主動(dòng)配電網(wǎng)多功能串聯(lián)補(bǔ)償器的MFSC多功能可行性

湖南大學(xué)國家電能變換與控制工程技術(shù)研究中心的研究人員姜飛、涂春鳴等，在2015年第23期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文，提出一種適用于主動(dòng)配電網(wǎng)（ADN）的多功能串聯(lián)補(bǔ)償器（MFSC），可作為分布式能源系統(tǒng)與公共交流配電網(wǎng)的連接接口，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓補(bǔ)償及故障限流的雙功能。分別分析電網(wǎng)正常運(yùn)行及發(fā)生短路故障下，MFSC的工作原理和直流系統(tǒng)能量平衡原理，并建立MFSC電壓補(bǔ)償及故障限流數(shù)學(xué)模型。

此外，提出MFSC的電壓補(bǔ)償模式、故障限流模式、分布式電源與儲(chǔ)能單元協(xié)調(diào)模式的控制策略。最后，在PSCAD/EMTDC仿真軟件上驗(yàn)證了所提新拓?fù)涞挠行?，并搭建?shí)驗(yàn)室平臺(tái)驗(yàn)證了其電壓補(bǔ)償功能及限流功能的正確性。

隨著各級(jí)政府及居民環(huán)境保護(hù)意識(shí)的逐步提升，分布式能源（如太陽能、風(fēng)能等）發(fā)電技術(shù)（DistributedGeneraTIon，DG）獲得了蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)配電網(wǎng)需逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)配電網(wǎng)（AcTIveDistribuTIonNetwork，ADN），以滿足對分布式能源的主動(dòng)控制及主動(dòng)管理等要求。

然而，DG大量接入對ADN系統(tǒng)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(wǎng)設(shè)備安全及高效運(yùn)行產(chǎn)生潛在危害。因此，設(shè)計(jì)一種同時(shí)具備電壓補(bǔ)償與故障限流功能的新拓?fù)?，對傳統(tǒng)配電網(wǎng)向ADN快速轉(zhuǎn)變以及ADN的安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

近年來，文獻(xiàn)已提出了利用電力電子變換器作為新能源發(fā)電并網(wǎng)接口，同時(shí)具備改善電能質(zhì)量功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。提出了將傳統(tǒng)串、并聯(lián)變換器結(jié)構(gòu)與分布式能源、能量存儲(chǔ)進(jìn)行結(jié)合再配置，能夠更好的適用于分布式發(fā)電系統(tǒng)。此外，串、并聯(lián)變換器的直流側(cè)均可采用獨(dú)立分布式能源供電，維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定，提高變換器運(yùn)行效率。

故障限流器的主流研究方向?yàn)榛陔娏﹄娮蛹夹g(shù)的固態(tài)限流器和基于超導(dǎo)技術(shù)的超導(dǎo)限流器，主要集中在限流模塊的拓?fù)鋬?yōu)化、控制策略及其對電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)提出了一種能夠控制電網(wǎng)正常運(yùn)行下的電壓補(bǔ)償深度及電網(wǎng)短路故障下的電流限制程度的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)提出了一種耦合法固態(tài)限流器，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)短路故障電流限制的功能。提出了一種適用于諧振型高頻交流母線新型固態(tài)短路限流器的驅(qū)動(dòng)電源。

傳統(tǒng)固態(tài)限流器運(yùn)行機(jī)理是通過對多個(gè)電力電子器件的通斷來實(shí)現(xiàn)限流模塊投切功能，因此，本文考慮將固態(tài)限流器與相近似拓?fù)涞碾娔苜|(zhì)量調(diào)節(jié)拓?fù)鋸?fù)用，單獨(dú)控制限流模塊，達(dá)到實(shí)現(xiàn)多種電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的功能。

文獻(xiàn)［建立了帶限流模塊的統(tǒng)一潮流控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（UnifiedPowerFlowController，UPFC），具有常規(guī)UPFC和三相橋式固態(tài)限流器的多種功能。分析了基于磁通補(bǔ)償原理的固態(tài)限流器拓?fù)浼霸怼Ｌ岢隽舜?lián)型有源電力濾波器（SeriesAcTIvePowerFilter，SAPF）的串聯(lián)變壓器二次側(cè)，并聯(lián)變阻器和反并聯(lián)二極管支路方法，能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)變換器的作用，但由于額外增加支路復(fù)雜，且控制難度大，易造成配合失效［19］。

由此可知，通過對電力電子設(shè)備拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的簡單改進(jìn)或復(fù)用實(shí)現(xiàn)所需額外功能是可行的。經(jīng)調(diào)研，動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器（DynamicVoltageRestorer，DVR）拓?fù)渑c固態(tài)限流器拓?fù)浯嬖谝欢ǖ南嗨菩?，考慮將固態(tài)限流器與動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器相同結(jié)構(gòu)復(fù)用［22］，作為主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)分布式能源系統(tǒng)與公共交流配電網(wǎng)的一個(gè)連接端口。

本文提出了一種適用于主動(dòng)配電網(wǎng)的多功能串聯(lián)補(bǔ)償器（Multi-FunctionSeriesCompensator，MFSC），其交流側(cè)串聯(lián)接入公共交流配電網(wǎng)，分布式能源系統(tǒng)的直流母線通過DC-DC雙向變換器與MFSC的直流側(cè)電容連接，可為MFSC提供穩(wěn)定的直流側(cè)電壓。

當(dāng)電網(wǎng)未發(fā)生短路故障時(shí)，MFSC實(shí)現(xiàn)對交流配電網(wǎng)的電壓暫升、暫降調(diào)節(jié)；當(dāng)公共交流配電網(wǎng)負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，MFSC能有效隔離交流系統(tǒng)與直流系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對交流系統(tǒng)故障電流的限制功能。

本文細(xì)致分析了MFSC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作機(jī)理及控制策略，并在PSCAD/EMTDC仿真軟件上驗(yàn)證了所提新拓?fù)涔δ艿挠行裕罱▽?shí)驗(yàn)室樣機(jī)平臺(tái)重點(diǎn)驗(yàn)證了MFSC的電壓補(bǔ)償及故障限流功能可行。

圖1基于多功能串聯(lián)補(bǔ)償器的主動(dòng)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

結(jié)論

本文提出了一種多功能串聯(lián)補(bǔ)償器，其直流側(cè)能量由分布式電源與儲(chǔ)能單元通過直流母線可靠供給，當(dāng)公共交流配電網(wǎng)未發(fā)生短路故障時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對電壓跌落、抬升的可靠補(bǔ)償；當(dāng)公共交流配電網(wǎng)負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障時(shí)，能夠快速分離分布式能源系統(tǒng)與公共交流配網(wǎng)，并對交流系統(tǒng)中的短路電流進(jìn)行迅速限制。

1）所提MFSC系統(tǒng)采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)用技術(shù)，可將其作為分布式能源系統(tǒng)與公共交流配電網(wǎng)的一種連接裝置。其直流側(cè)通過分布式電源提供可靠能量，解決了原有電網(wǎng)補(bǔ)償裝置在深度電壓補(bǔ)償時(shí)能量不足的問題。

2）MFSC系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用于需同時(shí)考慮優(yōu)化電能質(zhì)量及故障電流限制的復(fù)雜配網(wǎng)系統(tǒng)，也可在交直流混合配網(wǎng)系統(tǒng)中發(fā)揮一定作用。本文重點(diǎn)研究了MFSC多功能實(shí)現(xiàn)的可行性，但對于分布式能源系統(tǒng)與公共交流配電網(wǎng)的交互影響仍需深入研究。