DQ同步坐标系下非同步双电源固态开关切换控制研究

李利军，郭成涛，王 钊，李鹏程

(1.国家电网石家庄供电公司，河北 石家庄050018；2.河北拓普电气有限公司，河北 石家庄050018；3.河北科技大学 电气工程学院，河北 石家庄050018)

0 引言

在交流供电系统中固态切换开关(Solid State Transfer Switch，SSTS)主要应用于不允许停电的重要场所，对可靠性、功能性、维护性和故障容限的要求较高。目前，与SSTS有关的80%的停机故障是由固态开关和关键负载之间的电路中断引起的[1-4]。当使用两路电源为双电源SSTS供电时，两个电源的中性线连接在一起并进行中线接地处理，保证双电源SSTS进行转换时不会产生地电位的偏移或引起中线电流在接地电路中的流动，避免因接地故障而引发的一系列保护动作。为方便维护和测试，要求两路电源既有电气闭锁又有机械闭锁。当电源故障时，SSTS自动转到旁路运行，不影响负荷的连续供电；SSTS装置可以实现不停电检修操作。旁路运行模式下，只需断开固态切换单元两端的隔离开关，保证检修人员的安全。SSTS与真空断路器相比有更快的响应速度，与不间断电源相比有更低的成本和更高的可靠性优势，具有广阔的研究前景[5-6]。

SSTS由两个独立电源供电，通过控制算法可以在双电源之间不间断的转换为负载供电。电压跌落的深度和持续时间根据国际国内标准(IEEE-std-446,GB/T 34940)和不同负荷的需求自行设定，灵活性强。SSTS有高速H级(转换时间5 ms)，用于同步电源；一般速度N级(转换时间小于20 ms)，用于非同步电源。然而，适用于两路独立电源和任意相位差的双电源SSTS的研究较少。文献[6]仅利用电压残差来判断切换条件，该方法有一定的局限性。文献[7]在同步坐标系中采用传统锁相环技术和dq变换检测到电压跌落即触发SSTS切换到备用电源，没考虑双电源非同步时的切换策略。文献[8]为了实现足够快速的切换速率，检测到主电源故障时立刻将主电源关断切换到备用电源，引起的电压电流冲击较大。为保证SSTS足够小的电压电流冲击，在过零时刻将故障电源逐相切断，将备用电源逐相切入，但总的投切时间较长。两路电源切换时，难以平衡电压电流冲击与切换时间的矛盾。

为实现主电源和备用电源在非同步状态下快速并且无冲击的切换，保证重要负荷可靠稳定的运行，就要准确获取故障电源的频率和相位信息。然而，传统的数字锁相环在电网正常时可获取电网的相位和频率信息，当电网不平衡、断路及短路故障时相位和频率信息不准确。为准确获取电网信息，数字采样单元对SSTS的入口电网电压进行实时采样，通过二阶广义积分器锁相环(Second Order Generalized Integrator Phase Locked Loops,SOGI-PLL)获取电网的频率和相位信息[9]。通过高速数字处理器判断故障类型及备用电源是否正常，主电源故障则切换到备用电源，主电源故障解除后再切回主电源。故障类型判断时如果采用单相分别判断，则处理器运算量较大且处理时间较长，影响投切时间。

负载阻抗类型和负载阻抗角的大小对投切时间的影响较大，阻性负载时虽然没有负载阻抗角的影响，然而没有电感的负载容易产生较大的冲击电流；感性负载虽然冲击电流较小，然而触发角小于负载阻抗角时不能切除故障电源。投切时刻选择影响系统稳定性，处理器发出切换信号即发生切换虽能保证切换速度，但切换引起的尖峰电压及冲击电流较大[10-11]，需要综合考虑投切时刻。同时，SSTS外部工作环境如电磁干扰、接地方式、电容残存电压等也对SSTS切换有较大的影响，需要做好电磁屏蔽和接地措施[12-13]。

本文第1部分分析了双电源SSTS的工作原理，在dq坐标系中分析故障状态的特征，指出影响投切的因素主要有两路电源的相位差和负载阻抗角两个关键因素；第2部分通过二阶广义积分器锁相环获取非理想电源条件下的相位和频率信息，分析双路电源波形质量并判断切换条件。综合考虑主电源和备用电源的相位差和负载阻抗角对切换的影响，对双路电源非同步的研究；计算负载阻抗角度，精确计算晶闸管的投切时间，做到双路电源SSTS的无缝切换，保障负载供电连续可靠。第3部分设计双电源SSTS在非同步状态下的实验，并对实验结果进行了深入分析，测试锁相环、切换策略及晶闸管投切时刻的控制及计算方法的有效性及可靠性。

1 固态切换开关工作原理

两条独立进线的10 kV线路通过SSTS连接到0.4 kV公共交流母线，不需要考虑晶闸管的触发角度，仅起到切换备用电源的作用，即主电源发生故障切换到备用电源，主电源恢复正常后再切回主电源，如图1所示。双电源固态开关由三组晶闸管模块组成，与电源的三相对应，控制相电压输出。SSTS的每相由两组反并联的晶闸管模块组成，以满足正反两个方向的流向。TS1和TS2通过联络线连接，协同为负载供电，同时考虑旁路开关和隔离开关便于晶闸管模块的维护和测试。

图1 双电源固态开关配电系统Fig.1 Dual power supply SSTS system

三相静态切换开关的触发信号与变压器二次侧的相电压同步，其控制角从各相的相电压过零点开始算起。三相电压方程可表示为

(1)

纯电阻性负载时，Y型电路触发角α移相范围是0°～150°。0°<α<60°时，电路处于三只晶闸管与两只晶闸管交替导通状态，A相电压波形由ua、uab/2、uac/2交替构成，晶闸管导通角度为180°-α。以30°和60°触发角时相电压仿真波形为例进行分析，如图2所示。α=0°时负载电压波形完全等于相电压ua、ub、uc的电压；α=60°时负载电压波形由两只晶闸管导通构成，一周期内正半波电压依次为uab/2、uac/2、ubc/2、uba/2、uca/2、ucb/2；α=30°时两只晶闸管和三只晶闸管交替导通，负载电压波形一周期内正半波电压依次为uab/2、ua、uac/2、ubc/2、ub、uba/2、uca/2、uc、ucb/2，阻感负载时电流滞后电压一定的角度。

图2 不同触发角时负载相电压波形Fig.2 Waveforms of load phase voltage at different angles

当60°<α<90°时，电路处于两个晶闸管导通状态，A相波形由uab/2、uac/2交替构成，晶闸管导通角度为120°；90°<α<150°时，电路由两个晶闸管导通与没有晶闸管导通交替状态，A相波形由uab/2、uac/2交替构成，晶闸管导通角度为300°-2α，且晶闸管每次导电都处于断续状态。

在感性负载条件下，输出电流滞后输出电压一定的相位差，电压过零时晶闸管滞后φ角后关断，因此，触发角α>φ才起到电压调节作用。负载阻抗角φ定义为

(2)

式中，L为负载等效电感，R为负载等效电阻，ω为电网角频率。

阻性负载时，相电压输出有效值Uo近似等于电源电压Um；阻感负载时(在触发角大于负载阻抗角情况下)，相电压输出有效值Uo为

(3)

主电源发生故障切换到备用电源时需要考虑负载类型及故障类型。电网中常见的故障有电源短路和断路故障两类，均表现为测量值为零，但是不同的负载类型对检测时间及切换时间均有影响。在备用电源正常供电条件下，主电源三相电压有效值、不平衡度和频率3个条件中任何一个条件超过允许范围，就要切换到备用电源。在工程中将三相静止坐标系变换成dq同步坐标系可以提高检测的可靠性，为逻辑切换提供依据。经过dq0变换得到d、q轴及零轴电压分量如下：

(4)

(5)

式中，urms为ud和uq合成的均方根值，正常条件下等于相电压的峰值。

2 基于SOGI-PLL切换控制策略

2.1 SOGI-PLL锁相原理

SOGI提取不平衡电网的基波正序分量并滤除高次谐波分量，得到两相正交的电压信号。在电压输入通道与q轴做减法通道中加入截止频率为50 Hz的低通滤波器，滤除高次谐波分量，如图3所示。

图3 带低通滤波器的二阶广义积分器Fig.3 SOGI structure with LPF

进一步简化SOGI，可将k等效为1，则有

(6)

加入低通滤波器(Low Pass Filter,LPF)后，不但可以抑制故障电网中的直流分量，还可以抑制高频分量，而且基波频率不受影响。三相电网电压信号经过三相静止坐标系到两相静止坐标系的Clarke变换得到vα、vβ为

(7)

分别经过两个SOGI后得到两组正交基波信号，提取正序基波信号Park变换得到dq轴分量及相角信息，经锁相得到相位信息，经锁频得到频率信息，SOGI-PLL结构如图4所示。

图4 SOGI-PLL结构图Fig.4 SOGI-PLL structure

将角频率ω0引入SOGI可使锁相环具有频率自适应功能，当电网电压因故障导致频率发生变化时，锁相环仍能准确跟踪电网频率和相位，仿真结果如图5所示。

根据图5所示的仿真测试结果可以看出，当主电源的A相发生断路故障时，无论是主电源与备用电源的相位差如何变化，SOGI-PLL均能锁出准确的相位，且没有波动发生。

2.2 故障判断及切换互锁逻辑

两路电源相位差小于30°时，两路电源处于基本同步状态，主电源切换到备用电源时间要小于8 ms；两路电源相位差超过30°时，两路电源处于非同步状态，主电源切换到备用电源时间要小于20 ms，并且不能引起尖峰电压与冲击电流。

图5 SOGI-PLL测试仿真Fig.5 SOGI-PLL simulation testing

设定备用电源能够正常工作，在主电源掉电或者电源质量不在正常范围值内，即主电源的频率差超过0.4 Hz，urms超过额定值10%，0轴电压绝对值的均值超过20 V，3个条件满足其一则控制器将先关断主电源的晶闸管，然后开通备用电源的晶闸管。两路电源在任意负载条件和任意相位差条件下，总转换时间不超过20 ms，切换指令生成逻辑如图6所示。

图6 SSTS切换指令生成逻辑Fig.6 The logic of SSTS transfer command generation

首先，SOGI-PLL检测主电源和备用电源的频率和相位信息，计算主电源和备用电源的相位差Δθ，检负载阻抗角度φ。然后，3个切换条件满足一个以上时，发出主电源关断信号TS1，备用电源延迟td后发送开通信号TS2，

(8)

式中，0≤φ

2.3 固态开关投切逻辑

开通晶闸管的触发方式分为电压过零点触发和强制触发两种。过零点出发为当电压为零时触发晶闸管，引起的尖峰电压与冲击电流小，转换时间较长；强制触发为接收到触发命令时即可触发晶闸管，引起的尖峰电压与冲击电流大，转换时间较短。因此，为减小尖峰电压与冲击电流，控制器发出切换命令后还要等待相电压过零再触发晶闸管，过零触发晶闸管逻辑如图7所示。

图7 过零触发晶闸管逻辑Fig.7 Crossing zero triggers SCR logic

切换指令信号TS与相电压uabc的过零信号同时经过与门生效时，TS_Nabc触发与其反向并联的晶闸管关断，同时，TS_Pabc触发晶闸管开通，完成先断后开的切换过程。

3 实验验证

为验证在极限负载阻抗角和最大相位差条件下的SSTS切换控制策略，搭建SCR-MCT40实验平台，如图8所示。在采样单元中采集电源电压和出口电流信息，计算负载功率因数角，编写SOGI-PLL程序，计算主电源和备用电源间的相位差，运行晶闸管投切的逻辑运算，SSTS参数如表1所示。

图8 实验平台Fig.8 The experiment platform

表1 SSTS参数表Tab.1 Table of SSTS parameters

主电源由380 V三相交流电提供，备用电源的相位差通过变压器调整，在极限条件下测试SSTS的双电源切换效果。调整负载电阻为23 Ω、电感为73 mH，调整备用电源超前主电源180°相位，通过空气开关将主电源A相断开模拟缺相故障。主电源故障及主电源恢复时备用电源电流输出和主电源电流输出如图9所示。主电源故障及主电源恢复时负载电流波形如图10所示。根据式(8)计算总切换时间为10 ms，可以保证SSTS在1/2个工频周期内完成切换过程，仅有较小的电压和电流冲击。

图9 φ=π/4,Δθ=π时电源端口输出电流波形Fig.9 Power output current waveform at φ=π/4 and Δθ=π

从图9可以看出，备用电源切换到主电源需要一个工频周期，主电源切换到备用电源仅需要6 ms，电源输出电流波形冲击较小。从图10可以看出，主电源故障切换到备用电源，主电源恢复后再切换到主电源，负载电流波形冲击较小，在一个工频周期内即可极限条件下迅速切换。

图10 φ=π/4,Δθ=π时负载电流波形Fig.10 Load current waveform at φ=π/4 and Δθ=π

经过开机满负荷测试168 h，调整两路电源为同步运行状态测试，如图11所示。主电源掉电后仅不到1/4个工频周期即切换到备用电源输出，且电压电流无过冲。

图11 φ=0,Δθ=0时负载电流波形Fig.11 Load current waveform at φ=0 and Δθ=0

4 结论

本文研究了一种基于SOGI的锁相技术和dq变换技术的SSTS切换控制方法。基于二阶广义积分器的锁相环可以对故障电网有效的锁相和锁频。双电源固态开关切换逻辑可以有效判定故障切换阈值，准确判断晶闸管的触发角度，主电源和备用电源之间的切换过程电压尖峰和电流冲击较小。双路电源处于非理想相位且阻感负载条件下，可在10 ms时间内SSTS完成切换过程；理想相位时，仅6 ms即可完成切换过程。实验证明了在极端条件下，双电源固态切换开关控制策略可以保证关键负荷的不间断供电。