變電站便攜式直流電源的設計研究

謝楠，馬吉

(國網寧夏電力有限公司檢修公司，寧夏 銀川 750011)

隨著社會發展的信息化、現代化對供電系統的可靠性要求不斷提高，為了保證供電可靠性，各電壓等級變電站常需啟動備用直流系統或備用電池組作為應急電源。傳統應急后備蓄電池組的運輸、安裝、拆卸過程操作繁瑣，時間長，應急速度慢，嚴重影響到事故處理效率,且在安裝、拆卸過程中，極易發生蓄電池短路等危險[1-2]。在直流分電屏中，整流充電模塊是其核心部件，但該模塊在實際運行中易發生燒壞事故，且故障不易現場維修，匹配合適的備件或聯系廠家更換需要幾天時間，這將影響到變電站的安全穩定運行[3]。此外，變電站在投運或改造時，裝置供電需要向繼電保護小室內的試驗電源屏內敷設臨時電纜取電，電纜敷設取電過程分為電纜溝通風、電纜敷設、電纜頭制作、線芯校驗及電位測量、接線取電，工序復雜,耗時長，嚴重影響二次設備投運改造效率。本文利用一種新式的三電平VIENNA整流器和傳統的Buck變換器串聯的方式設計出了一種變電站便攜式直流電源，具有體積小，集成度高，性能高效等優點，被廣泛運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備屏投運或改造等工作中。

1 便攜式直流電源的設計

我國110 kV及以下電壓等級的變電站的直流系統一般由一組蓄電池、一套臺充電機構成。220 kV以上電壓等級的變電站，一般為“兩電三充”模式，即直流系統由兩組蓄電池，三臺充電機組成[4]。變電站的直流電源一次系統如圖1所示。三相交流電壓接入到整流電源后輸出為直流，由分饋線系統分配給站內各裝置供電[5-6]。變電站直流系統通常集成在固定的直流饋電屏中，當變電站直流系統正常運行維護、技術改造以及事故處理時，需要一定的檢修時間，站內二次設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電源，代替故障直流系統為站內二次設備可靠供電，從而降低運行維護的風險，提高電網運行的可靠性。

圖1 變電站直流電源一次系統

針對上述問題設計出了一種由VIENNA整流器和Buck變換器串聯的便攜式直流電源。在變電站直流系統搶修時可以用此便攜式整流電源代替，同時也適合其他事故現場的臨時用電。VIENNA整流器是一種極具發展前景的三相/三電平PFC拓撲，除具有優良的網側性能，還具有開關器件電壓應力低，輸出直流側電壓可控，開關數量少，不存在死區，可靠性高等優點[7-8]，被廣泛應用于電動汽車充電樁、高功率直流電源、直流電機驅動等領域[9-10]。VIENNA整流器的網側輸入濾波電感采用高頻鐵硅鋁電感，相比于傳統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，可在變電站直流系統停電檢修時充當備用電源，站內二次設備投運前實驗時作為臨時電源等場合被應用。

2 便攜式直流電源的多閉環控制

便攜式直流電源的拓撲(見圖2)主要由前級三相三電平VIENNA整流器和后級Buck電路組成。前級三電平VIENNA整流器主要完成整流及直流穩定控制功能，后級Buck電路負責把VIENNA整流器輸出的直流電壓調節為變電站內二次設備所需的DC 110 V或DC 220 V的直流電源電壓。VIENNA整流器主要由交流側濾波電路、主功率電路、直流側濾波電路構成。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現。主功率電路由三個橋臂組成，每個橋臂有兩個功率二極管和一個雙向IGBT組成“T”型。雙向IGBT由兩個IGBT 共射極連接，IGBT的公共端成星型連接至直流側中點，另外一端連接至每個橋臂的中點。直流側由兩個支撐電容組成，電容連接處為整流器直流側中點,而后級Buck電路采用傳統直流降壓電路，由一個IGBT和一個功率二極管組成。

圖2 便攜式直流電源整流器拓撲

目前VIENNA 整流器的控制算法大多基于兩相靜止坐標系(dq坐標系)下的數學模型，在dq坐標系下直流電源系統的前級VIENNA整流器交流側電壓平衡方程為

式中：L—整流器交流側電感；

R—交流側等效電阻；

ω—基頻角頻率；

id、iq—交流側電流在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—網側電壓矢量在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，這樣給PI控制器的參數設計帶來困難。為了解決這個問題，可以電壓定向電流解耦控制來實現電流耦合項的解耦。

如圖3所示，引入id、iq的電壓定向電流解耦控制，采用工業中常用的PI調節器來控制電流，有以下關系式：

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；

對比式(1)、式(4)可以看出，有功電流和無功電流之間實現完全解耦。

如圖2所示，便攜式直流電源中的后級電路為傳統的Buck變換器，Buck變換器是一種直流降壓電路，直流輸入電壓通過開關管的控制，使輸出直流電壓降低[11]。當IGBT的驅動信號為高電平時，開關管S導通，前級VIENNA整流器的輸出電壓向電感L充電，電感電流增大，同時給整流器電容C3充電；當IGBT的驅動信號為低電平時，開關管S關斷，電感L儲存的能量通過續流二極管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的關系為

uo=d·uin

(5)

式中：d—開關管S的占空比。

因此通過改變開關管S的占空比就可以改變直流輸出電壓的大小，從而實現便攜式整流電源輸出電壓的調節，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 仿真結果

為了驗證所設計的便攜式直流電源控制方法的正確性，在PSIM9.03環境，搭建了如圖5所示的便攜式直流電源整流器的仿真模型。對提出的控制算法進行仿真驗證，仿真參數如表1所示。

表1 仿真參數

圖6為控制策略下的便攜式直流電源的網側電壓、網側電流及直流側輸出電壓波形，可以看出直流側電壓能夠穩定在給定值110 V，電壓紋波較小。網側電壓電流同相位，系統單位功率因數運行，具有高性能特性，輸入電流諧波畸變率小，說明系統具有良好的網側性能。

圖5 便攜式直流電源仿真模型

(a)直流側輸出電壓波形

(b)網側電壓電流波形

圖7所示為系統控制策略下網側電流及直流側輸出電壓穩態波形。便攜式直流電源直流側負載由10 Ω切換為20 Ω，再切換為10 Ω時的直流側輸出電壓波形可以看出直流側電壓能夠穩定在給定值110 V，且電壓紋波較小。當負載切換時，直流側的電壓波動幅值均小于1 V，直流側輸出電壓的調節時間為0.01 s，且在一個工頻周期內，說明系統在負荷切換時具有良好的動態性能。

(a)直流側輸出電壓波形

(b)網側電流波形

4 成品應用案例

圖8是便攜式移動直流電源的制作成品。

圖8 便攜式移動電源成品

直流電源采用移動小車式結構，可以隨意拉動到所需接入供電屏處。實驗室選取二次設備屏進行試驗，嚴格按照現場要求工序進行試驗。將小車推至試驗屏柜附近，開啟移動試驗電源，用萬用表量取輸出電源電位，再量取試驗屏柜直流端子有無電壓，確認作業安全之后，進行試驗線接入，接入后量取直流端子排電壓，進行裝置上電。選取5組二次屏柜進行便攜式移動電源接入實驗，經過移動電源設備輸出的電壓后均可以正常啟動運行，取電平均耗時4.69 min。與傳統方式向實驗電源屏敷設臨時電纜取電相比，取電時間以及人力物力消耗都有明顯的減少。實現二次屏柜方便取電的功能，為驗收，檢修工作提供便利。

5 結 論

針對變電站直流系統的整流模塊損壞，二次設備屏投運及改造時需向實驗電源屏敷設臨時電纜取電而導致檢修時間長的問題，設計出了一款由三電平VIENNA整流器和Buck變換器串聯成的高性能便攜式移動直流電源。該整流電源能夠持續輸出穩定的直流110 V或220 V的電壓，滿足變電站二次設備的供電需要。對所提出的控制策略進行仿真驗證并制作出實驗成品。仿真結果和實踐表明便攜式直流電源具有直流側電壓輸出穩定和良好的網側性能，并減少了變電站內直流系統的檢修時間和需投運或改造的二次設備臨時取電時間，有效提高了檢修效率。