配電網(wǎng)智能型直流電源系統(tǒng)設計及其弱磁控制研究

劉石生

摘 要：智能配電網(wǎng)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行需要直流電源系統(tǒng)為其提供保證，文章結合現(xiàn)階段智能電網(wǎng)中直流電源系統(tǒng)的發(fā)展要求，明確智能型系統(tǒng)的智能化體現(xiàn)及其工作原理，并在此基礎上分析系統(tǒng)組成，進行蓄電池、智能監(jiān)控及高頻開關電源的設計，確定蓄電池并聯(lián)方案，集成數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡通信與遠程監(jiān)控分析功能于智能監(jiān)控之中，將高頻開關電源用于系統(tǒng)充、放電模塊主電路，并進一步執(zhí)行對系統(tǒng)的弱磁控制任務。經(jīng)測試，系統(tǒng)AC/DC轉換器功率因數(shù)為98.58%，交流側電流諧波含量4.25%，且電壓目標值穩(wěn)定，符合系統(tǒng)設計要求。另外，以單電流為基礎的系統(tǒng)弱磁控制能夠將電源供電質量優(yōu)化，保證電壓利用率，將電機損耗降低。

關鍵詞：配電網(wǎng);智能型直流電源系統(tǒng);智能監(jiān)控;高頻開關電源;弱磁控制

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0160-06

Design of Intelligent DC Power Supply System in Distribution Network and Its Field Weakening Control

Liu? Shisheng

（Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation， Foshan 528000， China）

Abstract：DC power system can provide security for power distribution network electrical power systems secure and stable operation. Combining with the development requirements of power distribution network intelligent DC power system， the paper points out intelligent systems intelligent embodiment and its operating principle， and on this basis， it analyzes the systems constitution， and designs its accumulator， intelligent monitoring and high frequency switching power supply， it points out accumulatorsparallel scheme， and makes an integration of data collection， network communication and remote monitoring analysis in intelligent monitoring. The high frequency switching power supply is used in systems charge and discharge module main circuit， and further performs the task of weakening the field control of the system. By testing， the systems AC/DC transverters power factor is 98.58%， AC side current harmonic content is 4.25%， and voltage-target value is stable， which meets the system design requirements. In addition， in the system based on single current， this control can optimize the power supply quality， ensure the utilization of voltage， and reduce the motor loss.

Key words：power distribution network; intelligent DC power system; intelligent monitoring; high frequency switching power supply; field weakening control

0 引言

近年來，配電網(wǎng)技術發(fā)展表現(xiàn)出自愈、兼容、集成以及優(yōu)化等[1]很多新特點，在電力市場深化變革的背景下，配電網(wǎng)必須將自身的自動化與信息化水平提高，發(fā)展智能配電網(wǎng)[2]是其大勢所趨。為了與智能配電網(wǎng)所需相適應，變電站研發(fā)與引進一系列智能化的設備，可自動、高效實現(xiàn)各項基本功能，包括信息采集、測量、監(jiān)測以及控制等，同時，亦能與實際所需相結合為高級功能提供支持，如配電網(wǎng)實時控制、智能化調節(jié)、在線分析與決策等。然而，智能配電網(wǎng)的核心在于大幅度提高電力系統(tǒng)自動化及其智能化水平[3]。而配電網(wǎng)的所有作業(yè)均不能與電源相分離，智能配電網(wǎng)發(fā)展對于電源系統(tǒng)有著嚴格的要求。

直流電源系統(tǒng)對配電網(wǎng)的安全與可靠運行有著直接的影響，是配電網(wǎng)中各類相關設備安全穩(wěn)定運行的前提與基礎[4]。隨著配電網(wǎng)無人值班技術的日益成熟，直流電源系統(tǒng)也有著越來越高的要求，然而，目前配電網(wǎng)中的直流電源系統(tǒng)存在供電方式單一、無法滿足配電網(wǎng)自動化需求、裝置“欠維護”情況嚴重等問題。另一方面，系統(tǒng)還存在勵磁恒定不能調節(jié)，電機轉速件選型難，同時，影響濾波電容耐壓及系統(tǒng)自身絕緣耐壓等問題，對此，文章進行配電網(wǎng)智能型直流電源系統(tǒng)的設計，兼顧配網(wǎng)自動化需求以及電源安全可靠等要求，采用對定子電流中直軸電流分量進行調節(jié)的方法，致力系統(tǒng)優(yōu)化，獲取相反于勵磁方向的磁動勢，以此降低電壓，達到高轉速下穩(wěn)壓發(fā)電的目的，使系統(tǒng)研究向更高層次發(fā)展，未來趨勢向計算機化、網(wǎng)絡化、智能化發(fā)展。

現(xiàn)階段，解析查表法、超前角控制法等在電源系統(tǒng)弱磁控制領域有相對廣泛的應用，但這些方法在控制過程中由于受到整流器輸出電壓的約束，會加劇電壓交叉耦合及磁路交叉飽和等狀況，進而致使電流跟蹤準確性欠佳，控制精度難以保證。單電流調節(jié)器方法只對一個電流調節(jié)器加以應用，可在一定程度上將上述問題規(guī)避，對此，本文借助單電流調節(jié)器的弱磁控制技術，對設計好的智能型直流電源系統(tǒng)進行弱磁控制，保證輸出電壓的穩(wěn)定性，并經(jīng)仿真對此控制方法的有效性作出證明。

1 智能型直流電源系統(tǒng)設計構想

智能型直流電源系統(tǒng)的智能化應有以下體現(xiàn)：通過智能監(jiān)控模塊對整個直流電源系統(tǒng)進行綜合管理，包括系統(tǒng)參數(shù)設置、高頻開關電源模塊開關機、蓄電池自動充放電管理以及浮充電壓自動溫度補償?shù)龋瑫r，基于綜合通信技術的支持，對直流系統(tǒng)運行情況進行遙測、遙信、遙調以及遙控，助力無人值班模式更加廣泛的實現(xiàn)。

圖1所示為正常運行狀態(tài)下配電網(wǎng)智能型直流電源系統(tǒng)原理。在經(jīng)過交流配電分配之后，交流站用電輸入向各高頻開關整流[5]模塊供給交流電能，之后，整流模塊將獲取的交流電能轉換為直流電能，并發(fā)揮兩個方面的作用，其一為對蓄電池充電，其二為對常規(guī)負荷供電。當交流電源有故障發(fā)生導致交流電停電等問題發(fā)生時，蓄電池會承擔起提供直流電源的任務。待監(jiān)控模塊接收到整流模塊的內部信息之后，還會進一步收集蓄電池以及計算機絕緣監(jiān)測裝置[6]等的信息，控制后臺可基于各種通信技術的支持同計算機建立連接。

2 智能直流電源系統(tǒng)結構與設計

2.1 蓄電池及其并聯(lián)方案

蓄電池為直流電源系統(tǒng)提供能源，當屬配電網(wǎng)二次系統(tǒng)的核心，可為二次系統(tǒng)的正常運行提供保證，其穩(wěn)定性的保持以及放電環(huán)節(jié)足夠容量的提供，對于配電網(wǎng)各電力設備的安全運行意義重大。根據(jù)系統(tǒng)原理的分析，直流電源系統(tǒng)正常運行時電池所處狀態(tài)為浮充電[12]狀態(tài)，這時交流電源為常規(guī)負載提供電能，只有在交流電源發(fā)生故障導致無法供電時，才由蓄電池提供直流電源。

此處，基于原有設備，對單個蓄電池及匹配的AC/DC[7]充電、DC/DC[8]升壓模塊進行創(chuàng)新，通過并聯(lián)的方式將它們聯(lián)結起來組成并聯(lián)的智能型電池組件，并進一步并聯(lián)多個組件，組成與實際所需相符的間接并聯(lián)式蓄電池模塊組，將以往的“充電機+蓄電池組”方式替換，彌補串聯(lián)方式下單只蓄電池質量無法得到可靠保證、連接線易對整組電池可靠性產生影響、在線更換與維護難度大、冗余配置經(jīng)濟性能差等不足[9-10]。

目前，AC/DC充電技術已實現(xiàn)相對成熟的發(fā)展，在整流、逆變與濾波后獲得的輸出電壓與電流等與相關要求相符。傳統(tǒng)DC/DC設計通常對2V蓄電池進行串聯(lián)，輸出直流母線電壓，此處將移相控制全橋零電壓開關PWM變換器[11]作為其升壓環(huán)節(jié)。圖2所示為單個并聯(lián)智能型電池組件的基本原理。該組件對單個蓄電池及匹配的AC/DC充電進行并聯(lián)處理，之后經(jīng)DC/DC升壓模塊得到直流母線額定電壓。在正常運行狀態(tài)下，外部輸入交流電源會經(jīng)AC/DC以及DC/DC處理轉變?yōu)橹绷麟娫?，對單個蓄電池實施浮充電操作;當有故障發(fā)生時，組件內部的蓄電池基于DC/DC升壓模塊的支持向負載發(fā)電，提供直流電源。

2.2 智能監(jiān)控模塊與設計

智能監(jiān)控模塊是智能型直流電源系統(tǒng)控制與管理的核心，可集中化網(wǎng)絡管理配電網(wǎng)直流電源及蓄電池組的實時/歷史信息，為維護人員在線監(jiān)測直流電源與蓄電池信息提供便利，掌握其運行狀態(tài)、性能變化，將以往定期監(jiān)測轉變?yōu)閷崟r化的網(wǎng)絡管理，及時發(fā)現(xiàn)問題與處理，有利于人力物力的節(jié)省及系統(tǒng)無人值守的實現(xiàn)。

圖3所示為智能監(jiān)控模塊架構，包括數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡通信及遠程監(jiān)控分析3層。數(shù)據(jù)采集層用于采集直流電源系統(tǒng)中各有關設備的運行數(shù)據(jù)與狀態(tài)，含系統(tǒng)紋波、蓄電池組、直流電源參數(shù)、直流絕緣等監(jiān)測子模塊，具有采集信息參數(shù)、進行信號調理與模數(shù)轉換、預處理數(shù)據(jù)以及串口傳送等功能，各子模塊用到的監(jiān)測裝置均在現(xiàn)場安裝，經(jīng)RS-232/485/422串口數(shù)據(jù)線同數(shù)據(jù)透明轉發(fā)層建立連接，實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)向服務器的統(tǒng)一轉發(fā)。網(wǎng)絡通信層基于數(shù)據(jù)透明轉發(fā)技術對數(shù)據(jù)進行透明轉發(fā)，數(shù)據(jù)傳送過程中，該層并不知曉數(shù)據(jù)采集層監(jiān)測裝置的通信協(xié)議，其主要功能在于將數(shù)據(jù)轉化為與TCP/IP通信協(xié)議[13]相符的數(shù)據(jù)包，經(jīng)RJ45輸出端口與以太網(wǎng)建立連接，經(jīng)相同通道進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)一傳輸，縮短作業(yè)時間。遠程監(jiān)控分析層同網(wǎng)絡通信層采用C/S架構[14]連接起來，向數(shù)據(jù)采集層的設備發(fā)送指令，接收并處理收集到的數(shù)據(jù)，并解釋其規(guī)約，待處理工作結束后將數(shù)據(jù)存儲至開放式數(shù)據(jù)庫。進一步地，該層WEB服務器提供人機交互界面，有故障發(fā)生時發(fā)出報警提醒，作業(yè)人員通過人機交互界面可對系統(tǒng)實時運行情況加以了解，實現(xiàn)網(wǎng)絡化遠程在線監(jiān)控。

作為配電網(wǎng)一次系統(tǒng)的控制電源以及二次系統(tǒng)的工作電源，直流電源的供電網(wǎng)絡幾乎在整個配電網(wǎng)中均有覆蓋，1個元件或線路出現(xiàn)故障或者接地情況，均有引起控制回路、信號回路以及繼保裝置誤動作的風險，所以直流電源系統(tǒng)絕緣在線監(jiān)測裝置對整個系統(tǒng)的正常運行尤為重要，此處對該監(jiān)測任務進行分析，圖4所示為其接線原理。全部傳感器輸出均與數(shù)據(jù)透明轉發(fā)層連接，將數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控模塊的遠程監(jiān)控分析層，對絕緣監(jiān)察回路傳感器的輸出進行實時監(jiān)測，若直流電源系統(tǒng)絕緣水平降低，或有接地故障出現(xiàn)，會巡檢各路傳感器，經(jīng)一系列計算將接地回路、接地極性等信息顯示出來，完成對故障點的檢測，實現(xiàn)有效搶修。

2.3 高頻開關電源與設計

高次諧波的超強干擾以及監(jiān)控設備的不健全等致命缺陷的存在，使得傳統(tǒng)充電電源不能實現(xiàn)整個配電網(wǎng)的自動運作與無人值守，在硅整流充電設備同蓄電池一起運行的狀態(tài)下，蓄電池波紋系數(shù)比較大，這會引發(fā)充放電現(xiàn)象，對蓄電池壽命產生顯著的不利影響，故此處選擇用高頻開關電源將傳統(tǒng)的充電電源替代，圖5所示為其電路結構。

該高頻開關電源包括尖峰抑制與EMI濾波電路[15]、全波整流與濾波器、高頻變換與高頻變壓器等子模塊，圖6所示為其作業(yè)流程。

根據(jù)圖6，為了避免電網(wǎng)中尖峰與諧波干擾串入而對控制電路的正常運行產生負面影響，同時，規(guī)避主開關電路諧波出現(xiàn)并向電網(wǎng)傳輸而對其造成污染，三相380V交流電會先經(jīng)過尖峰抑制與EMI濾波電路，在全橋整流之后轉變?yōu)槊}動直流，受到由濾波電容與電感組成的PLC的影響，將大約為520V的直流電壓輸出。電感具有校正無源功率因數(shù)的功能，在其作用下，模塊功率因數(shù)可達到0.92。經(jīng)過主開關AC/DC電路的處理（所用技術為移相諧振高頻軟開關技術），直流電會進一步轉換為頻率高達50kHz的脈沖電壓，并從變壓器次級輸出，在高頻整流、LC濾波以及EMI濾波的進一步處理之下，高頻脈沖又會轉變?yōu)?20V直流電壓。

為了有效調整輸出電壓，并對輸出電流進行限制，脈寬調制PWM控制電路對電壓電流雙環(huán)控制方式加以采用，這種控制方式可以保證在短路現(xiàn)象發(fā)生時能夠讓回縮電路發(fā)生作用，對模塊進行保護而使其不會損壞，提高其作業(yè)可靠性。此外，PWM控制電路還對交流輸入采樣所得前饋信號進行接收，為電路穩(wěn)定性提供保證。為了達到對模塊輸出的遙調目的，計算機輸出的數(shù)字信號待接受D/A處理后同樣傳送給PWM控制器，讓其據(jù)此調整輸出電壓。當有異常情況被監(jiān)測到時，則發(fā)出停止模塊輸出的指令，對模塊提供可靠保護。

3 系統(tǒng)弱磁控制

在直流電源系統(tǒng)的工作過程中，如果電機的臨界轉動速度對id=0的矢量控制加以采用，若其實際轉速比臨界值大，會增加電樞中的感應電動勢，并經(jīng)弱磁控制生成去磁電流id 將轉子磁鏈削弱，達到降低電樞內感應電動勢的目的，既實現(xiàn)對電樞電壓的穩(wěn)定，又將電機轉速許可范圍拓寬。圖7所示為其基本原理。

圖7中的虛線為電機轉速比臨界值小時的電壓向量圖，如果其轉速比臨界值大，電樞繞組的感應電動勢會變大，達到? ? 的水平，為了讓輸出電壓不發(fā)生變化，需要將去磁電流id注入到電源系統(tǒng)中，達到削弱轉子磁場的目的。直軸電樞反應電勢用 jω2Ldid來表示，方向相反于? ? ，如果在數(shù)量上滿足E1=E2-ω2Ldid，且有ω1Lqiq1=ω2Lqiq2，便可令U1=U2，達到弱磁穩(wěn)壓目的。

單電流調節(jié)器控制遵循以下思路：若電機高速運行，直接將其中一個電流調節(jié)器舍去，僅對一個電流調節(jié)器予以保留。由于交流電流調節(jié)器能夠達到弱磁穩(wěn)壓的目的，故電流調節(jié)器弱磁控制如圖8所示。

圖中，F(xiàn)（u）是d 軸電壓方程式，限幅過程中進行了一個直流電流iq 反饋的設置，對i*q 的限定條件進行計算，避免出現(xiàn)過大電流，用iq max表示所設置的i*q 的最大值，則有：

為了盡可能地優(yōu)化降壓效果，同時，降電壓利用率最大化，應盡量讓電機運行在電壓極值橢圓上，所以在確定交軸電壓控制量u*q 之后，可通過電壓極值Us max將直軸電壓控制量u*q求解出來，這時F（u）表示如下：

圖9所示為閉環(huán)系統(tǒng)示意圖。

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)性能測試

在結束系統(tǒng)設計工作之后，還要進行測試樣機的搭建，執(zhí)行對系統(tǒng)的測試任務，判斷系統(tǒng)是否可行。出于方便與安全調試的目的，采用分模塊的方法搭建測試平臺，單獨測試主要模塊，為其準確性提供保證?？偟脕砜?，對系統(tǒng)的測試工作圍繞電源模塊、采集模塊、控制模塊等展開。此處以AC/DC轉換模塊為例進行系統(tǒng)測試，開關頻率為10kHz，輸入電壓220VAC，負載電阻16Ω，三相電感4mH。另外，應用泰克示波器對a相交流側輸入電壓以及電流波形圖進行測量，得到如圖10所示測試結果。

借助示波器中的功率因數(shù)計算工具計算AC/DC轉換器模塊的功率因數(shù)，得到a相功率因數(shù)98.58%，之后，進一步利用示波器就輸入電壓電流執(zhí)行FFT分析操作，得知其交流側電流的諧波含量I-THD為4.25%。

接下來，結合系統(tǒng)要求對高壓輸出進行測試，輸入電壓與輸出電壓分別為220VAC與-80kVDC，開關頻率在5～50kHz的范圍內，輸出功率8kW，負載10000Ω?；赟DS1102示波器執(zhí)行對系統(tǒng)直流側輸出電壓的測試操作，得到如圖11所示測試結果。

根據(jù)圖11，電壓所達到的目標值具有穩(wěn)定性，可以滿足系統(tǒng)設計要求。

4.2 弱磁控制結果測試

系統(tǒng)性能測試完畢后，進一步對其進行弱磁控制仿真研究，仿真參數(shù)如表1所示，系統(tǒng)輸出220V直流電壓。

設定測試轉速為2200r/min，系統(tǒng)直流側始終可以保持輸出穩(wěn)定的220V高壓直流電。其電流波形如圖12所示。

根據(jù)圖12，相較于id=0控制模式而言，穩(wěn)壓發(fā)電的轉速范圍很顯然地被拓寬，意味著單電流調節(jié)器弱磁控制可以實現(xiàn)高速運行狀態(tài)下有效穩(wěn)壓。

5 結語

近年來，我國配電網(wǎng)電力系統(tǒng)直流電源已將以往落后局面扭轉，在技術性能指標、自動化、工藝及可靠性方面均在國際有一席之地，蓄電池與設備壽命亦相應延長，與無人值守要求越來越貼近。然而，直流電源系統(tǒng)仍有相應問題存在，且科學技術發(fā)展永無止境，今后系統(tǒng)的使用還會有其他新問題出現(xiàn)，這需要直流電源系統(tǒng)實現(xiàn)進一步發(fā)展，文章研究可為相關人員研究及工作提供一定參考。

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