变电站直流电源并联均流控制方法

陈 猛

（国网湖北省电力有限公司恩施供电公司，湖北 恩施 445000）

0 引 言

对于变电站、发电厂等大型电力应用场合而言，电源系统不仅要安全可靠，还需要满足大容量、不间断供电的需求。如果仅采用单个直流电源供电，往往不能满足实际需求，导致变电站系统的功率降低，并且一旦直流电源发生故障，就会导致整个变电系统停止运行。为了解决这一问题，电力公司引进变电站直流电源并联技术，将2 个或者2 个以上小功率直流电源并联为一个大功率电源系统，满足变电站供电需求。当其中一个直流电源无法运行时，将立即启动备用直流电源模块，保证变电站能够正常运行。但是当变电站直流电源并联工作后，由于每个直流电源之间的特性存在一些差异，输出的电流不一致，将会使部分直流电源处于过载工作状态，进而使变电站电压失稳。为了避免该问题的出现，当变电站直流电源并联时，应当立即采取均流控制措施，令直流电源输出电流一致。但是目前采用的传统控制方法效果并不理想，已经无法满足实际需求，为此提出变电站直流电源并联均流控制方法。

1 拾取电流信号

在对直流电源并联均流控制前，需要获取并联电源输出电压、电阻等信号，判断当前直流电源并联是否存在均流误差[1]。为每个变电站直流电源模块接入控制电路，在控制电路中设定直流电源电流信号感知单元，安装各类传感器，采集直流电源并联电流信号。采用串并联的方式将电压传感器与电阻传感器接入变电站直流电源总线，对传感器采样频率、采样周期以及范围等技术参数进行设定[2]。为了避免重复采集直流电源并联电流信号样本，根据电源信号频率设定传感器信号重采样的最小频率，用公式表示为

式中：μmin为控制周期内直流电源并联电流的最低重采样频率；μmax为直流电源并联电流的最高频率；n为传感器采样周期；μ为控制周期内直流电源并联电流的频率[3]。当变电站直流电源并联时，传感器拾取到直流电源模块信号，并通过无线网络将其发送到计算机[4]。无线传感器在信号采集过程中受到干扰影响原始信号中会存在噪声信号，为了保证后续直流电源并联均流误差计算精度以及控制精度，采用小波降噪技术对原始信号进行滤波处理，对原始电源信号进行小波变换，用公式表示为

式中：x为小波变换后的直流电源模块信号；a为变换尺度因子；f(t)μmin为t时刻直流电源并联电流信号；ρ为共轭小波基；b为小波变换位移参数[5]。通过小波变换将原始信号变换为多个子序列，利用自适应阈值函数对信号的每个子序列进行滤波，用公式表示为

式中：s为滤波后的直流电源模块信号；w为自适应阈值函数；υ为自适应滤波阈值；rx为小波变换后信号子序列的小波系数。根据式（3），如果小波系数小于阈值，则表示该子序列无噪声，或者噪声分量在规定范围内，保留序列；如果小波系数大于阈值，则表示该子序列含噪声，将该序列值设定为0，消除含噪序列。

2 识别直流电源并联均流误差

根据拾取的直流电源并联信号，识别变电站直流电源并联均流误差，判断当前是否处于不均衡状态。为了方便后续计算，对滤波后的电源信号进行标准差处理，用公式表示为

式中：为标准化处理后的直流电源信号；smin为直流电源信号的最小值；smax为直流电源信号的最大值。通过对原始信号标准化处理，消除不同种类信号之间的量纲，将所有信号规范在0 ～1。假设并联的2 个直流电源分别为i、j，根据变电站直流电源并联工作原理，可以得到2 个直流电源并联后各自的负载电压，用公式表示为

式中：Ui、Uj分别为并联的2 个直流电源负载电压；、分别为并联的2 个直流电源开路输出电压；Ri、Rj分别为并联的2 个直流电源输出阻抗；Ii、Ij分别为并联的2 个直流电源输出电流。根据直流电源负载电压计算出并联后总的输出电压，用公式表示为

式中：U0为直流电源并联后总的输出电压；RL为直流电源并联负载阻抗。将式（5）与式（6）整合，则可以确定2 个直流电源输出电流值，通过信号传输单元将信号发送到控制电路，将电流与平均值比较，得到直流电源并联均流误差，其计算公式为

式中：ϑ为直流电源并联均流误差；Iu为直流电源相邻两相电流平均值。根据实际情况设定阈值，将均流误差与阈值比对，如果误差小于阈值，则表示直流电源电流符合并联需求，无须对其进行均流控制；如果误差大于阈值，则表示电源电流不符合并联需求，则需要对其进行均流控制。

3 调整控制并联均流

从式（5）和式（6）可以看出，直流电源并联均流主要与电源电压有关，因此可以通过调整电源电压，矫正直流电源并联均流误差。在控制电路中安装变换器，信号输出单元将均流误差信号传输到变换器的矫正信号产生单元，将误差信号转换为矫正信号，作为变换器输入信号。采用平均电流自动均流法对直流电源电压均流控制，利用均流母线将直流电源与基准电压矫正单元连接，根据识别的均流误差计算出直流电源并联均流误差电压，其计算公式为

式中：Uer为直流电源并联误差电压；Uyu为均流母线电压。由此得到基准电压校正值，将其发送到变换基整流控制信号产生单元，作为变换器输出信号。通过对直流电源电压误差调整，消除均流误差，使直流电源电流值与相邻电源电流保持一致。

4 实验论证

4.1 实验准备与设计

采用对比实验的方式对设计方法的可行性与可靠性进行检验。以某变电站2 个直流电源为实验对象，电源负载为6.45 Ω，电源型号为KHFFAOHF-A4F5，滤波电容为650 μF，耐压为1.35 kV，电感为4.45 mH。利用设计方法对该变电站直流电源并联均流控制，选择2 种传统方法作为比较对象。2 种传统方法分别为基于可编程逻辑控制器的控制方法和基于数字控制技术的控制方法，以下分别用传统方法1 与传统方法2 表示。借助变电站三相变压器，将电源电压从220 V 增加到550 V，经过三相调整桥以及电容滤波，获得1 kV 直流电压母线。将电源调压步长设定为0.01 V，令变电站直流电源模块在通电状态，按照设计流程采取到100 个数据样本，对数据滤波处理，识别均流误差，并对直流电源电压进行调整。

4.2 实验结果与讨论

实验以变电站直流电源并联均流度为3 种方法性能评价指标，均流度可以反映出2 个直流电源并联后的流量均衡程度，其计算公式为

式中：ε为变电站直流电源并联均流度；I1、I2分别为变电站2 个直流电源模块输出的电流值。虽然直流电源在刚加载时输出的电流会存在差异，但是经过3 s 均流后，理论上输出电流逐渐趋于一致。此次突然减小负载电流，并在2 s 后测量电源并联均流后2 个模块的输出电流值。随机抽取10 个样本，使用电子表格记录10 个样本对应的电源并联均流度，具体如表1 所示。

表1 3 种方法应用下的直流电源并联均流度

从表1 中数据可以看出，设计方法的电源并联均流度范围为98.26%～99.64%，平均值为99.12%；而传统方法1 为63.52%～69.53%，平均值为67.45%，比设计方法低将近32%；传统方法2 为60.14%～69.61%，平均值为65.25%，比设计方法低将近34%，说明在设计方法下两直流电源输出电流基本一致，均流效果良好。为了进一步验证设计方法的可行性，对3 种方法应用下变电站直流电源并联电流调整为稳定状态的时间对比。同样对直流电源进行加载测试，将电源负载电流突然增加到100 A，使电源电流达到满载，记录并联电源支路输出电流，根据记录数据绘制3 种方法应用下的电源输出电流波形，如图1 所示。

图1 3 种方法应用下的电源输出电流波形

变电站直流电源负载电流为100 A，直流电源模块平均电流为50 A。在设计方法的应用下，变电站直流电源并联大约0.21 s 后，调整为稳定状态；在传统方法1 的应用下，变电站直流电源在0.36 s 时得到均衡控制，比设计方法慢0.15 s；在传统方法2 的应用下，变电站直流电源在0.39 s 时得到均衡控制，比设计方法慢0.18 s，证明设计方法均流速度更快一些。本次实验证明了无论是在直流电源并联均流度方面还是在均流速度方面，设计方法均表现出明显的优势，比2 种传统方法更适用于变电站直流电源并联均流控制。

5 结 论

均流控制是优化变电站直流电源并联负载的重要手段，针对现行方法存在的不足与缺陷提出了一个新的控制思路，有效提高了直流电源并联均流度，缩短了直流电源并联均流时间，对推动变电站直流电源并联均流控制深入研究、提高均流控制技术水平和变电站直流电源效率等具有重大意义。但提出方法目前尚处于初步探索阶段，尚未在实际中得到大量的实践与应用，今后会展开进一步研究，为变电站直流电源并联均流控制提供理论支撑。