變電站便攜式直流電源的設(shè)計(jì)研究

謝楠，馬吉

(國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

隨著社會(huì)發(fā)展的信息化、現(xiàn)代化對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性要求不斷提高，為了保證供電可靠性，各電壓等級(jí)變電站常需啟動(dòng)備用直流系統(tǒng)或備用電池組作為應(yīng)急電源。傳統(tǒng)應(yīng)急后備蓄電池組的運(yùn)輸、安裝、拆卸過(guò)程操作繁瑣，時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)急速度慢，嚴(yán)重影響到事故處理效率,且在安裝、拆卸過(guò)程中，極易發(fā)生蓄電池短路等危險(xiǎn)[1-2]。在直流分電屏中，整流充電模塊是其核心部件，但該模塊在實(shí)際運(yùn)行中易發(fā)生燒壞事故，且故障不易現(xiàn)場(chǎng)維修，匹配合適的備件或聯(lián)系廠家更換需要幾天時(shí)間，這將影響到變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。此外，變電站在投運(yùn)或改造時(shí)，裝置供電需要向繼電保護(hù)小室內(nèi)的試驗(yàn)電源屏內(nèi)敷設(shè)臨時(shí)電纜取電，電纜敷設(shè)取電過(guò)程分為電纜溝通風(fēng)、電纜敷設(shè)、電纜頭制作、線芯校驗(yàn)及電位測(cè)量、接線取電，工序復(fù)雜,耗時(shí)長(zhǎng)，嚴(yán)重影響二次設(shè)備投運(yùn)改造效率。本文利用一種新式的三電平VIENNA整流器和傳統(tǒng)的Buck變換器串聯(lián)的方式設(shè)計(jì)出了一種變電站便攜式直流電源，具有體積小，集成度高，性能高效等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于變電站直流電源屏中的充電模塊搶修和變電站二次設(shè)備屏投運(yùn)或改造等工作中。

1 便攜式直流電源的設(shè)計(jì)

我國(guó)110 kV及以下電壓等級(jí)的變電站的直流系統(tǒng)一般由一組蓄電池、一套臺(tái)充電機(jī)構(gòu)成。220 kV以上電壓等級(jí)的變電站，一般為“兩電三充”模式，即直流系統(tǒng)由兩組蓄電池，三臺(tái)充電機(jī)組成[4]。變電站的直流電源一次系統(tǒng)如圖1所示。三相交流電壓接入到整流電源后輸出為直流，由分饋線系統(tǒng)分配給站內(nèi)各裝置供電[5-6]。變電站直流系統(tǒng)通常集成在固定的直流饋電屏中，當(dāng)變電站直流系統(tǒng)正常運(yùn)行維護(hù)、技術(shù)改造以及事故處理時(shí)，需要一定的檢修時(shí)間，站內(nèi)二次設(shè)備的正常供電受到影響，因此需要一種安全可靠性高的便攜式移動(dòng)電源，代替故障直流系統(tǒng)為站內(nèi)二次設(shè)備可靠供電，從而降低運(yùn)行維護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，提高電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

圖1 變電站直流電源一次系統(tǒng)

針對(duì)上述問(wèn)題設(shè)計(jì)出了一種由VIENNA整流器和Buck變換器串聯(lián)的便攜式直流電源。在變電站直流系統(tǒng)搶修時(shí)可以用此便攜式整流電源代替，同時(shí)也適合其他事故現(xiàn)場(chǎng)的臨時(shí)用電。VIENNA整流器是一種極具發(fā)展前景的三相/三電平PFC拓?fù)?，除具有?yōu)良的網(wǎng)側(cè)性能，還具有開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力低，輸出直流側(cè)電壓可控，開(kāi)關(guān)數(shù)量少，不存在死區(qū)，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)[7-8]，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)充電樁、高功率直流電源、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域[9-10]。VIENNA整流器的網(wǎng)側(cè)輸入濾波電感采用高頻鐵硅鋁電感，相比于傳統(tǒng)三電平整流器的工頻交流濾波電感，濾波電感體積減小，從而使VIENNA整流器具有體積小，集成度高，便于攜帶等特點(diǎn)，可在變電站直流系統(tǒng)停電檢修時(shí)充當(dāng)備用電源，站內(nèi)二次設(shè)備投運(yùn)前實(shí)驗(yàn)時(shí)作為臨時(shí)電源等場(chǎng)合被應(yīng)用。

2 便攜式直流電源的多閉環(huán)控制

便攜式直流電源的拓?fù)?見(jiàn)圖2)主要由前級(jí)三相三電平VIENNA整流器和后級(jí)Buck電路組成。前級(jí)三電平VIENNA整流器主要完成整流及直流穩(wěn)定控制功能，后級(jí)Buck電路負(fù)責(zé)把VIENNA整流器輸出的直流電壓調(diào)節(jié)為變電站內(nèi)二次設(shè)備所需的DC 110 V或DC 220 V的直流電源電壓。VIENNA整流器主要由交流側(cè)濾波電路、主功率電路、直流側(cè)濾波電路構(gòu)成。交流濾波電路濾除輸入電流的高頻成分，一般采用三相濾波電感實(shí)現(xiàn)。主功率電路由三個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂有兩個(gè)功率二極管和一個(gè)雙向IGBT組成“T”型。雙向IGBT由兩個(gè)IGBT 共射極連接，IGBT的公共端成星型連接至直流側(cè)中點(diǎn)，另外一端連接至每個(gè)橋臂的中點(diǎn)。直流側(cè)由兩個(gè)支撐電容組成，電容連接處為整流器直流側(cè)中點(diǎn),而后級(jí)Buck電路采用傳統(tǒng)直流降壓電路，由一個(gè)IGBT和一個(gè)功率二極管組成。

圖2 便攜式直流電源整流器拓?fù)?/p>

目前VIENNA 整流器的控制算法大多基于兩相靜止坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)下的數(shù)學(xué)模型，在dq坐標(biāo)系下直流電源系統(tǒng)的前級(jí)VIENNA整流器交流側(cè)電壓平衡方程為

式中：L—整流器交流側(cè)電感；

R—交流側(cè)等效電阻；

ω—基頻角頻率；

id、iq—交流側(cè)電流在d、q軸上的分量；

vd、vq—整流器交流輸入端電壓在d、q軸上的分量；

usd、usq—網(wǎng)側(cè)電壓矢量在d、q軸上的分量。

在式(1)中，d軸電流id與q軸電流iq之間存在相互耦合項(xiàng)，這樣給PI控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)帶來(lái)困難。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以電壓定向電流解耦控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電流耦合項(xiàng)的解耦。

如圖3所示，引入id、iq的電壓定向電流解耦控制，采用工業(yè)中常用的PI調(diào)節(jié)器來(lái)控制電流，有以下關(guān)系式：

圖3 便攜式直流電源的VIENNA整流器電流解耦控制

由式(2)，式(3)可得：

式中:Kip、KiI—電流控制的比例和積分參數(shù)；

對(duì)比式(1)、式(4)可以看出，有功電流和無(wú)功電流之間實(shí)現(xiàn)完全解耦。

如圖2所示，便攜式直流電源中的后級(jí)電路為傳統(tǒng)的Buck變換器，Buck變換器是一種直流降壓電路，直流輸入電壓通過(guò)開(kāi)關(guān)管的控制，使輸出直流電壓降低[11]。當(dāng)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通，前級(jí)VIENNA整流器的輸出電壓向電感L充電，電感電流增大，同時(shí)給整流器電容C3充電；當(dāng)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷，電感L儲(chǔ)存的能量通過(guò)續(xù)流二極管D放電，電感電流逐漸減小，輸出電壓依靠輸出濾波電容和電感電流維持[12]。Buck變換器的輸出電壓uo與輸入電壓uin的關(guān)系為

uo=d·uin

(5)

式中：d—開(kāi)關(guān)管S的占空比。

因此通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管S的占空比就可以改變直流輸出電壓的大小，從而實(shí)現(xiàn)便攜式整流電源輸出電壓的調(diào)節(jié)，使其具有輸出DC 220 V或DC 110 V的性能。

圖4 便攜式直流電源控制

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的便攜式直流電源控制方法的正確性，在PSIM9.03環(huán)境，搭建了如圖5所示的便攜式直流電源整流器的仿真模型。對(duì)提出的控制算法進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

圖6為控制策略下的便攜式直流電源的網(wǎng)側(cè)電壓、網(wǎng)側(cè)電流及直流側(cè)輸出電壓波形，可以看出直流側(cè)電壓能夠穩(wěn)定在給定值110 V，電壓紋波較小。網(wǎng)側(cè)電壓電流同相位，系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行，具有高性能特性，輸入電流諧波畸變率小，說(shuō)明系統(tǒng)具有良好的網(wǎng)側(cè)性能。

圖5 便攜式直流電源仿真模型

(a)直流側(cè)輸出電壓波形

(b)網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

圖7所示為系統(tǒng)控制策略下網(wǎng)側(cè)電流及直流側(cè)輸出電壓穩(wěn)態(tài)波形。便攜式直流電源直流側(cè)負(fù)載由10 Ω切換為20 Ω，再切換為10 Ω時(shí)的直流側(cè)輸出電壓波形可以看出直流側(cè)電壓能夠穩(wěn)定在給定值110 V，且電壓紋波較小。當(dāng)負(fù)載切換時(shí)，直流側(cè)的電壓波動(dòng)幅值均小于1 V，直流側(cè)輸出電壓的調(diào)節(jié)時(shí)間為0.01 s，且在一個(gè)工頻周期內(nèi)，說(shuō)明系統(tǒng)在負(fù)荷切換時(shí)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

(a)直流側(cè)輸出電壓波形

(b)網(wǎng)側(cè)電流波形

4 成品應(yīng)用案例

圖8是便攜式移動(dòng)直流電源的制作成品。

圖8 便攜式移動(dòng)電源成品

直流電源采用移動(dòng)小車(chē)式結(jié)構(gòu)，可以隨意拉動(dòng)到所需接入供電屏處。實(shí)驗(yàn)室選取二次設(shè)備屏進(jìn)行試驗(yàn)，嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)要求工序進(jìn)行試驗(yàn)。將小車(chē)推至試驗(yàn)屏柜附近，開(kāi)啟移動(dòng)試驗(yàn)電源，用萬(wàn)用表量取輸出電源電位，再量取試驗(yàn)屏柜直流端子有無(wú)電壓，確認(rèn)作業(yè)安全之后，進(jìn)行試驗(yàn)線接入，接入后量取直流端子排電壓，進(jìn)行裝置上電。選取5組二次屏柜進(jìn)行便攜式移動(dòng)電源接入實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)移動(dòng)電源設(shè)備輸出的電壓后均可以正常啟動(dòng)運(yùn)行，取電平均耗時(shí)4.69 min。與傳統(tǒng)方式向?qū)嶒?yàn)電源屏敷設(shè)臨時(shí)電纜取電相比，取電時(shí)間以及人力物力消耗都有明顯的減少。實(shí)現(xiàn)二次屏柜方便取電的功能，為驗(yàn)收，檢修工作提供便利。

5 結(jié) 論

針對(duì)變電站直流系統(tǒng)的整流模塊損壞，二次設(shè)備屏投運(yùn)及改造時(shí)需向?qū)嶒?yàn)電源屏敷設(shè)臨時(shí)電纜取電而導(dǎo)致檢修時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了一款由三電平VIENNA整流器和Buck變換器串聯(lián)成的高性能便攜式移動(dòng)直流電源。該整流電源能夠持續(xù)輸出穩(wěn)定的直流110 V或220 V的電壓，滿足變電站二次設(shè)備的供電需要。對(duì)所提出的控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證并制作出實(shí)驗(yàn)成品。仿真結(jié)果和實(shí)踐表明便攜式直流電源具有直流側(cè)電壓輸出穩(wěn)定和良好的網(wǎng)側(cè)性能，并減少了變電站內(nèi)直流系統(tǒng)的檢修時(shí)間和需投運(yùn)或改造的二次設(shè)備臨時(shí)取電時(shí)間，有效提高了檢修效率。