变电站便携式直流电源的设计研究

谢楠，马吉

(国网宁夏电力有限公司检修公司，宁夏 银川 750011)

随着社会发展的信息化、现代化对供电系统的可靠性要求不断提高，为了保证供电可靠性，各电压等级变电站常需启动备用直流系统或备用电池组作为应急电源。传统应急后备蓄电池组的运输、安装、拆卸过程操作繁琐，时间长，应急速度慢，严重影响到事故处理效率,且在安装、拆卸过程中，极易发生蓄电池短路等危险[1-2]。在直流分电屏中，整流充电模块是其核心部件，但该模块在实际运行中易发生烧坏事故，且故障不易现场维修，匹配合适的备件或联系厂家更换需要几天时间，这将影响到变电站的安全稳定运行[3]。此外，变电站在投运或改造时，装置供电需要向继电保护小室内的试验电源屏内敷设临时电缆取电，电缆敷设取电过程分为电缆沟通风、电缆敷设、电缆头制作、线芯校验及电位测量、接线取电，工序复杂,耗时长，严重影响二次设备投运改造效率。本文利用一种新式的三电平VIENNA整流器和传统的Buck变换器串联的方式设计出了一种变电站便携式直流电源，具有体积小，集成度高，性能高效等优点，被广泛运用于变电站直流电源屏中的充电模块抢修和变电站二次设备屏投运或改造等工作中。

1 便携式直流电源的设计

我国110 kV及以下电压等级的变电站的直流系统一般由一组蓄电池、一套台充电机构成。220 kV以上电压等级的变电站，一般为“两电三充”模式，即直流系统由两组蓄电池，三台充电机组成[4]。变电站的直流电源一次系统如图1所示。三相交流电压接入到整流电源后输出为直流，由分馈线系统分配给站内各装置供电[5-6]。变电站直流系统通常集成在固定的直流馈电屏中，当变电站直流系统正常运行维护、技术改造以及事故处理时，需要一定的检修时间，站内二次设备的正常供电受到影响，因此需要一种安全可靠性高的便携式移动电源，代替故障直流系统为站内二次设备可靠供电，从而降低运行维护的风险，提高电网运行的可靠性。

图1 变电站直流电源一次系统

针对上述问题设计出了一种由VIENNA整流器和Buck变换器串联的便携式直流电源。在变电站直流系统抢修时可以用此便携式整流电源代替，同时也适合其他事故现场的临时用电。VIENNA整流器是一种极具发展前景的三相/三电平PFC拓扑，除具有优良的网侧性能，还具有开关器件电压应力低，输出直流侧电压可控，开关数量少，不存在死区，可靠性高等优点[7-8]，被广泛应用于电动汽车充电桩、高功率直流电源、直流电机驱动等领域[9-10]。VIENNA整流器的网侧输入滤波电感采用高频铁硅铝电感，相比于传统三电平整流器的工频交流滤波电感，滤波电感体积减小，从而使VIENNA整流器具有体积小，集成度高，便于携带等特点，可在变电站直流系统停电检修时充当备用电源，站内二次设备投运前实验时作为临时电源等场合被应用。

2 便携式直流电源的多闭环控制

便携式直流电源的拓扑(见图2)主要由前级三相三电平VIENNA整流器和后级Buck电路组成。前级三电平VIENNA整流器主要完成整流及直流稳定控制功能，后级Buck电路负责把VIENNA整流器输出的直流电压调节为变电站内二次设备所需的DC 110 V或DC 220 V的直流电源电压。VIENNA整流器主要由交流侧滤波电路、主功率电路、直流侧滤波电路构成。交流滤波电路滤除输入电流的高频成分，一般采用三相滤波电感实现。主功率电路由三个桥臂组成，每个桥臂有两个功率二极管和一个双向IGBT组成“T”型。双向IGBT由两个IGBT 共射极连接，IGBT的公共端成星型连接至直流侧中点，另外一端连接至每个桥臂的中点。直流侧由两个支撑电容组成，电容连接处为整流器直流侧中点,而后级Buck电路采用传统直流降压电路，由一个IGBT和一个功率二极管组成。

图2 便携式直流电源整流器拓扑

目前VIENNA 整流器的控制算法大多基于两相静止坐标系(dq坐标系)下的数学模型，在dq坐标系下直流电源系统的前级VIENNA整流器交流侧电压平衡方程为

式中：L—整流器交流侧电感；

R—交流侧等效电阻；

ω—基频角频率；

id、iq—交流侧电流在d、q轴上的分量；

vd、vq—整流器交流输入端电压在d、q轴上的分量；

usd、usq—网侧电压矢量在d、q轴上的分量。

在式(1)中，d轴电流id与q轴电流iq之间存在相互耦合项，这样给PI控制器的参数设计带来困难。为了解决这个问题，可以电压定向电流解耦控制来实现电流耦合项的解耦。

如图3所示，引入id、iq的电压定向电流解耦控制，采用工业中常用的PI调节器来控制电流，有以下关系式：

图3 便携式直流电源的VIENNA整流器电流解耦控制

由式(2)，式(3)可得：

式中:Kip、KiI—电流控制的比例和积分参数；

对比式(1)、式(4)可以看出，有功电流和无功电流之间实现完全解耦。

如图2所示，便携式直流电源中的后级电路为传统的Buck变换器，Buck变换器是一种直流降压电路，直流输入电压通过开关管的控制，使输出直流电压降低[11]。当IGBT的驱动信号为高电平时，开关管S导通，前级VIENNA整流器的输出电压向电感L充电，电感电流增大，同时给整流器电容C3充电；当IGBT的驱动信号为低电平时，开关管S关断，电感L储存的能量通过续流二极管D放电，电感电流逐渐减小，输出电压依靠输出滤波电容和电感电流维持[12]。Buck变换器的输出电压uo与输入电压uin的关系为

uo=d·uin

(5)

式中：d—开关管S的占空比。

因此通过改变开关管S的占空比就可以改变直流输出电压的大小，从而实现便携式整流电源输出电压的调节，使其具有输出DC 220 V或DC 110 V的性能。

图4 便携式直流电源控制

3 仿真结果

为了验证所设计的便携式直流电源控制方法的正确性，在PSIM9.03环境，搭建了如图5所示的便携式直流电源整流器的仿真模型。对提出的控制算法进行仿真验证，仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数

图6为控制策略下的便携式直流电源的网侧电压、网侧电流及直流侧输出电压波形，可以看出直流侧电压能够稳定在给定值110 V，电压纹波较小。网侧电压电流同相位，系统单位功率因数运行，具有高性能特性，输入电流谐波畸变率小，说明系统具有良好的网侧性能。

图5 便携式直流电源仿真模型

(a)直流侧输出电压波形

(b)网侧电压电流波形

图7所示为系统控制策略下网侧电流及直流侧输出电压稳态波形。便携式直流电源直流侧负载由10 Ω切换为20 Ω，再切换为10 Ω时的直流侧输出电压波形可以看出直流侧电压能够稳定在给定值110 V，且电压纹波较小。当负载切换时，直流侧的电压波动幅值均小于1 V，直流侧输出电压的调节时间为0.01 s，且在一个工频周期内，说明系统在负荷切换时具有良好的动态性能。

(a)直流侧输出电压波形

(b)网侧电流波形

4 成品应用案例

图8是便携式移动直流电源的制作成品。

图8 便携式移动电源成品

直流电源采用移动小车式结构，可以随意拉动到所需接入供电屏处。实验室选取二次设备屏进行试验，严格按照现场要求工序进行试验。将小车推至试验屏柜附近，开启移动试验电源，用万用表量取输出电源电位，再量取试验屏柜直流端子有无电压，确认作业安全之后，进行试验线接入，接入后量取直流端子排电压，进行装置上电。选取5组二次屏柜进行便携式移动电源接入实验，经过移动电源设备输出的电压后均可以正常启动运行，取电平均耗时4.69 min。与传统方式向实验电源屏敷设临时电缆取电相比，取电时间以及人力物力消耗都有明显的减少。实现二次屏柜方便取电的功能，为验收，检修工作提供便利。

5 结 论

针对变电站直流系统的整流模块损坏，二次设备屏投运及改造时需向实验电源屏敷设临时电缆取电而导致检修时间长的问题，设计出了一款由三电平VIENNA整流器和Buck变换器串联成的高性能便携式移动直流电源。该整流电源能够持续输出稳定的直流110 V或220 V的电压，满足变电站二次设备的供电需要。对所提出的控制策略进行仿真验证并制作出实验成品。仿真结果和实践表明便携式直流电源具有直流侧电压输出稳定和良好的网侧性能，并减少了变电站内直流系统的检修时间和需投运或改造的二次设备临时取电时间，有效提高了检修效率。