基于PWM整流技術(shù)變電站直流系統(tǒng)改進(jìn)策略研究

王鵬飛

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司 江蘇省南京市 211106）

1 引言

變電站直流系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到站內(nèi)繼電保護(hù)、綜合自動(dòng)化等重要二次設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，目前變電站直流系統(tǒng)均采用的是常規(guī)二極管不可控整流技術(shù)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 中紅框中所示，這種整流方法無法實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓可控，在分支接地故障導(dǎo)致的直流電壓跌落或下降時(shí)無法可調(diào)，且會(huì)導(dǎo)致站用交流系統(tǒng)功率因數(shù)偏低，影響交流供電質(zhì)量，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致交流網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變嚴(yán)重，造成的諧波污染。更為重要的是，在站用電三相出現(xiàn)缺相故障時(shí)，直流系統(tǒng)的直流輸出電壓因此而下降，將直接影響直流系統(tǒng)供電質(zhì)量，導(dǎo)致站內(nèi)繼電保護(hù)、自動(dòng)化設(shè)備等直流負(fù)荷誤動(dòng)和拒動(dòng)，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

2 三相電壓型PWM整流器的數(shù)學(xué)模型和控制策略

本文提出改進(jìn)策略中的PWM 整流技術(shù)采用的是三相電壓源型整流器(voltage source rectifier, VSR)，其主電路拓?fù)淙鐖D2 所示。此種整流器主要由進(jìn)線電抗L、雜散電阻R、6 個(gè)全控型功率開關(guān)器件IGBT 及電容C 等器件組成。并采用電壓電流雙閉環(huán)矢量控制算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)整流器的高動(dòng)態(tài)性能控制。

2.1 VSR數(shù)學(xué)模型

三相VSR 在三相靜止abc 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為：

可以看出，每相輸入電流都是由三個(gè)開關(guān)函數(shù)共同控制的，三相VSR 是一個(gè)互相耦合的多階非線性時(shí)變系統(tǒng)。

首先將三相VSR 數(shù)學(xué)模型由三相靜止abc 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止αβ 坐標(biāo)系中，根據(jù)“等幅值”（變換前后整流器參數(shù)幅值保持不變）的原則進(jìn)行坐標(biāo)變換。從三相靜止abc 坐標(biāo)系到兩相靜止αβ 坐標(biāo)系坐標(biāo)變換表達(dá)式為：

式中：xa、xb、xc為整流器在三相靜止abc 坐標(biāo)系下的電壓、電流等參數(shù)；xα、xβ為整流器在兩相靜止αβ 坐標(biāo)系下的電壓、電流等參數(shù)。

采用式（2）所示的坐標(biāo)變換形式，將式（1）所示的整流器在三相靜止abc 坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型變到兩相靜止αβ 坐標(biāo)系下：

圖1：變電站直流系統(tǒng)整流拓?fù)潆娐?/p>

圖2：三相VSR 的拓?fù)鋱D

圖3：PWM 整流器電壓定向矢量控制原理框圖

圖4：直流電壓跌落時(shí)交流側(cè)電流波形及v0 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及

圖5：缺相故障電網(wǎng)電壓波形及直流側(cè)v0 波形

圖6：交流側(cè)電流頻譜

式中Sα，Sβ為兩相靜止αβ 坐標(biāo)系下的單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)三相VSR 有功功率分量和無功功率分量的解耦控制（分別獨(dú)立控制）和易于利用比例積分調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)對(duì)電流等量的無差跟蹤控制（比例積分調(diào)節(jié)器只能實(shí)現(xiàn)對(duì)直流量的跟蹤控制），還需將三相VSR 兩相靜止αβ 坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到兩相旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系中。從兩相靜止αβ 坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換表達(dá)式為：

式中：ωt=θ，為電網(wǎng)電壓矢量角度。

將式（3）所示整流器在兩相靜止αβ 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型按式（4）變換到兩相旋轉(zhuǎn)dq 坐標(biāo)系下：

式中：vd=v0sd，vq=v0sq。

2.2 VSR控制策略研究

在對(duì)PWM 整流器數(shù)學(xué)模型分析的基礎(chǔ)上，本文提出的改進(jìn)方案采用電壓定向矢量控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM整流器的高動(dòng)態(tài)性能控制，其控制原理框圖如圖3 所示。

圖中：i*d、是網(wǎng)側(cè)電流基于電壓定向時(shí)d、q 軸上的指令電流。由電壓外環(huán)的PI 調(diào)節(jié)器得到，而i*q則根據(jù)功率控制需要靈活給定。本策略采用單位功率因數(shù)控制，將i*q 設(shè)為零。

若需跟蹤的電流指令為與電網(wǎng)電動(dòng)勢同頻率的三相對(duì)稱正弦波電流，則i*d、i*q 在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中均為直流量，因而采用PI 調(diào)節(jié)器均可實(shí)現(xiàn)id、iq的無靜差調(diào)節(jié)。所以，跟蹤所給定的整流器交流側(cè)的指令電壓矢量即能實(shí)現(xiàn)三相VSR 的電流跟蹤控制。

3 可行性仿真研究

根據(jù)上節(jié)對(duì)雙閉環(huán)空間矢量控制策略的研究分析，為驗(yàn)證三相電壓型PWM 整流技術(shù)應(yīng)用于變電站直流系統(tǒng)的可行性，現(xiàn)利用MATLAB/simulink 對(duì)該改進(jìn)策略進(jìn)行仿真。

從圖4 所示仿真圖形可以看出，采用雙閉環(huán)空間矢量控制策略在直流側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，直流側(cè)電壓瞬間跌落后迅速回調(diào)達(dá)到正常值，表明整流方案具有直流電壓可調(diào)且輸出穩(wěn)定、較高的抗干擾性等特性。

在電網(wǎng)電壓嚴(yán)重不平衡，即發(fā)生三相交流電網(wǎng)發(fā)生A 相缺相故障時(shí)仿真波形如圖5、圖6，可看出，盡管交流側(cè)缺相運(yùn)行，但直流側(cè)電壓輸出依舊保持穩(wěn)定可靠，且可以保證正序電壓與電流接近同相位（功率因數(shù)接近為1），交流側(cè)三相電流接近正弦，諧波污染小，進(jìn)一步表明，本文提出的整流控制方案的高容故率，提高故障發(fā)生時(shí)刻整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

4 總結(jié)

為解決目前變電站直流系統(tǒng)中二極管不可控整流電路存在的諧波污染、直流電壓輸出不可調(diào)且可靠性低等問題，提出了一種變電站直流系統(tǒng)整流電路改進(jìn)方案，該方案采用了三線六開關(guān)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三相電壓型PWM 整流技術(shù)，利用基于電壓電流雙閉環(huán)空間矢量控制策略，仿真結(jié)果表明，該方案可實(shí)現(xiàn)直流電壓輸出可調(diào)，提高直流系統(tǒng)電壓輸出的可靠性，且消除交流側(cè)諧波污染，更為重要的是，在交流側(cè)發(fā)生缺相故障情況下，該改進(jìn)方案可保證直流輸出電壓穩(wěn)定，有效提高變電站直流系統(tǒng)的可靠性。