羅艷峰
（中鐵建設(shè)集團(tuán)中南建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430070）
0 引 言
文章采用傳統(tǒng)交流供電模式下的無功補(bǔ)償和控制能力進(jìn)行低壓交直流切換供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)交流供電模式下的無功補(bǔ)償主要是通過補(bǔ)償系統(tǒng)中的無功功率來實(shí)現(xiàn)，而在低壓交直流切換供電模式下的無功補(bǔ)償則主要是通過補(bǔ)償電網(wǎng)中的無功功率來實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)電網(wǎng)中的無功功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以有效提高電網(wǎng)末端的電壓質(zhì)量。同時(shí)，針對(duì)電網(wǎng)末端的低電壓治理問題，設(shè)計(jì)一種低壓交直流切換供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以在交流與直流之間進(jìn)行平滑切換，從而實(shí)現(xiàn)了2 種供電模式下的平滑切換，提升了低電壓治理效果。
1 低壓交直流切換供電系統(tǒng)
在傳統(tǒng)的交流配電方式下，線路的電壓降落和有功無功損耗會(huì)隨著配送距離與傳輸功率的增大而增大，故線路末端電壓很有可能不符合國(guó)家供電標(biāo)準(zhǔn)。而采用直流配電方式時(shí)，末端電壓可以滿足電能質(zhì)量要求，且技術(shù)成熟、實(shí)施操作難度不大、經(jīng)濟(jì)效益好。但在直流配電方式下，多級(jí)變流器開關(guān)管的開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗比較顯著。因此，在負(fù)荷較小、末端電壓正常時(shí)，采用直流供電會(huì)引入額外的多級(jí)變流器損耗，得不償失。
2 仿真驗(yàn)證
文章采用MATLAB/Simulink 進(jìn)行仿真驗(yàn)證，電網(wǎng)的電壓等級(jí)為0.4 kV，負(fù)載為200 kW，負(fù)荷為100 kW，直流側(cè)電壓等級(jí)為0.3 kV，負(fù)荷為50 kW。在電網(wǎng)末端的交流供電系統(tǒng)中加入直流無功補(bǔ)償裝置，直流側(cè)電流傳感器檢測(cè)電網(wǎng)中的無功功率信息，由傳統(tǒng)的交流供電模式變?yōu)橹绷鞴╇娔Ｊ健．?dāng)電網(wǎng)中的無功功率發(fā)生變化時(shí)，檢測(cè)電網(wǎng)中的無功功率信息，調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)中的無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。由于低壓交直流切換供電模式實(shí)現(xiàn)了2 種供電模式下的平滑切換，在交流與直流之間進(jìn)行平滑切換時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電能損耗和諧波污染等問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
2.1 系統(tǒng)架構(gòu)
文章設(shè)計(jì)的低壓交直流切換供電系統(tǒng)由2 部分組成，即電源部分和控制部分。其中，電源部分采用Buck 型DC/DC 變換器，通過控制Buck 型DC/DC 變換器在交流側(cè)輸出50 Hz、100 Hz 和200 Hz 的交流電。控制部分通過檢測(cè)輸出電壓和電流信號(hào)，并結(jié)合反饋信號(hào)計(jì)算出低壓交直流切換供電系統(tǒng)的參考電壓，根據(jù)參考電壓將直流側(cè)的電能切換至交流側(cè)，在保證供電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，提高供電系統(tǒng)的功率密度。該系統(tǒng)在滿足低電壓治理要求的同時(shí)，可以降低電網(wǎng)運(yùn)行損耗，提高供電效率。
2.2 電源部分
Buck 型DC/DC 變換器由電感L1和電容C2組成，當(dāng)輸入電壓大于輸出電壓時(shí)，L1和C2均為電流源；當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時(shí)，L1為電壓源，C2為電流源。在進(jìn)行變換器的設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮開關(guān)管的開關(guān)頻率問題。由于電感L1和電容C2的兩端均存在壓降，為了保證變換器正常工作，需要對(duì)電感L1和電容C2進(jìn)行有效的補(bǔ)償。文章采用帶隙基準(zhǔn)的開關(guān)電容電路對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償，開關(guān)電容電路由2 個(gè)電容和2 個(gè)電感組成，通過對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償可以降低開關(guān)頻率對(duì)變換器性能的影響。
2.3 控制部分
當(dāng)輸出電壓和電流信號(hào)滿足要求時(shí)，根據(jù)反饋信號(hào)的大小輸出相應(yīng)的直流電，實(shí)現(xiàn)交直流供電系統(tǒng)的切換；當(dāng)輸出電壓和電流信號(hào)不滿足要求時(shí)，根據(jù)反饋信號(hào)的大小輸出相應(yīng)的交流電，實(shí)現(xiàn)交直流供電系統(tǒng)的切換。該系統(tǒng)由3 個(gè)模塊組成。一是電壓檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)輸入電源側(cè)的輸出電壓；二是電流檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)直流側(cè)的輸出電流；三是切換模塊，用于控制交流側(cè)的輸入電壓。控制部分將1 個(gè)電源模塊、3 個(gè)電流檢測(cè)模塊和1 個(gè)切換模塊串聯(lián)起來構(gòu)成低壓交直流切換供電系統(tǒng)。
3 交直流切換控制策略
為解決不同電壓等級(jí)下的系統(tǒng)切換問題，提出了一種交直流切換控制策略。該控制策略在原有交直流混合供電模式的基礎(chǔ)上加入了直流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了交流側(cè)與直流側(cè)之間的協(xié)調(diào)控制。其中，交流側(cè)為供電系統(tǒng)的核心部分，分別從系統(tǒng)總體架構(gòu)、交流側(cè)與直流側(cè)電壓協(xié)調(diào)控制策略2 個(gè)方面進(jìn)行介紹。系統(tǒng)整體架構(gòu)方面，通過將交流側(cè)與直流側(cè)并聯(lián)和串聯(lián)實(shí)現(xiàn)整個(gè)供電系統(tǒng)的功能。AC 側(cè)采用并聯(lián)形式實(shí)現(xiàn)獨(dú)立運(yùn)行，DC 側(cè)采用串聯(lián)形式實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。同時(shí)，為保證交流側(cè)和直流側(cè)的電壓相互協(xié)調(diào)控制，需要設(shè)計(jì)一種交流側(cè)過電壓檢測(cè)電路對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行檢測(cè)。在交直流切換供電模式中，系統(tǒng)以2 種不同的模式運(yùn)行。一是當(dāng)系統(tǒng)處于交流模式時(shí)，系統(tǒng)僅輸出直流電壓；二是當(dāng)系統(tǒng)處于直流模式時(shí)，系統(tǒng)將輸出交流電壓。
通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整體控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)。由于在實(shí)際應(yīng)用中存在交流與直流相互影響的問題，因此需要在這2 個(gè)控制環(huán)節(jié)中加入對(duì)電網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)的作用。為了避免交直流混合供電模式下產(chǎn)生的交直流相互制約問題，可以通過調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓來實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出電壓的調(diào)節(jié)。通過對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。設(shè)計(jì)的交直流切換供電系統(tǒng)如圖1 所示，包括送端和受端2 個(gè)模塊化變流器、各自的切換開關(guān)網(wǎng)絡(luò)和共用的配電線路。因此，需要在儲(chǔ)能環(huán)節(jié)加入相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)以實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)[1-2]。通過對(duì)能量流動(dòng)控制環(huán)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以有效抑制交直流相互制約問題[3-5]。
圖1 交直流切換供電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)
4 系統(tǒng)工作原理
4.1 雙向變流器
變流器由二極管鉗位型三電平拓?fù)錁?gòu)成，具有損耗小、體積小、開關(guān)紋波低等優(yōu)勢(shì)，便于實(shí)現(xiàn)模塊化和柱上設(shè)計(jì)。其與交流側(cè)連接，在正常情況下為交流側(cè)提供所需的直流電壓。雙向變流器主要由三相整流橋、雙向二極管、電容以及電感組成。正常情況下，直流母線電壓恒定，由于交流側(cè)與直流側(cè)電壓均為正弦波，因此交流側(cè)與直流側(cè)電壓不會(huì)發(fā)生明顯的變化。當(dāng)交流側(cè)發(fā)生故障時(shí)，由于交流側(cè)電壓不再為正弦波，因此交流側(cè)的電壓將出現(xiàn)波動(dòng)，并向直流母線注入一定的無功功率。在此過程中，直流母線電壓將根據(jù)控制系統(tǒng)的指令不斷變化。
4.2 同步發(fā)電機(jī)
在基于電網(wǎng)末端低電壓治理的低壓交直流切換供電系統(tǒng)中，同步發(fā)電機(jī)主要用于向交流側(cè)注入無功功率，以改善交流母線電壓的穩(wěn)定性。同步發(fā)電機(jī)的參數(shù)應(yīng)根據(jù)交流電網(wǎng)的電壓等級(jí)和負(fù)載特性來確定。由于存在大量的非線性負(fù)載，需要根據(jù)不同的負(fù)載來調(diào)整同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，從而確保系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)輸出電壓的穩(wěn)定性，避免電壓劇烈波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成影響。對(duì)此，必須將直流側(cè)所需提供的無功功率控制在一個(gè)合理、穩(wěn)定的范圍內(nèi)。根據(jù)同步發(fā)電機(jī)參數(shù)和負(fù)載特性來計(jì)算所需注入的無功功率，進(jìn)而確定同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。
同步發(fā)電機(jī)主要由定子和轉(zhuǎn)子2 個(gè)部分構(gòu)成，定子主要負(fù)責(zé)將三相交流電轉(zhuǎn)換成三相直流電；轉(zhuǎn)子主要負(fù)責(zé)將三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電。同步發(fā)電機(jī)需要根據(jù)不同的故障點(diǎn)來選擇相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)。
4.3 系統(tǒng)控制策略
系統(tǒng)控制策略主要包括交流側(cè)無功功率控制策略、直流側(cè)電壓調(diào)節(jié)控制策略和交流側(cè)與直流側(cè)能量分配控制策略。對(duì)于交流側(cè)無功功率控制策略，為實(shí)現(xiàn)交流側(cè)電壓的穩(wěn)定，在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)向直流側(cè)注入一定的無功功率，從而提高直流母線電壓。對(duì)于直流側(cè)母線電壓調(diào)節(jié)策略，為實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定，在直流母線發(fā)生故障時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同情況對(duì)直流母線電壓進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，同時(shí)會(huì)對(duì)交流側(cè)和直流側(cè)的能量進(jìn)行合理分配。
5 結(jié) 論
文章提出了一種電網(wǎng)末端低電壓治理的低壓交直流切換供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由交直流換流器、無源功率變換器和系統(tǒng)控制3 個(gè)部分組成。當(dāng)交流側(cè)輸出電壓與直流側(cè)輸入電壓相等時(shí)，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電壓；當(dāng)交流側(cè)輸出電壓與直流側(cè)輸入電壓不等時(shí)，利用無源功率變換器改變換流器中的功率流動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)交直流變換。系統(tǒng)控制策略采用基于下垂控制的有源功率變換器控制方式，實(shí)現(xiàn)了直流功率的平滑分配。通過搭建仿真模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)末端低電壓進(jìn)行有效治理。然而，當(dāng)在交流側(cè)和直流側(cè)分別接入負(fù)載時(shí)，由于負(fù)載特性存在差異，會(huì)對(duì)交流側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生影響，導(dǎo)致切換后的系統(tǒng)不能滿足需求。因此，后續(xù)研究需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，以滿足不同情況下的切換要求。
