一種新型多目標(biāo)串聯(lián)型短路限流控制器的研究

摘要：提出一種串聯(lián)型短路限流控制器，采用背靠背換流器與限流電抗器串聯(lián)的方式，在系統(tǒng)未發(fā)生短路故障時，背靠背換流器可以實現(xiàn)電壓補償、諧波抑制等功能，當(dāng)發(fā)生短路時，將換流器切出，使短路限流電抗器工作。分析了電路的拓撲結(jié)構(gòu)和控制原理，采用完全補償法對電壓進行補償，采用電源電流檢測法濾除系統(tǒng)中的諧波，然后用PSCAD進行了仿真和實驗驗證。
關(guān)鍵詞：控制器；短路限流；串聯(lián)型；電壓補償

1 引言
    很多破壞電力系統(tǒng)正常運行的情況是由短路故障引起的。隨著電力系統(tǒng)容量的不斷增加，電網(wǎng)中的短路電流問題也隨之增多，因而限制電力系統(tǒng)短路電流已成為一個急需解決的問題。由于電力電子技術(shù)及大容量電力電子器件的快速發(fā)展，電力電子短路限流器(FCL)是限制短路電流一個較有效手段。它具有動作速度快、允許動作次數(shù)多、控制方便等優(yōu)點，具有很好的應(yīng)用前景。
    這里將短路限流控制裝置和限流電抗器串聯(lián)后接在電源和負載之間，在系統(tǒng)正常運行時，換流器用于補償限流電抗器產(chǎn)生的電壓降，并抑制電抗器和負載產(chǎn)生的諧波，同時可消除電壓暫升、電壓暫降及三相不平衡等問題，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路時將控制裝置切出，此時限流電抗器起到了限制短路電流的作用。

2 原理與設(shè)計
2．1 主電路拓撲
    圖1為限流電抗器串聯(lián)FCL控制器主電路拓撲。電網(wǎng)側(cè)電壓經(jīng)3個單相FCL控制器，單相FCL控制器由單相PWM整流器和單相逆變器組成。
單相PWM整流器輸出的直流電壓作為3個單相逆變器的直流電源，逆變器的輸出補償由限流電抗器和負載產(chǎn)生的壓降和諧波。L1，L2，L3為限流電抗器；G1，G2，G3為用于切出換流器的雙向晶閘管；K1，K2，K3用于切出整個裝置。

2．2 單相PWM整流器的控制策略
    PWM整流器具有輸入電流諧波含量低，功率因數(shù)高、體積小、重量輕等特點。其控制策略為：將實際直流側(cè)電壓Ud與給定期望值Uref作差，所得結(jié)果經(jīng)PI控制器，其輸出量乘以交流電壓信號的單位量sinA，之后得到電流iref，與電感電流ia作差經(jīng)PI控制器，保證了電感電流跟蹤輸入電壓，最后產(chǎn)生的調(diào)制信號與三角波載波信號比較控制得到IGBT模塊的驅(qū)動信號。
2．3 單相逆變器控制策略
    逆變器控制分2部分，首先是對電壓的跟蹤控制，即逆變器的輸出電壓補償因限流電抗器和負載產(chǎn)生的電壓降落和無功損耗，然后是抑制系統(tǒng)中的諧波，即起到串聯(lián)APF的作用，最后將上述兩個調(diào)制信號進行疊加作為逆變器給定電壓參考量與逆變器的實測電壓作差經(jīng)比例積分控制，保證了逆變器電壓跟蹤參考電壓，最后與三角波載波信號比較控制得到IGBT模塊的驅(qū)動信號。
2．3．1 電壓降落的動態(tài)跟蹤控制
    目前對于電壓降落的補償方式主要有同相補償、完全補償、最小能量補償這3種控制策略。這里采用完全補償法。該方法可使補償后的負載電流與理想?yún)⒖茧妷旱姆岛拖辔痪嗤?，即實現(xiàn)了負載電壓的連續(xù)性，在裝置容量足夠大時，它是一種理想的補償方法。
    短路限流控制器與限流電抗器串聯(lián)于系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生暫降或暫升，且此時假設(shè)負載為阻感的，則在系統(tǒng)中不存在諧波影響，那么可將該拓撲簡化，如圖2所示。

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    當(dāng)系統(tǒng)未發(fā)生暫降或暫升，可得如圖3a所示相量圖。由于各物理量均隨時間變化，該控制方法也是動態(tài)的，以期望的參考電壓相量uref為基準，由于無暫降或暫升，因此電源電壓相量us與uref重合，其中φLx為uLx與us夾角，由完全補償法原理知，uL與us幅值和方向均相同，故圖4a的四邊形為平行四邊形，于是可得補償電壓Ucom=-uLx。
    為使控制更加精確，可令△U=Us-UL，對上式加以修正，其中Us，Ucom，ULx，UL分別為us，ucom，uLx，uL的幅值，則可得逆變器輸出的補償電壓為：
    Ucom=-ULx+△U，φcom=-φLxh+π       (1)
    當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降時，如圖3b所示，由完全補償法原理可知，uL與us的幅值和方向均相同，為計算補償電壓的大小，可設(shè)中間量um的有效值為Um，補償電壓相量的大小和角度的推導(dǎo)為：
    φk=π-φs-φLx     (2)
   

2．3．2 檢測電源電流控制法
    通過第一步控制方法后，負載側(cè)電壓雖得到了補償，且效果很好，但是當(dāng)系統(tǒng)加入非線性負載時，電流波形畸變非常嚴重，因此考慮用檢測電源電流控制法對電流諧波進行濾除，如圖4所示。

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    通過瞬時無功理論檢測出電網(wǎng)諧波電流ish，然后與控制增益K相乘形成ux，即ux=Kish，理論上K值很大(但為有限值)，使系統(tǒng)中對諧波呈高阻抗特性，從而可以隔離諧波電壓源，抑制電網(wǎng)上的諧波電流。若在系統(tǒng)中提供無源濾波器支路，該支路對諧波呈現(xiàn)低阻抗特性，可抑制諧波電流對電網(wǎng)側(cè)的影響。圖5為該部分控制原理。

3 仿真結(jié)果與分析
    采用PSCAD對所述控制方法進行仿真，參數(shù)為：220 V／50 Hz三相交流電壓源，1 mH限流電抗器，線性負載為阻感負載，其中電感為0．1 mH，電阻為10 Ω，交流側(cè)輸入電感為1 mH，直流側(cè)穩(wěn)壓電容為1 000μF。圖6示出仿真波形。

    由圖6a可知，控制中做選擇的直流電壓參考值為0．5 kV，可見0．5 s后直流電壓在0．5 kV上基本保持恒定；由圖6b可見，uL很好地跟蹤了us；由圖6c可見，雖然iLa畸變很大，但ia仍保持為正弦波；由圖6d可見，在0．2～0．3 s時，系統(tǒng)發(fā)生電壓暫降，但uL仍可保持為預(yù)期的usag，達到預(yù)期目標(biāo)。
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4 實驗結(jié)果分析
4．1 DSP／FPGA控制器
    此處裝置控制器由DSP，F(xiàn)PGA和CPLD等構(gòu)成，其中DSP模塊負責(zé)完成數(shù)據(jù)的處理，與上位機(人機交互系統(tǒng))的通訊，與下層結(jié)構(gòu)(FPGA)的數(shù)據(jù)交換：FPGA模塊完成電壓、電流等各變量采樣，及各變量的邏輯運算并上傳數(shù)據(jù)給上層結(jié)構(gòu)DSP；CPLD負責(zé)直接采集功率單元(IGBT模塊)的各項數(shù)據(jù)和指標(biāo)，如死區(qū)產(chǎn)生、溫度信號采集、IGBT過壓過流保護等。圖7為基于DSP和FPGA構(gòu)成的主控結(jié)構(gòu)框圖。

4．2 實驗分析
    首先用該裝置進行了電壓暫降實驗，由于三相是對稱的，下面僅對a相進行研究，結(jié)合電壓擾動發(fā)生裝置使系統(tǒng)電壓在0．1～0．3 s發(fā)生電壓暫降，并通過上述控制策略進行控制。圖8a示出實驗波形。由圖可見，雖然usag發(fā)生了電壓暫降，但是由于裝置的補償uL仍然保持220V。

    用該裝置進行了短路電流限制實驗。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，電壓補償裝置補償系統(tǒng)電壓到額定電壓Uo=220V，iL約為10A。工作一段時間后，使負載側(cè)發(fā)生短路，系統(tǒng)會有較大電流通過。設(shè)定電流互感器檢測系統(tǒng)電流超過30A時，裝置脈沖閉鎖，同時雙向晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通，旁路補償裝置，投入限流電抗器實施限流其中限流電抗器選擇8．5mH。
    由實驗波形可見，當(dāng)短路故障發(fā)生時，iL增大，裝置延遲半個工頻周期推出運行，雙向晶閘管代替裝置工作，之所以延遲半個周期是因為晶閘管驅(qū)動板具有10 ms延時時間。對比圖8b上、下波形可知，負載側(cè)電流在加入限流電抗器之后明顯減小，從而達到短路電流限制的作用。

5 結(jié)論
    提出一種新型短路限流控制器，將該控制裝置與短路限流電抗器串聯(lián)于電路之中，當(dāng)發(fā)生短路時，將控制器切除，用限流電抗器實現(xiàn)限流作用，這里著重討論了當(dāng)發(fā)生短路時控制裝置的控制策略，用完全電壓補償法實現(xiàn)了對電壓降落的補償，討論了在系統(tǒng)發(fā)生暫降時電壓的補償策略，然后研究了對系統(tǒng)中諧波的抑制，運用電源電流控制法濾除系統(tǒng)中的諧波，最后用PSCAD對所研究的控制方法進行了仿真和實驗，結(jié)果實現(xiàn)了電壓的補償和諧波的抑制功能。