用于電網末端低電壓治理的低壓交直流切換供電系統設計

羅艷峰

（中鐵建設集團中南建設有限公司，湖北 武漢 430070）

0 引 言

文章采用傳統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設計。傳統交流供電模式下的無功補償主要是通過補償系統中的無功功率來實現，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中的無功功率來實現。通過對電網中的無功功率進行調節，可以有效提高電網末端的電壓質量。同時，針對電網末端的低電壓治理問題，設計一種低壓交直流切換供電系統，該系統可以在交流與直流之間進行平滑切換，從而實現了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

在傳統的交流配電方式下，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量要求，且技術成熟、實施操作難度不大、經濟效益好。但在直流配電方式下，多級變流器開關管的開關損耗、導通損耗比較顯著。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，電網的電壓等級為0.4 kV，負載為200 kW，負荷為100 kW，直流側電壓等級為0.3 kV，負荷為50 kW。在電網末端的交流供電系統中加入直流無功補償裝置，直流側電流傳感器檢測電網中的無功功率信息，由傳統的交流供電模式變為直流供電模式。當電網中的無功功率發生變化時，檢測電網中的無功功率信息，調節無功補償裝置實現對電網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生電能損耗和諧波污染等問題，具有良好的經濟效益與社會效益。

2.1 系統架構

文章設計的低壓交直流切換供電系統由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 變換器在交流側輸出50 Hz、100 Hz 和200 Hz 的交流電。控制部分通過檢測輸出電壓和電流信號，并結合反饋信號計算出低壓交直流切換供電系統的參考電壓，根據參考電壓將直流側的電能切換至交流側，在保證供電系統穩定運行的同時，提高供電系統的功率密度。該系統在滿足低電壓治理要求的同時，可以降低電網運行損耗，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，當輸入電壓大于輸出電壓時，L1和C2均為電流源；當輸入電壓小于輸出電壓時，L1為電壓源，C2為電流源。在進行變換器的設計時，需要考慮開關管的開關頻率問題。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電容電路對其進行補償，開關電容電路由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頻率對變換器性能的影響。

2.3 控制部分

當輸出電壓和電流信號滿足要求時，根據反饋信號的大小輸出相應的直流電，實現交直流供電系統的切換；當輸出電壓和電流信號不滿足要求時，根據反饋信號的大小輸出相應的交流電，實現交直流供電系統的切換。該系統由3 個模塊組成。一是電壓檢測模塊，用于檢測輸入電源側的輸出電壓；二是電流檢測模塊，用于檢測直流側的輸出電流；三是切換模塊，用于控制交流側的輸入電壓。控制部分將1 個電源模塊、3 個電流檢測模塊和1 個切換模塊串聯起來構成低壓交直流切換供電系統。

3 交直流切換控制策略

為解決不同電壓等級下的系統切換問題，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上加入了直流側電壓控制環節，實現了交流側與直流側之間的協調控制。其中，交流側為供電系統的核心部分，分別從系統總體架構、交流側與直流側電壓協調控制策略2 個方面進行介紹。系統整體架構方面，通過將交流側與直流側并聯和串聯實現整個供電系統的功能。AC 側采用并聯形式實現獨立運行，DC 側采用串聯形式實現并網運行。同時，為保證交流側和直流側的電壓相互協調控制，需要設計一種交流側過電壓檢測電路對電網電壓進行檢測。在交直流切換供電模式中，系統以2 種不同的模式運行。一是當系統處于交流模式時，系統僅輸出直流電壓；二是當系統處于直流模式時，系統將輸出交流電壓。

通過對系統進行整體控制實現對電網的電壓調節。由于在實際應用中存在交流與直流相互影響的問題，因此需要在這2 個控制環節中加入對電網電壓調節的作用。為了避免交直流混合供電模式下產生的交直流相互制約問題，可以通過調節電網電壓來實現對系統輸出電壓的調節。通過對電網電壓進行實時檢測可以實時調節電網電壓。設計的交直流切換供電系統如圖1 所示，包括送端和受端2 個模塊化變流器、各自的切換開關網絡和共用的配電線路。因此，需要在儲能環節加入相應的控制環節以實現能量流動[1-2]。通過對能量流動控制環節進行設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的整體結構

4 系統工作原理

4.1 雙向變流器

變流器由二極管鉗位型三電平拓撲構成，具有損耗小、體積小、開關紋波低等優勢，便于實現模塊化和柱上設計。其與交流側連接，在正常情況下為交流側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，由于交流側與直流側電壓均為正弦波，因此交流側與直流側電壓不會發生明顯的變化。當交流側發生故障時，由于交流側電壓不再為正弦波，因此交流側的電壓將出現波動，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控制系統的指令不斷變化。

4.2 同步發電機

在基于電網末端低電壓治理的低壓交直流切換供電系統中，同步發電機主要用于向交流側注入無功功率，以改善交流母線電壓的穩定性。同步發電機的參數應根據交流電網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，需要根據不同的負載來調整同步發電機的運行參數，從而確保系統中同步發電機輸出電壓的穩定性，避免電壓劇烈波動對系統造成影響。對此，必須將直流側所需提供的無功功率控制在一個合理、穩定的范圍內。根據同步發電機參數和負載特性來計算所需注入的無功功率，進而確定同步發電機的運行參數。

同步發電機主要由定子和轉子2 個部分構成，定子主要負責將三相交流電轉換成三相直流電；轉子主要負責將三相交流電轉換成直流電。同步發電機需要根據不同的故障點來選擇相應的運行參數。

4.3 系統控制策略

系統控制策略主要包括交流側無功功率控制策略、直流側電壓調節控制策略和交流側與直流側能量分配控制策略。對于交流側無功功率控制策略，為實現交流側電壓的穩定，在交流系統發生故障時，控制系統會向直流側注入一定的無功功率，從而提高直流母線電壓。對于直流側母線電壓調節策略，為實現直流母線電壓的穩定，在直流母線發生故障時，控制系統會根據不同情況對直流母線電壓進行相應的調節，同時會對交流側和直流側的能量進行合理分配。

5 結 論

文章提出了一種電網末端低電壓治理的低壓交直流切換供電系統，該系統由交直流換流器、無源功率變換器和系統控制3 個部分組成。當交流側輸出電壓與直流側輸入電壓相等時，為負載提供穩定的電壓；當交流側輸出電壓與直流側輸入電壓不等時，利用無源功率變換器改變換流器中的功率流動方向，實現交直流變換。系統控制策略采用基于下垂控制的有源功率變換器控制方式，實現了直流功率的平滑分配。通過搭建仿真模型對系統進行分析，仿真結果表明，該系統能夠對電網末端低電壓進行有效治理。然而，當在交流側和直流側分別接入負載時，由于負載特性存在差異，會對交流側與直流側產生影響，導致切換后的系統不能滿足需求。因此，后續研究需要對系統進行進一步優化，以滿足不同情況下的切換要求。