劉源俊,杜貴平,黎嘉健,雷雁雄,賴 娜
(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣州 510641)
變電站直流電源系統(tǒng)(以下簡稱直流系統(tǒng))作為站用電的不間斷電源系統(tǒng),為變電站繼電保護(hù)、自動裝置、通信遠(yuǎn)動和事故照明等提供可靠穩(wěn)定的電力供應(yīng),是變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的基本保障。從20世紀(jì)70年代前的電動機(jī)發(fā)電機(jī)組供電,到七八十年代的晶閘管整流,再到90年代的高頻開關(guān)電源[1],直流系統(tǒng)的效率、功率密度、穩(wěn)定性和可靠性等大大提高,現(xiàn)已基本采用高頻開關(guān)電源裝置??v觀其發(fā)展的歷程,每一次大的變革都無不跟隨著電力電子器件的發(fā)展。從90年代至今,半導(dǎo)體材料已經(jīng)從Si到第二代半導(dǎo)體材料GaAs,再到第三代的寬禁帶半導(dǎo)體材料SiC和GaN[2],性能不斷提升,目前采用高頻開關(guān)電源裝置的直流系統(tǒng)經(jīng)過20多年的發(fā)展,從第一代的GZD系列直流電源系統(tǒng)到第二代的GZDW系列直流電源系統(tǒng),再到第三代GCFW和KCFW系列直流電壓系統(tǒng)[3],但仍停留在Si器件的應(yīng)用階段,而且存在諧波含量大、充電模塊故障率高等問題。因此本文針對直流系統(tǒng)現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)以及存在的問題進(jìn)行研究,并結(jié)合當(dāng)今的技術(shù)條件和發(fā)展潮流提出對新一代直流系統(tǒng)的展望。
直流系統(tǒng)主要由交流配電單元、充電模塊、蓄電池組、監(jiān)控單元(包括充電監(jiān)控、配電監(jiān)控、絕緣監(jiān)控和蓄電池巡檢等)、降壓裝置和饋電單元等組成,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。正常狀態(tài)下,站用電交流輸入由交流配電單元經(jīng)充電模塊整流傳輸?shù)街绷髂妇€上,直流母線分為合閘母線(動力母線)和控制母線。合閘母線為各類直流電動機(jī)、斷路器合閘機(jī)構(gòu)等供電,供電時電流大至上百安,母線電壓會有一定波動;控制母線為各種經(jīng)常性負(fù)荷如電氣控制、信號、測量等,母線電壓要求質(zhì)量較高,因此合閘母線電壓一般偏高以保證其負(fù)荷的電壓要求,然后通過自動降壓裝置連接到控制母線,保證控制母線電壓的穩(wěn)定。同時蓄電池組接在合閘母線上,保持浮充電狀態(tài),當(dāng)發(fā)生交流斷電或充電模塊故障時,直流系統(tǒng)通過蓄電池組經(jīng)直流母線供電,從而保證變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。
交流配電單元由2路交流輸入和自動轉(zhuǎn)換開關(guān) ATS(automatic transfer switch)組成[4],一路作為常用電源,另一路作為備用電源,通過ATS進(jìn)行切換,輸入可采用單相交流輸入(220 V/50 Hz)或三相交流輸入(380 V/50 Hz),當(dāng)系統(tǒng)功率較低時可采用單相輸入,變電站直流系統(tǒng)常用的是三相輸入。充電模塊采用高頻開關(guān)電源裝置,結(jié)構(gòu)如圖2所示,交流電經(jīng)過EMI及濾波、整流、功率因數(shù)校正PFC(power factor correction)、DC-DC 變換器與濾波得到高質(zhì)量的直流電。整流電路一般采用三相橋式不控整流,PFC現(xiàn)多使用無源功率因數(shù)校正PPFC(passive power factor correction),DC-DC 變換器目前主要使用移相控制PWM DC-DC全橋變換器和全橋LLC諧振變換器,如表1所示。高頻開關(guān)電源裝置相比于90年代前使用的晶閘管整流裝置,穩(wěn)壓穩(wěn)流精度高、交流側(cè)諧波含量小、效率高、濾波器的體積和重量小,現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用。用于直流系統(tǒng)的蓄電池主要有開口式鉛酸蓄電池、半封閉的防酸式鉛酸蓄電池、隔鎳堿性蓄電池以及閥控式鉛酸VRLA(valve-regulated lead acid)蓄電池。前2種應(yīng)用于80年代前,現(xiàn)在已基本淘汰。隔鎳堿性蓄電池在80年代中期開始使用,放電倍率高,耐過充和過放[1],循環(huán)使用壽命長,但是單節(jié)電壓低使電池數(shù)量多,而且存在記憶效應(yīng),局限了其在變電站直流系統(tǒng)的應(yīng)用。90年代以后,VRLA電池開始發(fā)展與應(yīng)用,并因其全密封、少維護(hù)、不污染環(huán)境、可靠性高以及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)迅速得到廣泛應(yīng)用[5],目前基本采用VRLA電池。監(jiān)控模塊分為集中式監(jiān)控和分布式監(jiān)控2種方式,主要包括蓄電池巡檢、絕緣監(jiān)測、充電監(jiān)測和配電監(jiān)測等。集中式監(jiān)控還包括集中監(jiān)測,各監(jiān)測模塊把測量參數(shù)輸送至集中監(jiān)測主機(jī)。分布式監(jiān)控方式中各模塊相互獨(dú)立同時利用系統(tǒng)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,現(xiàn)在多采用集中式監(jiān)控的方式。降壓裝置為多只大功率硅整流二極管串聯(lián)而成的降壓硅鏈,利用繼電器控制投入的組數(shù)而達(dá)到多級調(diào)壓功能,簡單可靠,但這種調(diào)壓屬于有級調(diào)壓;也可以使用DC-DC變換器實現(xiàn)平滑調(diào)壓。
表1 現(xiàn)有充電模塊的DC-DC變換器Tab.1 Existing DC-DC converters used in the charging module
目前直流系統(tǒng)有220 V、110 V和48 V 3種電壓等級,其中48 V一般用于通信電源系統(tǒng),但是為了直流系統(tǒng)的簡化與經(jīng)濟(jì)性,通信電源系統(tǒng)現(xiàn)多直接從110 V或220 V的直流系統(tǒng)上通過DC-DC變換器得到48 V電源。110 V直流系統(tǒng)電流較大,導(dǎo)線的截面較大,為滿足負(fù)荷電壓的要求,供電距離較短;220 V直流系統(tǒng)電流較小,導(dǎo)線截面小,供電距離可以更大,但是對絕緣的要求更高,相關(guān)直流設(shè)備價格更高。
直流系統(tǒng)的主接線方式主要根據(jù)蓄電池和充電裝置的數(shù)量劃分,主要有1蓄1充、1蓄2充、2蓄2充和2蓄3充型,接線示意如圖3所示?,F(xiàn)110~500 kV變電站直流系統(tǒng)均應(yīng)配置2蓄2充,110 kV以下變電站宜配置1蓄1充,對于重要的電站需要時也可以配置1蓄2充或2蓄2充[6-7]。供電網(wǎng)絡(luò)接線方式有輻射型和環(huán)形2種方式[1]。以往直流系統(tǒng)的供電多采用環(huán)形方式,負(fù)荷出線多時可減少線材,但不易查找接地故障,供電路徑長帶來較大線路壓降。輻射供電方式的網(wǎng)絡(luò)接線簡單可靠,易于查找接地故障點(diǎn),所以,近年來多采用輻射供電方式[7],但是當(dāng)供電出線較多時,輻射供電方式需要大量的電纜,可采用直流分電柜。
充電模塊采用的是高頻開關(guān)電源裝置,其關(guān)鍵在于DC-DC變換部分通過高頻逆變把直流轉(zhuǎn)換為高頻交流方波。頻率的提高大大減小了隔離變壓器和濾波電路的體積,提高了變換器的功率密度與輸出穩(wěn)壓穩(wěn)流精度;然后通過整流得到直流輸出。隨著頻率的提升,開關(guān)損耗顯得更為突出,軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)正好緩解了這個問題,使得變換器的效率、工作頻率以及功率密度進(jìn)一步提高。目前直流系統(tǒng)充電模塊軟開關(guān)實現(xiàn)方案主要采用移相控制PWM DC-DC全橋變換器和全橋LLC諧振變換器。
移相控制PWM DC-DC變換器根據(jù)軟開關(guān)的實現(xiàn)方式分為ZVS型、ZCS型以及ZVZCS型,其電路如圖 4(a)、(b)、(c)所示。 ZVS 型充分利用了器件本身的寄生參數(shù),簡單且易于實現(xiàn)[8],但是滯后橋臂實現(xiàn)軟開關(guān)較難,變壓器副邊存在占空比丟失問題,導(dǎo)致其輸出電壓的調(diào)節(jié)范圍受到限制,輕載時難以實現(xiàn)軟開關(guān),而且變壓器原邊存在零狀態(tài)環(huán)流[9],增加了損耗。文獻(xiàn)[10]通過增加輔助緩沖電路,使得滯后橋臂的軟開關(guān)實現(xiàn)變得相對容易,但是這也犧牲了簡單的優(yōu)點(diǎn)。ZCS型因輸入側(cè)存在大升壓電感,不存在橋臂直通的危險,無死區(qū)時間,副邊的二極管可自然實現(xiàn)ZVS,提高了效率,但存在原邊側(cè)的零狀態(tài)環(huán)流,帶來了一定的通態(tài)損耗,諧振電容的電壓應(yīng)力大,與ZVS型一樣,變壓器副邊存在占空比丟失,滯后管軟開關(guān)的實現(xiàn)較難。ZVZCS型相當(dāng)于ZVS方式與ZCS方式的結(jié)合,超前橋臂實現(xiàn)ZVS,而滯后橋臂可以在任意負(fù)載和輸入電壓變化范圍內(nèi)實現(xiàn)ZCS[11],零狀態(tài)時變壓器原邊沒有環(huán)流,提高了效率,但是存在死區(qū)時間,滯后橋臂的電壓應(yīng)力比較大。全橋LLC諧振變換器電路如圖4(d)所示,諧振元件全程參與能量的傳輸,存在2個諧振頻率,可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)開關(guān)管ZVS而不需要輔助電路,副邊的二極管在開關(guān)頻率位于2個諧振頻率之間時自然實現(xiàn)ZCS,工作頻率高,EMI噪聲小,開關(guān)應(yīng)力小[12-13]。
目前充電模塊所使用的開關(guān)器件主要有IGBT和MOSFET,IGBT因存在較大的拖尾電流而適合ZCS方案,MOSFET因較大的容性開通損耗而適合ZVS方案。因此移相控制ZVS型PWM DC-DC變換器一般使用MOSFET器件;ZCS型使用IGBT器件;ZVZCS型可超前橋臂使用MOSFET,滯后橋臂使用IGBT達(dá)到最佳效率;全橋LLC諧振變換器一般采用MOSFET器件。DC-DC變換器的損耗主要在于開關(guān)管開關(guān)和通態(tài)損耗,反并聯(lián)二極管和副邊整流二極管損耗以及磁性元件的損耗。半導(dǎo)體器件發(fā)展至今已經(jīng)到達(dá)第三代的SiC和GaN器件,其參數(shù)對比如表2所示[2]。更大的禁帶寬度意味著更高的耐壓與耐溫,更高的電子遷移率可以實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率和更低的導(dǎo)通電阻,更高的熱導(dǎo)率帶來更好的散熱效果,更高的擊穿場強(qiáng)可達(dá)到更高的耐壓水平。因此第三代的SiC和GaN器件相比于傳統(tǒng)的Si器件,耐壓更高,開關(guān)速度更快,導(dǎo)通損耗更小,散熱性能更好,而且體積更小,硬度更高,抗輻射能力更強(qiáng)。將SiC和GaN器件應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng),開發(fā)基于新一代器件的充電模塊,能夠進(jìn)一步實現(xiàn)更高頻化、更高效率和功率密度以及更高功率等級。
表2 半導(dǎo)體材料器件參數(shù)對比Tab.2 Comparison of parameters among semiconductor material devices
由于全控型開關(guān)器件功率的限制,單個充電模塊的功率無法滿足需求,需多個充電模塊并聯(lián)運(yùn)行,因此需采用N+1冗余技術(shù),即使用N個整流模塊并聯(lián)能滿足需求時,為提高可靠性,再多并聯(lián)1個模塊,保證其中1個模塊故障后,剩下的N個模塊仍能滿足供電要求[14]。但這帶來模塊之間的電流不均衡問題,不同模塊因內(nèi)阻、寄生參數(shù)等的不一致導(dǎo)致外特性出現(xiàn)一定偏差,如圖5所示,恒壓模式下,不同模塊電流產(chǎn)生比較大的差別,導(dǎo)致部分模塊長期工作在重載情況,加速老化甚至發(fā)生故障,部分模塊長期工作在輕載情況,效率低下,因此需要模塊間的均流設(shè)計。
目前主要的均流技術(shù)有:外特性下垂法、主從模塊均流法、平均電流自主均流法、最大電流自主均流法和平均溫度應(yīng)力自動均流法[15-18]。外特性下垂法通過在每個模塊的輸出側(cè)串聯(lián)1個電阻,從而拉近各模塊的輸出外特性,特性曲線如圖5所示,其方法簡單,但是每個模塊都需要匹配合適的電阻,均流效果一般,而且增加了額外的損耗,降低了電壓調(diào)整率。
主從模塊均流法應(yīng)用于雙閉環(huán)控制的直流模塊中,如圖6所示,設(shè)置某一模塊為主模塊,其外電壓環(huán)得到的控制電壓作為所有模塊的內(nèi)電流環(huán)的參考電流,而各模塊的輸出電流近似與這個控制電壓成正比,從而實現(xiàn)各模塊均流的效果。主從法均流效果較好,但是各模塊之間需要進(jìn)行通訊,提升了復(fù)雜性,而且當(dāng)主模塊損壞后無法正常工作,可靠性降低。
平均電流自主均流法中各模塊采樣輸出電流放大后,通過一個電阻Rx接到均流母線上,結(jié)構(gòu)如圖7所示。當(dāng)母線上無電流時,代表各模塊電流相等,當(dāng)母線存在電流時,將導(dǎo)致各模塊的Rx上產(chǎn)生壓降,壓降大小與各模塊輸出電流和平均電流的差值相關(guān),將此壓降接入反饋即可實現(xiàn)各模塊的自動均流。平均法均流效果好,但是當(dāng)某一模塊故障或母線短路,將導(dǎo)致其余各模塊的電壓下調(diào),可能會導(dǎo)致故障。最大電流自主均流法將平均法中的電阻Rx換成了二極管Dx,這樣只有電流最大的模塊所接二極管導(dǎo)通,使得母線電壓Vb=Vi-(為二極管導(dǎo)通壓降,i為電流最大的模塊編號),其余各模塊二極管承受反壓,反壓的大小與各自輸出電流相關(guān),接入反饋即可實現(xiàn)各模塊的自動均流,相當(dāng)于輸出電流最大的模塊成為主模塊,而且主模塊是動態(tài)變化的,具有了上述2種方法的優(yōu)點(diǎn),均流效果、穩(wěn)定性和可靠性都更優(yōu)。但是主模塊也會根據(jù)進(jìn)行調(diào)節(jié),使主模塊的均流與其他模塊均流存在誤差,同時主模塊不斷更換,二極管的反向恢復(fù)電壓會帶來一定干擾。平均溫度應(yīng)力自動均流法通過加入對各模塊溫度的考慮,由電流和溫度共同控制各模塊的輸出電流,但是增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。
目前應(yīng)用最多的為最大電流自主均流法,動態(tài)響應(yīng)好、均流精度高且易于實現(xiàn)冗余技術(shù)。但當(dāng)負(fù)載較輕時,均流效果變差,部分模塊負(fù)載較重,部分模塊近似空載運(yùn)行,影響整流模塊的使用壽命,而且直流系統(tǒng)作為備用電源,大部分時間下負(fù)載率不到15%,各模塊的效率較低[19-20]。因此可以采用熱備份方法,在輕載時候,減小投入的充電模塊數(shù)量,使模塊工作在較高的負(fù)載率下,其他模塊處于熱備份的狀態(tài),當(dāng)負(fù)載突然加重時可以快速投入使用,從而既提高了充電裝置的效率,也可以得到更好的均流效果。
根據(jù)相關(guān)規(guī)程[21]的要求,交流側(cè)的高次諧波含量應(yīng)不大于30%,采用PPFC電路便可滿足要求。三相PPFC主要有前置式和后置式[22-23],但是PPFC只能濾除或補(bǔ)償固定頻率的諧波,而且校正效果易受電網(wǎng)阻抗和負(fù)載特性的影響,還有可能會與網(wǎng)側(cè)阻抗對于某些高次諧波產(chǎn)生諧振,而且電流畸變較大,諧波含量大。隨著電力系統(tǒng)對于電能質(zhì)量要求的不斷提高,PPFC顯然是無法滿足需求的。
三相有源功率因數(shù)校正APFC(active power factor correction)電路一般根據(jù)開關(guān)管數(shù)量分為單開關(guān)和多開關(guān)結(jié)構(gòu)[24-28]。單開關(guān)結(jié)構(gòu)使用最為廣泛的是Boost型PFC電路[27-29],結(jié)構(gòu)簡單,電流包絡(luò)自動跟蹤電壓波形,但只能工作在電感電流斷續(xù)模式,存在較大的噪聲和比較大的開關(guān)損耗,電流畸變較大,一般應(yīng)用于小功率場合。多開關(guān)結(jié)構(gòu)主要有雙開關(guān)、三開關(guān)、四開關(guān)以及六開關(guān)結(jié)構(gòu)[24-26,28-31],PFC效果優(yōu)于單開關(guān)結(jié)構(gòu),功率因數(shù)高,電流畸變小,但電路與控制隨開關(guān)的數(shù)量增多而越發(fā)復(fù)雜。除此還有組合式的三相PFC結(jié)構(gòu)[27,32],把三相獨(dú)立成多個單相電路,然后利用單相PFC技術(shù)分別進(jìn)行功率因數(shù)校正,這樣對于每一相來說電路與控制都比較簡單,而且其中一相出現(xiàn)問題不會影響其他相的正常工作,具有冗余的效果,但是總體結(jié)構(gòu)更復(fù)雜,使用器件多,損耗也較大。
目前APFC技術(shù)有2種實現(xiàn)形式:一是在整流電路后加DC-DC變換器作為APFC電路;另一種是在整流電路部分同時實現(xiàn)功率因數(shù)校正作用,一般稱為高功率因數(shù)整流器。單開關(guān)、雙開關(guān)、三開關(guān)和四開關(guān)結(jié)構(gòu)多屬于第一種形式,結(jié)構(gòu)與控制相對比較簡單,但是會帶來多一級的損耗,使得充電模塊的整機(jī)效率降低。高功率因數(shù)整流器主要有六開關(guān)結(jié)構(gòu)整流器和三開關(guān)結(jié)構(gòu)的Vienna整流器等,如圖8所示。但是Vienna整流器的三個開關(guān)是雙向開關(guān),用2個開關(guān)反串聯(lián)得到,因此也可歸為六開關(guān)結(jié)構(gòu)。高功率因數(shù)整流器能夠?qū)崿F(xiàn)整流與APFC兩重功能,減少了一級損耗,可以實現(xiàn)單位功率因數(shù)和低諧波含量,同時可以配合先進(jìn)的控制算法如SVPWM、無差拍控制和模型預(yù)測控制[33-34]等,極大提高充電模塊的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。
無人值班變電站的需求使得變電站對于智能化的要求不斷提高,要求實現(xiàn)“四遙”等功能,即遙信、遙測、遙控和遙調(diào),而這些功能的實現(xiàn)依賴于直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,因此直流系統(tǒng)智能化程度也需要進(jìn)一步提高。直流系統(tǒng)智能化的實現(xiàn)主要體現(xiàn)在充電模塊、監(jiān)控模塊和饋電單元上。對于充電模塊,根據(jù)規(guī)程[6]要求,其主要實現(xiàn)了輸入過壓和欠壓保護(hù)、輸出過壓過流保護(hù)、過熱保護(hù)、帶電熱插拔、故障告警以及充電模式自動切換等功能,但是故障告警后無法自動切除故障模塊。當(dāng)前對于充電模塊的監(jiān)控僅包括輸出電流、電壓和溫度等參數(shù),然而直流系統(tǒng)充電模塊需要長期不間斷運(yùn)行,輕載運(yùn)行時,電流很小,當(dāng)需要合閘等操作時,電流大至上百安,充電模塊要瞬時提供很大的電流,這種沖擊效應(yīng)加上電路老化造成參數(shù)畸變以及電解電容壽命的制約[35],充電模塊的性能會不斷下降,如輸出穩(wěn)壓穩(wěn)流精度和紋波系數(shù)等。但是對于充電模塊內(nèi)部如電容和電阻等的老化自檢軟硬件實現(xiàn)難度大[4],因此可以對輸出穩(wěn)壓穩(wěn)流精度和紋波系數(shù)等進(jìn)行監(jiān)測,間接反映充電模塊的狀態(tài),并以此建立充電模塊的壽命評估模型,實現(xiàn)故障的預(yù)警功能,同時加上充電模塊的自動投切功能,將大大提高直流系統(tǒng)的可靠性以及智能化程度。對于饋電單元,若系統(tǒng)采用分段母線方式或雙母線方式,正常運(yùn)行時直流系統(tǒng)Ⅰ、Ⅱ段母線負(fù)荷電流不平衡,如Ⅰ段負(fù)荷電流大,這增加了直流Ⅰ段母線事故后容量不足的可能性,同時兩段母線的負(fù)荷電流不平衡,使得負(fù)荷電流更大的一段的蓄電池壽命下降更快[36]。因此進(jìn)一步合理優(yōu)化各母線的負(fù)荷分配,設(shè)計母線間負(fù)荷的自平衡裝置,實現(xiàn)負(fù)荷均衡,保證負(fù)荷較重段母線的可靠電力供應(yīng),將能夠提高直流系統(tǒng)的智能化程度,充分利用直流系統(tǒng)總?cè)萘俊?/p>
本文通過研究直流系統(tǒng)及其各模塊的現(xiàn)狀,分析其中關(guān)鍵技術(shù)所存在的問題,提出對于新一代的直流系統(tǒng)的展望。
(1)將第三代SiC和GaN寬禁帶半導(dǎo)體器件應(yīng)用于充電模塊的DC-DC變換器,進(jìn)一步提高開關(guān)頻率,減小變壓器和濾波器的體積,提高功率密度。同時結(jié)合軟開關(guān)技術(shù)與SiC和GaN器件的更優(yōu)性能,進(jìn)一步提升電源效率。采用高功率因數(shù)整流器如Vienna整流器或六開關(guān)結(jié)構(gòu)整流器替換原本的三相不控整流和PPFC電路,實現(xiàn)低諧波含量和高功率因數(shù),配以諸如模型預(yù)測控制等更先進(jìn)的控制算法,提高直流系統(tǒng)的穩(wěn)壓穩(wěn)流精度及動態(tài)性能。
(2)采用充電模塊熱備份方法,輕載時減少工作模塊的數(shù)量,提高充電模塊的負(fù)載率以及整機(jī)效率,同時可以獲得更好的輕載均流效果,但是要保證處于熱備份狀態(tài)的模塊可以隨時快速并可靠投入使用。
(3)提高充電模塊的智能化程度,除基本外特性參數(shù)外,對其穩(wěn)壓穩(wěn)流精度和紋波系數(shù)等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,然后基于這些參數(shù)對充電模塊進(jìn)行狀態(tài)預(yù)測,建立模型實現(xiàn)充電模塊的壽命評估以及故障預(yù)警,同時配備模塊的自動投切功能,實現(xiàn)更智能化的控制。除此之外,在饋電單元設(shè)計負(fù)荷自平衡裝置,均衡負(fù)荷在各分段母線或各母線上的分配,充分利用直流系統(tǒng)總?cè)萘俊?/p>