基于PWM整流技術變電站直流系統改進策略研究

王鵬飛

（國網江蘇省電力有限公司檢修分公司 江蘇省南京市 211106）

1 引言

變電站直流系統的可靠性直接關系到站內繼電保護、綜合自動化等重要二次設備的穩定運行，目前變電站直流系統均采用的是常規二極管不可控整流技術，其拓撲結構如圖1 中紅框中所示，這種整流方法無法實現直流側電壓可控，在分支接地故障導致的直流電壓跌落或下降時無法可調，且會導致站用交流系統功率因數偏低，影響交流供電質量，同時會導致交流網側電流諧波畸變嚴重，造成的諧波污染。更為重要的是，在站用電三相出現缺相故障時，直流系統的直流輸出電壓因此而下降，將直接影響直流系統供電質量，導致站內繼電保護、自動化設備等直流負荷誤動和拒動，降低了系統穩定性和可靠性。

2 三相電壓型PWM整流器的數學模型和控制策略

本文提出改進策略中的PWM 整流技術采用的是三相電壓源型整流器(voltage source rectifier, VSR)，其主電路拓撲如圖2 所示。此種整流器主要由進線電抗L、雜散電阻R、6 個全控型功率開關器件IGBT 及電容C 等器件組成。并采用電壓電流雙閉環矢量控制算法來實現對整流器的高動態性能控制。

2.1 VSR數學模型

三相VSR 在三相靜止abc 坐標系下的數學模型為：

可以看出，每相輸入電流都是由三個開關函數共同控制的，三相VSR 是一個互相耦合的多階非線性時變系統。

首先將三相VSR 數學模型由三相靜止abc 坐標系轉換到兩相靜止αβ 坐標系中，根據“等幅值”（變換前后整流器參數幅值保持不變）的原則進行坐標變換。從三相靜止abc 坐標系到兩相靜止αβ 坐標系坐標變換表達式為：

式中：xa、xb、xc為整流器在三相靜止abc 坐標系下的電壓、電流等參數；xα、xβ為整流器在兩相靜止αβ 坐標系下的電壓、電流等參數。

采用式（2）所示的坐標變換形式，將式（1）所示的整流器在三相靜止abc 坐標系的數學模型變到兩相靜止αβ 坐標系下：

圖1：變電站直流系統整流拓撲電路

圖2：三相VSR 的拓撲圖

圖3：PWM 整流器電壓定向矢量控制原理框圖

圖4：直流電壓跌落時交流側電流波形及v0 的動態響應及

圖5：缺相故障電網電壓波形及直流側v0 波形

圖6：交流側電流頻譜

式中Sα，Sβ為兩相靜止αβ 坐標系下的單極性二值邏輯開關函數。

為實現三相VSR 有功功率分量和無功功率分量的解耦控制（分別獨立控制）和易于利用比例積分調節器實現對電流等量的無差跟蹤控制（比例積分調節器只能實現對直流量的跟蹤控制），還需將三相VSR 兩相靜止αβ 坐標系中的數學模型通過坐標變換轉換到兩相旋轉dq 坐標系中。從兩相靜止αβ 坐標系到兩相旋轉dq 坐標系的坐標變換表達式為：

式中：ωt=θ，為電網電壓矢量角度。

將式（3）所示整流器在兩相靜止αβ 坐標系下的數學模型按式（4）變換到兩相旋轉dq 坐標系下：

式中：vd=v0sd，vq=v0sq。

2.2 VSR控制策略研究

在對PWM 整流器數學模型分析的基礎上，本文提出的改進方案采用電壓定向矢量控制來實現對PWM整流器的高動態性能控制，其控制原理框圖如圖3 所示。

圖中：i*d、是網側電流基于電壓定向時d、q 軸上的指令電流。由電壓外環的PI 調節器得到，而i*q則根據功率控制需要靈活給定。本策略采用單位功率因數控制，將i*q 設為零。

若需跟蹤的電流指令為與電網電動勢同頻率的三相對稱正弦波電流，則i*d、i*q 在同步旋轉坐標中均為直流量，因而采用PI 調節器均可實現id、iq的無靜差調節。所以，跟蹤所給定的整流器交流側的指令電壓矢量即能實現三相VSR 的電流跟蹤控制。

3 可行性仿真研究

根據上節對雙閉環空間矢量控制策略的研究分析，為驗證三相電壓型PWM 整流技術應用于變電站直流系統的可行性，現利用MATLAB/simulink 對該改進策略進行仿真。

從圖4 所示仿真圖形可以看出，采用雙閉環空間矢量控制策略在直流側發生接地故障時，直流側電壓瞬間跌落后迅速回調達到正常值，表明整流方案具有直流電壓可調且輸出穩定、較高的抗干擾性等特性。

在電網電壓嚴重不平衡，即發生三相交流電網發生A 相缺相故障時仿真波形如圖5、圖6，可看出，盡管交流側缺相運行，但直流側電壓輸出依舊保持穩定可靠，且可以保證正序電壓與電流接近同相位（功率因數接近為1），交流側三相電流接近正弦，諧波污染小，進一步表明，本文提出的整流控制方案的高容故率，提高故障發生時刻整個系統的可靠性。

4 總結

為解決目前變電站直流系統中二極管不可控整流電路存在的諧波污染、直流電壓輸出不可調且可靠性低等問題，提出了一種變電站直流系統整流電路改進方案，該方案采用了三線六開關主電路拓撲結構的三相電壓型PWM 整流技術，利用基于電壓電流雙閉環空間矢量控制策略，仿真結果表明，該方案可實現直流電壓輸出可調，提高直流系統電壓輸出的可靠性，且消除交流側諧波污染，更為重要的是，在交流側發生缺相故障情況下，該改進方案可保證直流輸出電壓穩定，有效提高變電站直流系統的可靠性。