孫海洋 宋飛 王俊輝 侯凱

摘要：保證重要負(fù)載的不間斷供電是當(dāng)前電力系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。鑒于此，設(shè)計了一種以SCR（晶閘管）與PCS（變流器）為核心的負(fù)載不間斷供電系統(tǒng)，提出了電網(wǎng)故障情況下基于PCS電流注入法的SCR強(qiáng)迫關(guān)斷技術(shù)，其能快速有效隔離故障電網(wǎng)，縮短負(fù)載由電網(wǎng)供電切換到PCS供電的過渡時間。樣機(jī)實驗結(jié)果表明了該項技術(shù)的快速性與有效性。

關(guān)鍵詞：不間斷供電;PCS電流注入法;SCR強(qiáng)迫關(guān)斷;快速性

0 ? ?引言

當(dāng)前人們對電能質(zhì)量的要求越來越高，一些重要負(fù)載，諸如高精密儀器、化工設(shè)備、工業(yè)計算機(jī)等對于電網(wǎng)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(fù)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(fù)載不間斷供電系統(tǒng)，其中SCR作為智能開關(guān)的基本單元，PCS作為備用電源，當(dāng)電網(wǎng)故障時由PCS為負(fù)載供電。該系統(tǒng)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(guān)斷SCR，有效隔離了故障電網(wǎng)，在毫秒級時間內(nèi)即能實現(xiàn)PCS為負(fù)載供電的電源切換，從而實現(xiàn)了關(guān)鍵負(fù)載的不間斷可靠供電。

1 ? ?基于SCR與PCS的負(fù)載不間斷供電系統(tǒng)架構(gòu)

基于SCR與PCS的負(fù)載不間斷供電系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1中，三相智能開關(guān)柜由三相反并聯(lián)的SCR作為主開關(guān)[1]，連接著電網(wǎng)與敏感負(fù)載。PCS儲能變流器采用常規(guī)兩電平拓?fù)?，直流?cè)連接著電池或超級電容，交流側(cè)與智能開關(guān)柜輸出端相并聯(lián)，同時連接著負(fù)載。電網(wǎng)正常情況下，通過控制器驅(qū)動SCR導(dǎo)通[2]，由電網(wǎng)電壓為負(fù)載供電，PCS此時可并網(wǎng)運(yùn)行或待機(jī);當(dāng)檢測到電網(wǎng)異常時，首先需將SCR關(guān)斷，即隔離故障電網(wǎng)，然后由PCS切換為離網(wǎng)模式為負(fù)載快速建壓，由此實現(xiàn)重要負(fù)載的不間斷供電。

2 ? ?PCS控制策略

電網(wǎng)正常時，PCS在本方案中將運(yùn)行于并網(wǎng)模式，電網(wǎng)故障時PCS將運(yùn)行于離網(wǎng)模式。并網(wǎng)模式與離網(wǎng)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(huán)路為單電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)，通過設(shè)定dq坐標(biāo)系下的給定有功、無功電流Idref與Iqref可控制PCS進(jìn)行充電或放電，所用的變換角度為電網(wǎng)鎖相獲得;圖3為離網(wǎng)模式下的VF控制，該控制環(huán)路為雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)。通過設(shè)定電壓外環(huán)的給定電壓Um與頻率ω*，可控制PCS輸出端電壓，從而為負(fù)載供電。

3 ? ?基于SCR強(qiáng)迫關(guān)斷的負(fù)載不間斷供電技術(shù)

根據(jù)SCR的特性，當(dāng)需要關(guān)斷SCR時，僅通過關(guān)斷SCR驅(qū)動，SCR將自然續(xù)流最大時長達(dá)10 ms才能關(guān)斷，這無法滿足不間斷供電系統(tǒng)要求[3]。為此，本文提出了基于SCR與PCS協(xié)調(diào)控制的SCR強(qiáng)迫關(guān)斷技術(shù)，策略為：當(dāng)SCR檢測到電網(wǎng)故障后，首先SCR控制PCS封脈沖（或由PCS自身過流封脈沖）;當(dāng)檢測到PCS無輸出電流后，關(guān)斷SCR驅(qū)動脈沖，同時檢測出此時SCR上的續(xù)流電流，以此電流作為PCS單電流環(huán)模式重啟脈沖的給定電流，以達(dá)到快速拉低SCR上續(xù)流電流的目的;當(dāng)SCR上電流為0后，即實現(xiàn)了電網(wǎng)故障的快速隔離;然后PCS切換到VF模式運(yùn)行快速建壓，給負(fù)載提供可靠供電[4]。

電網(wǎng)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(fù)載電流。

過程一如圖4所示。

如圖4，電網(wǎng)正常時，SCR觸發(fā)驅(qū)動，PCS運(yùn)行于PQ并網(wǎng)模式發(fā)脈沖模式。此時iscr+ipcs=iload。

過程二如圖5所示。

如圖5，電網(wǎng)故障且PCS電流不為0時，SCR仍觸發(fā)驅(qū)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(dāng)判斷出PCS輸出電流為0時，禁止SCR驅(qū)動，PCS檢測此時SCR上的續(xù)流電流，以此電流為目標(biāo)給定值重啟脈沖，運(yùn)行于單環(huán)并網(wǎng)模式。最終iscr=0，ipcs=iload。

以上過程實現(xiàn)了SCR的強(qiáng)迫快速關(guān)斷，從而可快速隔離電網(wǎng)故障。

過程四如圖7所示。

如圖7，當(dāng)SCR檢測到自身續(xù)流電流為0后，下發(fā)VF運(yùn)行模式指令給PCS，由PCS快速建壓為負(fù)載供電，從而實現(xiàn)負(fù)載不間斷供電。

軟件設(shè)計流程圖如圖8所示。

4 ? ?樣機(jī)實驗驗證

針對此負(fù)載不間斷供電系統(tǒng)方案，研制了基于SCR的智能開關(guān)柜樣機(jī)，該系統(tǒng)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(jié)果分別如圖9、圖10所示。

如圖9所示，電網(wǎng)正常時PCS并網(wǎng)輸出1 kW，SCR正常驅(qū)動導(dǎo)通;將電網(wǎng)拉閘斷電后，故障電網(wǎng)被快速隔離，同時由PCS建壓為負(fù)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(fù)載電壓，紅色、綠色、藍(lán)色分別為A相、B相、C相負(fù)載電流。電網(wǎng)正常時PCS并網(wǎng)輸出1 kW，SCR正常驅(qū)動導(dǎo)通，此時負(fù)載基本均由電網(wǎng)供電;將電網(wǎng)拉閘斷電后，智能開關(guān)柜快速隔離了故障電網(wǎng)，同時由PCS建壓為負(fù)載供電。由圖可見，負(fù)載輸出電壓切換過渡時間僅在3 ms左右，保證了負(fù)載的不間斷供電。

5 ? ?結(jié)語

本文主要研究了采用SCR與PCS相配合的負(fù)載不間斷供電系統(tǒng)。為實現(xiàn)故障電網(wǎng)快速隔離，提出了基于PCS電流注入法的SCR強(qiáng)迫關(guān)斷技術(shù)。樣機(jī)實驗結(jié)果表明了該系統(tǒng)可在毫秒級時間內(nèi)實現(xiàn)負(fù)載電源的快速切換，從而實現(xiàn)了關(guān)鍵負(fù)載的可靠供電。

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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(shù)、儲能技術(shù)等。