變電站直流電源并聯(lián)均流控制方法

陳 猛

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北 恩施 445000）

0 引 言

對于變電站、發(fā)電廠等大型電力應(yīng)用場合而言，電源系統(tǒng)不僅要安全可靠，還需要滿足大容量、不間斷供電的需求。如果僅采用單個直流電源供電，往往不能滿足實際需求，導(dǎo)致變電站系統(tǒng)的功率降低，并且一旦直流電源發(fā)生故障，就會導(dǎo)致整個變電系統(tǒng)停止運行。為了解決這一問題，電力公司引進(jìn)變電站直流電源并聯(lián)技術(shù)，將2 個或者2 個以上小功率直流電源并聯(lián)為一個大功率電源系統(tǒng)，滿足變電站供電需求。當(dāng)其中一個直流電源無法運行時，將立即啟動備用直流電源模塊，保證變電站能夠正常運行。但是當(dāng)變電站直流電源并聯(lián)工作后，由于每個直流電源之間的特性存在一些差異，輸出的電流不一致，將會使部分直流電源處于過載工作狀態(tài)，進(jìn)而使變電站電壓失穩(wěn)。為了避免該問題的出現(xiàn)，當(dāng)變電站直流電源并聯(lián)時，應(yīng)當(dāng)立即采取均流控制措施，令直流電源輸出電流一致。但是目前采用的傳統(tǒng)控制方法效果并不理想，已經(jīng)無法滿足實際需求，為此提出變電站直流電源并聯(lián)均流控制方法。

1 拾取電流信號

在對直流電源并聯(lián)均流控制前，需要獲取并聯(lián)電源輸出電壓、電阻等信號，判斷當(dāng)前直流電源并聯(lián)是否存在均流誤差[1]。為每個變電站直流電源模塊接入控制電路，在控制電路中設(shè)定直流電源電流信號感知單元，安裝各類傳感器，采集直流電源并聯(lián)電流信號。采用串并聯(lián)的方式將電壓傳感器與電阻傳感器接入變電站直流電源總線，對傳感器采樣頻率、采樣周期以及范圍等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定[2]。為了避免重復(fù)采集直流電源并聯(lián)電流信號樣本，根據(jù)電源信號頻率設(shè)定傳感器信號重采樣的最小頻率，用公式表示為

式中：μmin為控制周期內(nèi)直流電源并聯(lián)電流的最低重采樣頻率；μmax為直流電源并聯(lián)電流的最高頻率；n為傳感器采樣周期；μ為控制周期內(nèi)直流電源并聯(lián)電流的頻率[3]。當(dāng)變電站直流電源并聯(lián)時，傳感器拾取到直流電源模塊信號，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將其發(fā)送到計算機[4]。無線傳感器在信號采集過程中受到干擾影響原始信號中會存在噪聲信號，為了保證后續(xù)直流電源并聯(lián)均流誤差計算精度以及控制精度，采用小波降噪技術(shù)對原始信號進(jìn)行濾波處理，對原始電源信號進(jìn)行小波變換，用公式表示為

式中：x為小波變換后的直流電源模塊信號；a為變換尺度因子；f(t)μmin為t時刻直流電源并聯(lián)電流信號；ρ為共軛小波基；b為小波變換位移參數(shù)[5]。通過小波變換將原始信號變換為多個子序列，利用自適應(yīng)閾值函數(shù)對信號的每個子序列進(jìn)行濾波，用公式表示為

式中：s為濾波后的直流電源模塊信號；w為自適應(yīng)閾值函數(shù)；υ為自適應(yīng)濾波閾值；rx為小波變換后信號子序列的小波系數(shù)。根據(jù)式（3），如果小波系數(shù)小于閾值，則表示該子序列無噪聲，或者噪聲分量在規(guī)定范圍內(nèi)，保留序列；如果小波系數(shù)大于閾值，則表示該子序列含噪聲，將該序列值設(shè)定為0，消除含噪序列。

2 識別直流電源并聯(lián)均流誤差

根據(jù)拾取的直流電源并聯(lián)信號，識別變電站直流電源并聯(lián)均流誤差，判斷當(dāng)前是否處于不均衡狀態(tài)。為了方便后續(xù)計算，對濾波后的電源信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差處理，用公式表示為

式中：為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的直流電源信號；smin為直流電源信號的最小值；smax為直流電源信號的最大值。通過對原始信號標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除不同種類信號之間的量綱，將所有信號規(guī)范在0 ～1。假設(shè)并聯(lián)的2 個直流電源分別為i、j，根據(jù)變電站直流電源并聯(lián)工作原理，可以得到2 個直流電源并聯(lián)后各自的負(fù)載電壓，用公式表示為

式中：Ui、Uj分別為并聯(lián)的2 個直流電源負(fù)載電壓；、分別為并聯(lián)的2 個直流電源開路輸出電壓；Ri、Rj分別為并聯(lián)的2 個直流電源輸出阻抗；Ii、Ij分別為并聯(lián)的2 個直流電源輸出電流。根據(jù)直流電源負(fù)載電壓計算出并聯(lián)后總的輸出電壓，用公式表示為

式中：U0為直流電源并聯(lián)后總的輸出電壓；RL為直流電源并聯(lián)負(fù)載阻抗。將式（5）與式（6）整合，則可以確定2 個直流電源輸出電流值，通過信號傳輸單元將信號發(fā)送到控制電路，將電流與平均值比較，得到直流電源并聯(lián)均流誤差，其計算公式為

式中：?為直流電源并聯(lián)均流誤差；Iu為直流電源相鄰兩相電流平均值。根據(jù)實際情況設(shè)定閾值，將均流誤差與閾值比對，如果誤差小于閾值，則表示直流電源電流符合并聯(lián)需求，無須對其進(jìn)行均流控制；如果誤差大于閾值，則表示電源電流不符合并聯(lián)需求，則需要對其進(jìn)行均流控制。

3 調(diào)整控制并聯(lián)均流

從式（5）和式（6）可以看出，直流電源并聯(lián)均流主要與電源電壓有關(guān)，因此可以通過調(diào)整電源電壓，矯正直流電源并聯(lián)均流誤差。在控制電路中安裝變換器，信號輸出單元將均流誤差信號傳輸?shù)阶儞Q器的矯正信號產(chǎn)生單元，將誤差信號轉(zhuǎn)換為矯正信號，作為變換器輸入信號。采用平均電流自動均流法對直流電源電壓均流控制，利用均流母線將直流電源與基準(zhǔn)電壓矯正單元連接，根據(jù)識別的均流誤差計算出直流電源并聯(lián)均流誤差電壓，其計算公式為

式中：Uer為直流電源并聯(lián)誤差電壓；Uyu為均流母線電壓。由此得到基準(zhǔn)電壓校正值，將其發(fā)送到變換基整流控制信號產(chǎn)生單元，作為變換器輸出信號。通過對直流電源電壓誤差調(diào)整，消除均流誤差，使直流電源電流值與相鄰電源電流保持一致。

4 實驗論證

4.1 實驗準(zhǔn)備與設(shè)計

采用對比實驗的方式對設(shè)計方法的可行性與可靠性進(jìn)行檢驗。以某變電站2 個直流電源為實驗對象，電源負(fù)載為6.45 Ω，電源型號為KHFFAOHF-A4F5，濾波電容為650 μF，耐壓為1.35 kV，電感為4.45 mH。利用設(shè)計方法對該變電站直流電源并聯(lián)均流控制，選擇2 種傳統(tǒng)方法作為比較對象。2 種傳統(tǒng)方法分別為基于可編程邏輯控制器的控制方法和基于數(shù)字控制技術(shù)的控制方法，以下分別用傳統(tǒng)方法1 與傳統(tǒng)方法2 表示。借助變電站三相變壓器，將電源電壓從220 V 增加到550 V，經(jīng)過三相調(diào)整橋以及電容濾波，獲得1 kV 直流電壓母線。將電源調(diào)壓步長設(shè)定為0.01 V，令變電站直流電源模塊在通電狀態(tài)，按照設(shè)計流程采取到100 個數(shù)據(jù)樣本，對數(shù)據(jù)濾波處理，識別均流誤差，并對直流電源電壓進(jìn)行調(diào)整。

4.2 實驗結(jié)果與討論

實驗以變電站直流電源并聯(lián)均流度為3 種方法性能評價指標(biāo)，均流度可以反映出2 個直流電源并聯(lián)后的流量均衡程度，其計算公式為

式中：ε為變電站直流電源并聯(lián)均流度；I1、I2分別為變電站2 個直流電源模塊輸出的電流值。雖然直流電源在剛加載時輸出的電流會存在差異，但是經(jīng)過3 s 均流后，理論上輸出電流逐漸趨于一致。此次突然減小負(fù)載電流，并在2 s 后測量電源并聯(lián)均流后2 個模塊的輸出電流值。隨機抽取10 個樣本，使用電子表格記錄10 個樣本對應(yīng)的電源并聯(lián)均流度，具體如表1 所示。

表1 3 種方法應(yīng)用下的直流電源并聯(lián)均流度

從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，設(shè)計方法的電源并聯(lián)均流度范圍為98.26%～99.64%，平均值為99.12%；而傳統(tǒng)方法1 為63.52%～69.53%，平均值為67.45%，比設(shè)計方法低將近32%；傳統(tǒng)方法2 為60.14%～69.61%，平均值為65.25%，比設(shè)計方法低將近34%，說明在設(shè)計方法下兩直流電源輸出電流基本一致，均流效果良好。為了進(jìn)一步驗證設(shè)計方法的可行性，對3 種方法應(yīng)用下變電站直流電源并聯(lián)電流調(diào)整為穩(wěn)定狀態(tài)的時間對比。同樣對直流電源進(jìn)行加載測試，將電源負(fù)載電流突然增加到100 A，使電源電流達(dá)到滿載，記錄并聯(lián)電源支路輸出電流，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)繪制3 種方法應(yīng)用下的電源輸出電流波形，如圖1 所示。

圖1 3 種方法應(yīng)用下的電源輸出電流波形

變電站直流電源負(fù)載電流為100 A，直流電源模塊平均電流為50 A。在設(shè)計方法的應(yīng)用下，變電站直流電源并聯(lián)大約0.21 s 后，調(diào)整為穩(wěn)定狀態(tài)；在傳統(tǒng)方法1 的應(yīng)用下，變電站直流電源在0.36 s 時得到均衡控制，比設(shè)計方法慢0.15 s；在傳統(tǒng)方法2 的應(yīng)用下，變電站直流電源在0.39 s 時得到均衡控制，比設(shè)計方法慢0.18 s，證明設(shè)計方法均流速度更快一些。本次實驗證明了無論是在直流電源并聯(lián)均流度方面還是在均流速度方面，設(shè)計方法均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，比2 種傳統(tǒng)方法更適用于變電站直流電源并聯(lián)均流控制。

5 結(jié) 論

均流控制是優(yōu)化變電站直流電源并聯(lián)負(fù)載的重要手段，針對現(xiàn)行方法存在的不足與缺陷提出了一個新的控制思路，有效提高了直流電源并聯(lián)均流度，縮短了直流電源并聯(lián)均流時間，對推動變電站直流電源并聯(lián)均流控制深入研究、提高均流控制技術(shù)水平和變電站直流電源效率等具有重大意義。但提出方法目前尚處于初步探索階段，尚未在實際中得到大量的實踐與應(yīng)用，今后會展開進(jìn)一步研究，為變電站直流電源并聯(lián)均流控制提供理論支撐。