如圖5，電網故障且PCS電流不為0時，SCR仍觸發驅動，SCR通過光纖指令禁止PCS起脈沖直至PCS電流為0，此時iscr=iload。

過程三如圖6所示。

如圖6，當判斷出PCS輸出電流為0時，禁止SCR驅動，PCS檢測此時SCR上的續流電流，以此電流為目標給定值重啟脈沖，運行于單環并網模式。最終iscr=0，ipcs=iload。

以上過程實現了SCR的強迫快速關斷，從而可快速隔離電網故障。

過程四如圖7所示。

如圖7，當SCR檢測到自身續流電流為0后，下發VF運行模式指令給PCS，由PCS快速建壓為負載供電，從而實現負載不間斷供電。

軟件設計流程圖如圖8所示。

4 ? ?樣機實驗驗證

針對此負載不間斷供電系統方案，研制了基于SCR的智能開關柜樣機，該系統中采用500 kW儲能變流器作為備用電源。分別開展了空載與帶載情況下的實驗驗證，實驗結果分別如圖9、圖10所示。

如圖9所示，電網正常時PCS并網輸出1 kW，SCR正常驅動導通;將電網拉閘斷電后，故障電網被快速隔離，同時由PCS建壓為負載（空載變壓器）供電。由圖可見，輸出電壓能夠快速切換，保證了不間斷供電。

如圖10所示，黃色為A相負載電壓，紅色、綠色、藍色分別為A相、B相、C相負載電流。電網正常時PCS并網輸出1 kW，SCR正常驅動導通，此時負載基本均由電網供電;將電網拉閘斷電后，智能開關柜快速隔離了故障電網，同時由PCS建壓為負載供電。由圖可見，負載輸出電壓切換過渡時間僅在3 ms左右，保證了負載的不間斷供電。

5 ? ?結語

本文主要研究了采用SCR與PCS相配合的負載不間斷供電系統。為實現故障電網快速隔離，提出了基于PCS電流注入法的SCR強迫關斷技術。樣機實驗結果表明了該系統可在毫秒級時間內實現負載電源的快速切換，從而實現了關鍵負載的可靠供電。

[參考文獻]

[1] 傅鵬，高格，李定，等.晶閘管在大功率變流和開關中的應用[J].電工技術學報，2004，19（8）：34-39.

[2] 范彩云，何青連，馬俊民，等.基于晶閘管的中壓固態開關觸發技術[J].自動化應用，2011（11）：25-27.

[3] 王松岑，于坤山，湯廣福.10 kV固態電源切換開關的研制[J].電力電子技術，2008，42（3）：37-38.

[4] 黃偉煌，付勛波，胡書舉，等.一種新型晶閘管雙向開關快速關斷技術[J].電工技術學報，2013，28（S1）：508-513.

收稿日期：2021-04-02

作者簡介：孫海洋（1990—），男，江蘇南京人，碩士，工程師，研究方向：電力電子技術、儲能技術等。