羅艷峰
（中鐵建設(shè)集團中南建設(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償和控制能力進行低壓交直流切換供電系統(tǒng)設(shè)計。傳統(tǒng)交流供電模式下的無功補償主要是通過補償系統(tǒng)中的無功功率來實現(xiàn)，而在低壓交直流切換供電模式下的無功補償則主要是通過補償電網(wǎng)中的無功功率來實現(xiàn)。通過對電網(wǎng)中的無功功率進行調(diào)節(jié)，可以有效提高電網(wǎng)末端的電壓質(zhì)量。同時，針對電網(wǎng)末端的低電壓治理問題，設(shè)計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行平滑切換，從而實現(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家供電標準。而采用直流配電方式時，末端電壓可以滿足電能質(zhì)量要求，且技術(shù)成熟、實施操作難度不大、經(jīng)濟效益好。但在直流配電方式下，多級變流器開關(guān)管的開關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗比較顯著。因此，在負荷較小、末端電壓正常時，采用直流供電會引入額外的多級變流器損耗，得不償失。
2 仿真驗證
文章采用MATLAB/Simulink 進行仿真驗證，電網(wǎng)的電壓等級為0.4 kV，負載為200 kW，負荷為100 kW，直流側(cè)電壓等級為0.3 kV，負荷為50 kW。在電網(wǎng)末端的交流供電系統(tǒng)中加入直流無功補償裝置，直流側(cè)電流傳感器檢測電網(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，檢測電網(wǎng)中的無功功率信息，調(diào)節(jié)無功補償裝置實現(xiàn)對電網(wǎng)中的無功功率進行補償。由于低壓交直流切換供電模式實現(xiàn)了2 種供電模式下的平滑切換，在交流與直流之間進行平滑切換時不會產(chǎn)生電能損耗和諧波污染等問題，具有良好的經(jīng)濟效益與社會效益。
2.1 系統(tǒng)架構(gòu)
文章設(shè)計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�？刂撇糠滞ㄟ^檢測輸出電壓和電流信號，并結(jié)合反饋信號計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)定運行的同時，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，可以降低電網(wǎng)運行損耗，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，L1和C2均為電流源；當(dāng)輸入電壓小于輸出電壓時，L1為電壓源，C2為電流源。在進行變換器的設(shè)計時，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，需要對電感L1和電容C2進行有效的補償。文章采用帶隙基準的開關(guān)電容電路對其進行補償，開關(guān)電容電路由2 個電容和2 個電感組成，通過對其進行補償可以降低開關(guān)頻率對變換器性能的影響。
2.3 控制部分
當(dāng)輸出電壓和電流信號滿足要求時，根據(jù)反饋信號的大小輸出相應(yīng)的直流電，實現(xiàn)交直流供電系統(tǒng)的切換；當(dāng)輸出電壓和電流信號不滿足要求時，根據(jù)反饋信號的大小輸出相應(yīng)的交流電，實現(xiàn)交直流供電系統(tǒng)的切換。該系統(tǒng)由3 個模塊組成。一是電壓檢測模塊，用于檢測輸入電源側(cè)的輸出電壓；二是電流檢測模塊，用于檢測直流側(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�？刂撇糠謱�1 個電源模塊、3 個電流檢測模塊和1 個切換模塊串聯(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 個方面進行介紹。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)實現(xiàn)整個供電系統(tǒng)的功能。AC 側(cè)采用并聯(lián)形式實現(xiàn)獨立運行，DC 側(cè)采用串聯(lián)形式實現(xiàn)并網(wǎng)運行。同時，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)計一種交流側(cè)過電壓檢測電路對電網(wǎng)電壓進行檢測。在交直流切換供電模式中，系統(tǒng)以2 種不同的模式運行。一是當(dāng)系統(tǒng)處于交流模式時，系統(tǒng)僅輸出直流電壓；二是當(dāng)系統(tǒng)處于直流模式時，系統(tǒng)將輸出交流電壓。
通過對系統(tǒng)進行整體控制實現(xiàn)對電網(wǎng)的電壓調(diào)節(jié)。由于在實際應(yīng)用中存在交流與直流相互影響的問題，因此需要在這2 個控制環(huán)節(jié)中加入對電網(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)電壓來實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出電壓的調(diào)節(jié)。通過對電網(wǎng)電壓進行實時檢測可以實時調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓。設(shè)計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，需要在儲能環(huán)節(jié)加入相應(yīng)的控制環(huán)節(jié)以實現(xiàn)能量流動[1-2]。通過對能量流動控制環(huán)節(jié)進行設(shè)計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撲構(gòu)成，具有損耗小、體積小、開關(guān)紋波低等優(yōu)勢，便于實現(xiàn)模塊化和柱上設(shè)計。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)電壓不會發(fā)生明顯的變化。當(dāng)交流側(cè)發(fā)生故障時，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，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
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)電機的參數(shù)應(yīng)根據(jù)交流電網(wǎng)的電壓等級和負載特性來確定。由于存在大量的非線性負載，需要根據(jù)不同的負載來調(diào)整同步發(fā)電機的運行參數(shù)，從而確保系統(tǒng)中同步發(fā)電機輸出電壓的穩(wěn)定性，避免電壓劇烈波動對系統(tǒng)造成影響。對此，必須將直流側(cè)所需提供的無功功率控制在一個合理、穩(wěn)定的范圍內(nèi)。根據(jù)同步發(fā)電機參數(shù)和負載特性來計算所需注入的無功功率，進而確定同步發(fā)電機的運行參數(shù)。
同步發(fā)電機主要由定子和轉(zhuǎn)子2 個部分構(gòu)成，定子主要負責(zé)將三相交流電轉(zhuǎn)換成三相直流電；轉(zhuǎn)子主要負責(zé)將三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電。同步發(fā)電機需要根據(jù)不同的故障點來選擇相應(yīng)的運行參數(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。對于交流側(cè)無功功率控制策略，為實現(xiàn)交流側(cè)電壓的穩(wěn)定，在交流系統(tǒng)發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)會向直流側(cè)注入一定的無功功率，從而提高直流母線電壓。對于直流側(cè)母線電壓調(diào)節(jié)策略，為實現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定，在直流母線發(fā)生故障時，控制系統(tǒng)會根據(jù)不同情況對直流母線電壓進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，同時會對交流側(cè)和直流側(cè)的能量進行合理分配。
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，為負載提供穩(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，利用無源功率變換器改變換流器中的功率流動方向，實現(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，實現(xiàn)了直流功率的平滑分配。通過搭建仿真模型對系統(tǒng)進行分析，仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)﹄娋W(wǎng)末端低電壓進行有效治理。然而，當(dāng)在交流側(cè)和直流側(cè)分別接入負載時，由于負載特性存在差異，會對交流側(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)研究需要對系統(tǒng)進行進一步優(yōu)化，以滿足不同情況下的切換要求。
