基于PWM整流技术变电站直流系统改进策略研究

王鹏飞

（国网江苏省电力有限公司检修分公司 江苏省南京市 211106）

1 引言

变电站直流系统的可靠性直接关系到站内继电保护、综合自动化等重要二次设备的稳定运行，目前变电站直流系统均采用的是常规二极管不可控整流技术，其拓扑结构如图1 中红框中所示，这种整流方法无法实现直流侧电压可控，在分支接地故障导致的直流电压跌落或下降时无法可调，且会导致站用交流系统功率因数偏低，影响交流供电质量，同时会导致交流网侧电流谐波畸变严重，造成的谐波污染。更为重要的是，在站用电三相出现缺相故障时，直流系统的直流输出电压因此而下降，将直接影响直流系统供电质量，导致站内继电保护、自动化设备等直流负荷误动和拒动，降低了系统稳定性和可靠性。

2 三相电压型PWM整流器的数学模型和控制策略

本文提出改进策略中的PWM 整流技术采用的是三相电压源型整流器(voltage source rectifier, VSR)，其主电路拓扑如图2 所示。此种整流器主要由进线电抗L、杂散电阻R、6 个全控型功率开关器件IGBT 及电容C 等器件组成。并采用电压电流双闭环矢量控制算法来实现对整流器的高动态性能控制。

2.1 VSR数学模型

三相VSR 在三相静止abc 坐标系下的数学模型为：

可以看出，每相输入电流都是由三个开关函数共同控制的，三相VSR 是一个互相耦合的多阶非线性时变系统。

首先将三相VSR 数学模型由三相静止abc 坐标系转换到两相静止αβ 坐标系中，根据“等幅值”（变换前后整流器参数幅值保持不变）的原则进行坐标变换。从三相静止abc 坐标系到两相静止αβ 坐标系坐标变换表达式为：

式中：xa、xb、xc为整流器在三相静止abc 坐标系下的电压、电流等参数；xα、xβ为整流器在两相静止αβ 坐标系下的电压、电流等参数。

采用式（2）所示的坐标变换形式，将式（1）所示的整流器在三相静止abc 坐标系的数学模型变到两相静止αβ 坐标系下：

图1：变电站直流系统整流拓扑电路

图2：三相VSR 的拓扑图

图3：PWM 整流器电压定向矢量控制原理框图

图4：直流电压跌落时交流侧电流波形及v0 的动态响应及

图5：缺相故障电网电压波形及直流侧v0 波形

图6：交流侧电流频谱

式中Sα，Sβ为两相静止αβ 坐标系下的单极性二值逻辑开关函数。

为实现三相VSR 有功功率分量和无功功率分量的解耦控制（分别独立控制）和易于利用比例积分调节器实现对电流等量的无差跟踪控制（比例积分调节器只能实现对直流量的跟踪控制），还需将三相VSR 两相静止αβ 坐标系中的数学模型通过坐标变换转换到两相旋转dq 坐标系中。从两相静止αβ 坐标系到两相旋转dq 坐标系的坐标变换表达式为：

式中：ωt=θ，为电网电压矢量角度。

将式（3）所示整流器在两相静止αβ 坐标系下的数学模型按式（4）变换到两相旋转dq 坐标系下：

式中：vd=v0sd，vq=v0sq。

2.2 VSR控制策略研究

在对PWM 整流器数学模型分析的基础上，本文提出的改进方案采用电压定向矢量控制来实现对PWM整流器的高动态性能控制，其控制原理框图如图3 所示。

图中：i*d、是网侧电流基于电压定向时d、q 轴上的指令电流。由电压外环的PI 调节器得到，而i*q则根据功率控制需要灵活给定。本策略采用单位功率因数控制，将i*q 设为零。

若需跟踪的电流指令为与电网电动势同频率的三相对称正弦波电流，则i*d、i*q 在同步旋转坐标中均为直流量，因而采用PI 调节器均可实现id、iq的无静差调节。所以，跟踪所给定的整流器交流侧的指令电压矢量即能实现三相VSR 的电流跟踪控制。

3 可行性仿真研究

根据上节对双闭环空间矢量控制策略的研究分析，为验证三相电压型PWM 整流技术应用于变电站直流系统的可行性，现利用MATLAB/simulink 对该改进策略进行仿真。

从图4 所示仿真图形可以看出，采用双闭环空间矢量控制策略在直流侧发生接地故障时，直流侧电压瞬间跌落后迅速回调达到正常值，表明整流方案具有直流电压可调且输出稳定、较高的抗干扰性等特性。

在电网电压严重不平衡，即发生三相交流电网发生A 相缺相故障时仿真波形如图5、图6，可看出，尽管交流侧缺相运行，但直流侧电压输出依旧保持稳定可靠，且可以保证正序电压与电流接近同相位（功率因数接近为1），交流侧三相电流接近正弦，谐波污染小，进一步表明，本文提出的整流控制方案的高容故率，提高故障发生时刻整个系统的可靠性。

4 总结

为解决目前变电站直流系统中二极管不可控整流电路存在的谐波污染、直流电压输出不可调且可靠性低等问题，提出了一种变电站直流系统整流电路改进方案，该方案采用了三线六开关主电路拓扑结构的三相电压型PWM 整流技术，利用基于电压电流双闭环空间矢量控制策略，仿真结果表明，该方案可实现直流电压输出可调，提高直流系统电压输出的可靠性，且消除交流侧谐波污染，更为重要的是，在交流侧发生缺相故障情况下，该改进方案可保证直流输出电压稳定，有效提高变电站直流系统的可靠性。