變電站直流電源并聯均流控制方法

陳 猛

（國網湖北省電力有限公司恩施供電公司，湖北 恩施 445000）

0 引 言

對于變電站、發電廠等大型電力應用場合而言，電源系統不僅要安全可靠，還需要滿足大容量、不間斷供電的需求。如果僅采用單個直流電源供電，往往不能滿足實際需求，導致變電站系統的功率降低，并且一旦直流電源發生故障，就會導致整個變電系統停止運行。為了解決這一問題，電力公司引進變電站直流電源并聯技術，將2 個或者2 個以上小功率直流電源并聯為一個大功率電源系統，滿足變電站供電需求。當其中一個直流電源無法運行時，將立即啟動備用直流電源模塊，保證變電站能夠正常運行。但是當變電站直流電源并聯工作后，由于每個直流電源之間的特性存在一些差異，輸出的電流不一致，將會使部分直流電源處于過載工作狀態，進而使變電站電壓失穩。為了避免該問題的出現，當變電站直流電源并聯時，應當立即采取均流控制措施，令直流電源輸出電流一致。但是目前采用的傳統控制方法效果并不理想，已經無法滿足實際需求，為此提出變電站直流電源并聯均流控制方法。

1 拾取電流信號

在對直流電源并聯均流控制前，需要獲取并聯電源輸出電壓、電阻等信號，判斷當前直流電源并聯是否存在均流誤差[1]。為每個變電站直流電源模塊接入控制電路，在控制電路中設定直流電源電流信號感知單元，安裝各類傳感器，采集直流電源并聯電流信號。采用串并聯的方式將電壓傳感器與電阻傳感器接入變電站直流電源總線，對傳感器采樣頻率、采樣周期以及范圍等技術參數進行設定[2]。為了避免重復采集直流電源并聯電流信號樣本，根據電源信號頻率設定傳感器信號重采樣的最小頻率，用公式表示為

式中：μmin為控制周期內直流電源并聯電流的最低重采樣頻率；μmax為直流電源并聯電流的最高頻率；n為傳感器采樣周期；μ為控制周期內直流電源并聯電流的頻率[3]。當變電站直流電源并聯時，傳感器拾取到直流電源模塊信號，并通過無線網絡將其發送到計算機[4]。無線傳感器在信號采集過程中受到干擾影響原始信號中會存在噪聲信號，為了保證后續直流電源并聯均流誤差計算精度以及控制精度，采用小波降噪技術對原始信號進行濾波處理，對原始電源信號進行小波變換，用公式表示為

式中：x為小波變換后的直流電源模塊信號；a為變換尺度因子；f(t)μmin為t時刻直流電源并聯電流信號；ρ為共軛小波基；b為小波變換位移參數[5]。通過小波變換將原始信號變換為多個子序列，利用自適應閾值函數對信號的每個子序列進行濾波，用公式表示為

式中：s為濾波后的直流電源模塊信號；w為自適應閾值函數；υ為自適應濾波閾值；rx為小波變換后信號子序列的小波系數。根據式（3），如果小波系數小于閾值，則表示該子序列無噪聲，或者噪聲分量在規定范圍內，保留序列；如果小波系數大于閾值，則表示該子序列含噪聲，將該序列值設定為0，消除含噪序列。

2 識別直流電源并聯均流誤差

根據拾取的直流電源并聯信號，識別變電站直流電源并聯均流誤差，判斷當前是否處于不均衡狀態。為了方便后續計算，對濾波后的電源信號進行標準差處理，用公式表示為

式中：為標準化處理后的直流電源信號；smin為直流電源信號的最小值；smax為直流電源信號的最大值。通過對原始信號標準化處理，消除不同種類信號之間的量綱，將所有信號規范在0 ～1。假設并聯的2 個直流電源分別為i、j，根據變電站直流電源并聯工作原理，可以得到2 個直流電源并聯后各自的負載電壓，用公式表示為

式中：Ui、Uj分別為并聯的2 個直流電源負載電壓；、分別為并聯的2 個直流電源開路輸出電壓；Ri、Rj分別為并聯的2 個直流電源輸出阻抗；Ii、Ij分別為并聯的2 個直流電源輸出電流。根據直流電源負載電壓計算出并聯后總的輸出電壓，用公式表示為

式中：U0為直流電源并聯后總的輸出電壓；RL為直流電源并聯負載阻抗。將式（5）與式（6）整合，則可以確定2 個直流電源輸出電流值，通過信號傳輸單元將信號發送到控制電路，將電流與平均值比較，得到直流電源并聯均流誤差，其計算公式為

式中：?為直流電源并聯均流誤差；Iu為直流電源相鄰兩相電流平均值。根據實際情況設定閾值，將均流誤差與閾值比對，如果誤差小于閾值，則表示直流電源電流符合并聯需求，無須對其進行均流控制；如果誤差大于閾值，則表示電源電流不符合并聯需求，則需要對其進行均流控制。

3 調整控制并聯均流

從式（5）和式（6）可以看出，直流電源并聯均流主要與電源電壓有關，因此可以通過調整電源電壓，矯正直流電源并聯均流誤差。在控制電路中安裝變換器，信號輸出單元將均流誤差信號傳輸到變換器的矯正信號產生單元，將誤差信號轉換為矯正信號，作為變換器輸入信號。采用平均電流自動均流法對直流電源電壓均流控制，利用均流母線將直流電源與基準電壓矯正單元連接，根據識別的均流誤差計算出直流電源并聯均流誤差電壓，其計算公式為

式中：Uer為直流電源并聯誤差電壓；Uyu為均流母線電壓。由此得到基準電壓校正值，將其發送到變換基整流控制信號產生單元，作為變換器輸出信號。通過對直流電源電壓誤差調整，消除均流誤差，使直流電源電流值與相鄰電源電流保持一致。

4 實驗論證

4.1 實驗準備與設計

采用對比實驗的方式對設計方法的可行性與可靠性進行檢驗。以某變電站2 個直流電源為實驗對象，電源負載為6.45 Ω，電源型號為KHFFAOHF-A4F5，濾波電容為650 μF，耐壓為1.35 kV，電感為4.45 mH。利用設計方法對該變電站直流電源并聯均流控制，選擇2 種傳統方法作為比較對象。2 種傳統方法分別為基于可編程邏輯控制器的控制方法和基于數字控制技術的控制方法，以下分別用傳統方法1 與傳統方法2 表示。借助變電站三相變壓器，將電源電壓從220 V 增加到550 V，經過三相調整橋以及電容濾波，獲得1 kV 直流電壓母線。將電源調壓步長設定為0.01 V，令變電站直流電源模塊在通電狀態，按照設計流程采取到100 個數據樣本，對數據濾波處理，識別均流誤差，并對直流電源電壓進行調整。

4.2 實驗結果與討論

實驗以變電站直流電源并聯均流度為3 種方法性能評價指標，均流度可以反映出2 個直流電源并聯后的流量均衡程度，其計算公式為

式中：ε為變電站直流電源并聯均流度；I1、I2分別為變電站2 個直流電源模塊輸出的電流值。雖然直流電源在剛加載時輸出的電流會存在差異，但是經過3 s 均流后，理論上輸出電流逐漸趨于一致。此次突然減小負載電流，并在2 s 后測量電源并聯均流后2 個模塊的輸出電流值。隨機抽取10 個樣本，使用電子表格記錄10 個樣本對應的電源并聯均流度，具體如表1 所示。

表1 3 種方法應用下的直流電源并聯均流度

從表1 中數據可以看出，設計方法的電源并聯均流度范圍為98.26%～99.64%，平均值為99.12%；而傳統方法1 為63.52%～69.53%，平均值為67.45%，比設計方法低將近32%；傳統方法2 為60.14%～69.61%，平均值為65.25%，比設計方法低將近34%，說明在設計方法下兩直流電源輸出電流基本一致，均流效果良好。為了進一步驗證設計方法的可行性，對3 種方法應用下變電站直流電源并聯電流調整為穩定狀態的時間對比。同樣對直流電源進行加載測試，將電源負載電流突然增加到100 A，使電源電流達到滿載，記錄并聯電源支路輸出電流，根據記錄數據繪制3 種方法應用下的電源輸出電流波形，如圖1 所示。

圖1 3 種方法應用下的電源輸出電流波形

變電站直流電源負載電流為100 A，直流電源模塊平均電流為50 A。在設計方法的應用下，變電站直流電源并聯大約0.21 s 后，調整為穩定狀態；在傳統方法1 的應用下，變電站直流電源在0.36 s 時得到均衡控制，比設計方法慢0.15 s；在傳統方法2 的應用下，變電站直流電源在0.39 s 時得到均衡控制，比設計方法慢0.18 s，證明設計方法均流速度更快一些。本次實驗證明了無論是在直流電源并聯均流度方面還是在均流速度方面，設計方法均表現出明顯的優勢，比2 種傳統方法更適用于變電站直流電源并聯均流控制。

5 結 論

均流控制是優化變電站直流電源并聯負載的重要手段，針對現行方法存在的不足與缺陷提出了一個新的控制思路，有效提高了直流電源并聯均流度，縮短了直流電源并聯均流時間，對推動變電站直流電源并聯均流控制深入研究、提高均流控制技術水平和變電站直流電源效率等具有重大意義。但提出方法目前尚處于初步探索階段，尚未在實際中得到大量的實踐與應用，今后會展開進一步研究，為變電站直流電源并聯均流控制提供理論支撐。