配电网智能型直流电源系统设计及其弱磁控制研究

2021-11-02刘石生

粘接 2021年10期

刘石生

摘要：智能配电网电力系统的安全、稳定运行需要直流电源系统为其提供保证，文章结合现阶段智能电网中直流电源系统的发展要求，明确智能型系统的智能化体现及其工作原理，并在此基础上分析系统组成，进行蓄电池、智能监控及高频开关电源的设计，确定蓄电池并联方案，集成数据采集、网络通信与远程监控分析功能于智能监控之中，将高频开关电源用于系统充、放电模块主电路，并进一步执行对系统的弱磁控制任务。经测试，系统AC/DC转换器功率因数为98.58%，交流侧电流谐波含量4.25%，且电压目标值稳定，符合系统设计要求。另外，以单电流为基础的系统弱磁控制能够将电源供电质量优化，保证电压利用率，将电机损耗降低。

关键词：配电网;智能型直流电源系统;智能监控;高频开关电源;弱磁控制

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）10-0160-06

Design of Intelligent DC Power Supply System in Distribution Network and Its Field Weakening Control

Liu Shisheng

（Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation， Foshan 528000， China）

Abstract：DC power system can provide security for power distribution network electrical power systems secure and stable operation. Combining with the development requirements of power distribution network intelligent DC power system， the paper points out intelligent systems intelligent embodiment and its operating principle， and on this basis， it analyzes the systems constitution， and designs its accumulator， intelligent monitoring and high frequency switching power supply， it points out accumulatorsparallel scheme， and makes an integration of data collection， network communication and remote monitoring analysis in intelligent monitoring. The high frequency switching power supply is used in systems charge and discharge module main circuit， and further performs the task of weakening the field control of the system. By testing， the systems AC/DC transverters power factor is 98.58%， AC side current harmonic content is 4.25%， and voltage-target value is stable， which meets the system design requirements. In addition， in the system based on single current， this control can optimize the power supply quality， ensure the utilization of voltage， and reduce the motor loss.

Key words：power distribution network; intelligent DC power system; intelligent monitoring; high frequency switching power supply; field weakening control

0 引言

近年來，配电网技术发展表现出自愈、兼容、集成以及优化等[1]很多新特点，在电力市场深化变革的背景下，配电网必须将自身的自动化与信息化水平提高，发展智能配电网[2]是其大势所趋。为了与智能配电网所需相适应，变电站研发与引进一系列智能化的设备，可自动、高效实现各项基本功能，包括信息采集、测量、监测以及控制等，同时，亦能与实际所需相结合为高级功能提供支持，如配电网实时控制、智能化调节、在线分析与决策等。然而，智能配电网的核心在于大幅度提高电力系统自动化及其智能化水平[3]。而配电网的所有作业均不能与电源相分离，智能配电网发展对于电源系统有着严格的要求。

直流电源系统对配电网的安全与可靠运行有着直接的影响，是配电网中各类相关设备安全稳定运行的前提与基础[4]。随着配电网无人值班技术的日益成熟，直流电源系统也有着越来越高的要求，然而，目前配电网中的直流电源系统存在供电方式单一、无法满足配电网自动化需求、装置“欠维护”情况严重等问题。另一方面，系统还存在励磁恒定不能调节，电机转速件选型难，同时，影响滤波电容耐压及系统自身绝缘耐压等问题，对此，文章进行配电网智能型直流电源系统的设计，兼顾配网自动化需求以及电源安全可靠等要求，采用对定子电流中直轴电流分量进行调节的方法，致力系统优化，获取相反于励磁方向的磁动势，以此降低电压，达到高转速下稳压发电的目的，使系统研究向更高层次发展，未来趋势向计算机化、网络化、智能化发展。

现阶段，解析查表法、超前角控制法等在电源系统弱磁控制领域有相对广泛的应用，但这些方法在控制过程中由于受到整流器输出电压的约束，会加剧电压交叉耦合及磁路交叉饱和等状况，进而致使电流跟踪准确性欠佳，控制精度难以保证。单电流调节器方法只对一个电流调节器加以应用，可在一定程度上将上述问题规避，对此，本文借助单电流调节器的弱磁控制技术，对设计好的智能型直流电源系统进行弱磁控制，保证输出电压的稳定性，并经仿真对此控制方法的有效性作出证明。

1 智能型直流电源系统设计构想

智能型直流电源系统的智能化应有以下体现：通过智能监控模块对整个直流电源系统进行综合管理，包括系统参数设置、高频开关电源模块开关机、蓄电池自动充放电管理以及浮充电压自动温度补偿等，同时，基于综合通信技术的支持，对直流系统运行情况进行遥测、遥信、遥调以及遥控，助力无人值班模式更加广泛的实现。

图1所示为正常运行状态下配电网智能型直流电源系统原理。在经过交流配电分配之后，交流站用电输入向各高频开关整流[5]模块供给交流电能，之后，整流模块将获取的交流电能转换为直流电能，并发挥两个方面的作用，其一为对蓄电池充电，其二为对常规负荷供电。当交流电源有故障发生导致交流电停电等问题发生时，蓄电池会承担起提供直流电源的任務。待监控模块接收到整流模块的内部信息之后，还会进一步收集蓄电池以及计算机绝缘监测装置[6]等的信息，控制后台可基于各种通信技术的支持同计算机建立连接。

2 智能直流电源系统结构与设计

2.1 蓄电池及其并联方案

蓄电池为直流电源系统提供能源，当属配电网二次系统的核心，可为二次系统的正常运行提供保证，其稳定性的保持以及放电环节足够容量的提供，对于配电网各电力设备的安全运行意义重大。根据系统原理的分析，直流电源系统正常运行时电池所处状态为浮充电[12]状态，这时交流电源为常规负载提供电能，只有在交流电源发生故障导致无法供电时，才由蓄电池提供直流电源。

此处，基于原有设备，对单个蓄电池及匹配的AC/DC[7]充电、DC/DC[8]升压模块进行创新，通过并联的方式将它们联结起来组成并联的智能型电池组件，并进一步并联多个组件，组成与实际所需相符的间接并联式蓄电池模块组，将以往的“充电机+蓄电池组”方式替换，弥补串联方式下单只蓄电池质量无法得到可靠保证、连接线易对整组电池可靠性产生影响、在线更换与维护难度大、冗余配置经济性能差等不足[9-10]。

目前，AC/DC充电技术已实现相对成熟的发展，在整流、逆变与滤波后获得的输出电压与电流等与相关要求相符。传统DC/DC设计通常对2V蓄电池进行串联，输出直流母线电压，此处将移相控制全桥零电压开关PWM变换器[11]作为其升压环节。图2所示为单个并联智能型电池组件的基本原理。该组件对单个蓄电池及匹配的AC/DC充电进行并联处理，之后经DC/DC升压模块得到直流母线额定电压。在正常运行状态下，外部输入交流电源会经AC/DC以及DC/DC处理转变为直流电源，对单个蓄电池实施浮充电操作;当有故障发生时，组件内部的蓄电池基于DC/DC升压模块的支持向负载发电，提供直流电源。

2.2 智能监控模块与设计

智能监控模块是智能型直流电源系统控制与管理的核心，可集中化网络管理配电网直流电源及蓄电池组的实时/历史信息，为维护人员在线监测直流电源与蓄电池信息提供便利，掌握其运行状态、性能变化，将以往定期监测转变为实时化的网络管理，及时发现问题与处理，有利于人力物力的节省及系统无人值守的实现。

图3所示为智能监控模块架构，包括数据采集、网络通信及远程监控分析3层。数据采集层用于采集直流电源系统中各有关设备的运行数据与状态，含系统纹波、蓄电池组、直流电源参数、直流绝缘等监测子模块，具有采集信息参数、进行信号调理与模数转换、预处理数据以及串口传送等功能，各子模块用到的监测装置均在现场安装，经RS-232/485/422串口数据线同数据透明转发层建立连接，实现所有数据向服务器的统一转发。网络通信层基于数据透明转发技术对数据进行透明转发，数据传送过程中，该层并不知晓数据采集层监测装置的通信协议，其主要功能在于将数据转化为与TCP/IP通信协议[13]相符的数据包，经RJ45输出端口与以太网建立连接，经相同通道进行数据的统一传输，缩短作业时间。远程监控分析层同网络通信层采用C/S架构[14]连接起来，向数据采集层的设备发送指令，接收并处理收集到的数据，并解释其规约，待处理工作结束后将数据存储至开放式数据库。进一步地，该层WEB服务器提供人机交互界面，有故障发生时发出报警提醒，作业人员通过人机交互界面可对系统实时运行情况加以了解，实现网络化远程在线监控。

作为配电网一次系统的控制电源以及二次系统的工作电源，直流电源的供电网络几乎在整个配电网中均有覆盖，1个元件或线路出现故障或者接地情况，均有引起控制回路、信号回路以及继保装置误动作的风险，所以直流电源系统绝缘在线监测装置对整个系统的正常运行尤为重要，此处对该监测任务进行分析，图4所示为其接线原理。全部传感器输出均与数据透明转发层连接，将数据传至监控模块的远程监控分析层，对绝缘监察回路传感器的输出进行实时监测，若直流电源系统绝缘水平降低，或有接地故障出现，会巡检各路传感器，经一系列计算将接地回路、接地极性等信息显示出来，完成对故障点的检测，实现有效抢修。

2.3 高频开关电源与设计

高次谐波的超强干扰以及监控设备的不健全等致命缺陷的存在，使得传统充电电源不能实现整个配电网的自动运作与无人值守，在硅整流充电设备同蓄电池一起运行的状态下，蓄电池波纹系数比较大，这会引发充放电现象，对蓄电池寿命产生显著的不利影响，故此处选择用高频开关电源将传统的充电电源替代，图5所示为其电路结构。

该高频开关电源包括尖峰抑制与EMI滤波电路[15]、全波整流与滤波器、高频变换与高频变压器等子模块，图6所示为其作业流程。

根据图6，为了避免电网中尖峰与谐波干扰串入而对控制电路的正常運行产生负面影响，同时，规避主开关电路谐波出现并向电网传输而对其造成污染，三相380V交流电会先经过尖峰抑制与EMI滤波电路，在全桥整流之后转变为脉动直流，受到由滤波电容与电感组成的PLC的影响，将大约为520V的直流电压输出。电感具有校正无源功率因数的功能，在其作用下，模块功率因数可达到0.92。经过主开关AC/DC电路的处理（所用技术为移相谐振高频软开关技术），直流电会进一步转换为频率高达50kHz的脉冲电压，并从变压器次级输出，在高频整流、LC滤波以及EMI滤波的进一步处理之下，高频脉冲又会转变为220V直流电压。

为了有效调整输出电压，并对输出电流进行限制，脉宽调制PWM控制电路对电压电流双环控制方式加以采用，这种控制方式可以保证在短路现象发生时能够让回缩电路发生作用，对模块进行保护而使其不会损坏，提高其作业可靠性。此外，PWM控制电路还对交流输入采样所得前馈信号进行接收，为电路稳定性提供保证。为了达到对模块输出的遥调目的，计算机输出的数字信号待接受D/A处理后同样传送给PWM控制器，让其据此调整输出电压。当有异常情况被监测到时，则发出停止模块输出的指令，对模块提供可靠保护。

3 系统弱磁控制

在直流电源系统的工作过程中，如果电机的临界转动速度对id=0的矢量控制加以采用，若其实际转速比临界值大，会增加电枢中的感应电动势，并经弱磁控制生成去磁电流id 将转子磁链削弱，达到降低电枢内感应电动势的目的，既实现对电枢电压的稳定，又将电机转速许可范围拓宽。图7所示为其基本原理。

图7中的虚线为电机转速比临界值小时的电压向量图，如果其转速比临界值大，电枢绕组的感应电动势会变大，达到的水平，为了让输出电压不发生变化，需要将去磁电流id注入到电源系统中，达到削弱转子磁场的目的。直轴电枢反应电势用 jω2Ldid来表示，方向相反于，如果在数量上满足E1=E2-ω2Ldid，且有ω1Lqiq1=ω2Lqiq2，便可令U1=U2，达到弱磁稳压目的。

单电流调节器控制遵循以下思路：若电机高速运行，直接将其中一个电流调节器舍去，仅对一个电流调节器予以保留。由于交流电流调节器能够达到弱磁稳压的目的，故电流调节器弱磁控制如图8所示。

图中，F（u）是d 轴电压方程式，限幅过程中进行了一个直流电流iq 反馈的设置，对i*q 的限定条件进行计算，避免出现过大电流，用iq max表示所设置的i*q 的最大值，则有：

为了尽可能地优化降压效果，同时，降电压利用率最大化，应尽量让电机运行在电压极值椭圆上，所以在确定交轴电压控制量u*q 之后，可通过电压极值Us max将直轴电压控制量u*q求解出来，这时F（u）表示如下：

图9所示为闭环系统示意图。

4 系统测试

4.1 系统性能测试

在结束系统设计工作之后，还要进行测试样机的搭建，执行对系统的测试任务，判断系统是否可行。出于方便与安全调试的目的，采用分模块的方法搭建测试平台，单独测试主要模块，为其准确性提供保证。总得来看，对系统的测试工作围绕电源模块、采集模块、控制模块等展开。此处以AC/DC转换模块为例进行系统测试，开关频率为10kHz，输入电压220VAC，负载电阻16Ω，三相电感4mH。另外，应用泰克示波器对a相交流侧输入电压以及电流波形图进行测量，得到如图10所示测试结果。

借助示波器中的功率因数计算工具计算AC/DC转换器模块的功率因数，得到a相功率因数98.58%，之后，进一步利用示波器就输入电压电流执行FFT分析操作，得知其交流侧电流的谐波含量I-THD为4.25%。

接下来，结合系统要求对高压输出进行测试，输入电压与输出电压分别为220VAC与-80kVDC，开关频率在5～50kHz的范围内，输出功率8kW，负载10000Ω。基于SDS1102示波器执行对系统直流侧输出电压的测试操作，得到如图11所示测试结果。

根据图11，电压所达到的目标值具有稳定性，可以满足系统设计要求。

4.2 弱磁控制结果测试

系统性能测试完毕后，进一步对其进行弱磁控制仿真研究，仿真参数如表1所示，系统输出220V直流电压。

设定测试转速为2200r/min，系统直流侧始终可以保持输出稳定的220V高压直流电。其电流波形如图12所示。

根据图12，相较于id=0控制模式而言，稳压发电的转速范围很显然地被拓宽，意味着单电流调节器弱磁控制可以实现高速运行状态下有效稳压。

5 结语

近年来，我国配电网电力系统直流电源已将以往落后局面扭转，在技术性能指标、自动化、工艺及可靠性方面均在国际有一席之地，蓄电池与设备寿命亦相应延长，与无人值守要求越来越贴近。然而，直流电源系统仍有相应问题存在，且科学技术发展永无止境，今后系统的使用还会有其他新问题出现，这需要直流电源系统实现进一步发展，文章研究可为相关人员研究及工作提供一定参考。

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