罗艳峰
（中铁建设集团中南建设有限公司，湖北 武汉 430070）
0 引 言
文章采用传统交流供电模式下的无功补偿和控制能力进行低压交直流切换供电系统设计。传统交流供电模式下的无功补偿主要是通过补偿系统中的无功功率来实现，而在低压交直流切换供电模式下的无功补偿则主要是通过补偿电网中的无功功率来实现。通过对电网中的无功功率进行调节，可以有效提高电网末端的电压质量。同时，针对电网末端的低电压治理问题，设计一种低压交直流切换供电系统，该系统可以在交流与直流之间进行平滑切换，从而实现了2 种供电模式下的平滑切换，提升了低电压治理效果。
1 低压交直流切换供电系统
在传统的交流配电方式下，线路的电压降落和有功无功损耗会随着配送距离与传输功率的增大而增大，故线路末端电压很有可能不符合国家供电标准。而采用直流配电方式时，末端电压可以满足电能质量要求，且技术成熟、实施操作难度不大、经济效益好。但在直流配电方式下，多级变流器开关管的开关损耗、导通损耗比较显著。因此，在负荷较小、末端电压正常时，采用直流供电会引入额外的多级变流器损耗，得不偿失。
2 仿真验证
文章采用MATLAB/Simulink 进行仿真验证，电网的电压等级为0.4 kV，负载为200 kW，负荷为100 kW，直流侧电压等级为0.3 kV，负荷为50 kW。在电网末端的交流供电系统中加入直流无功补偿装置，直流侧电流传感器检测电网中的无功功率信息，由传统的交流供电模式变为直流供电模式。当电网中的无功功率发生变化时，检测电网中的无功功率信息，调节无功补偿装置实现对电网中的无功功率进行补偿。由于低压交直流切换供电模式实现了2 种供电模式下的平滑切换，在交流与直流之间进行平滑切换时不会产生电能损耗和谐波污染等问题，具有良好的经济效益与社会效益。
2.1 系统架构
文章设计的低压交直流切换供电系统由2 部分组成，即电源部分和控制部分。其中，电源部分采用Buck 型DC/DC 变换器，通过控制Buck 型DC/DC 变换器在交流侧输出50 Hz、100 Hz 和200 Hz 的交流电。控制部分通过检测输出电压和电流信号，并结合反馈信号计算出低压交直流切换供电系统的参考电压，根据参考电压将直流侧的电能切换至交流侧，在保证供电系统稳定运行的同时，提高供电系统的功率密度。该系统在满足低电压治理要求的同时，可以降低电网运行损耗，提高供电效率。
2.2 电源部分
Buck 型DC/DC 变换器由电感L1和电容C2组成，当输入电压大于输出电压时，L1和C2均为电流源；当输入电压小于输出电压时，L1为电压源，C2为电流源。在进行变换器的设计时，需要考虑开关管的开关频率问题。由于电感L1和电容C2的两端均存在压降，为了保证变换器正常工作，需要对电感L1和电容C2进行有效的补偿。文章采用带隙基准的开关电容电路对其进行补偿，开关电容电路由2 个电容和2 个电感组成，通过对其进行补偿可以降低开关频率对变换器性能的影响。
2.3 控制部分
当输出电压和电流信号满足要求时，根据反馈信号的大小输出相应的直流电，实现交直流供电系统的切换；当输出电压和电流信号不满足要求时，根据反馈信号的大小输出相应的交流电，实现交直流供电系统的切换。该系统由3 个模块组成。一是电压检测模块，用于检测输入电源侧的输出电压；二是电流检测模块，用于检测直流侧的输出电流；三是切换模块，用于控制交流侧的输入电压。控制部分将1 个电源模块、3 个电流检测模块和1 个切换模块串联起来构成低压交直流切换供电系统。
3 交直流切换控制策略
为解决不同电压等级下的系统切换问题，提出了一种交直流切换控制策略。该控制策略在原有交直流混合供电模式的基础上加入了直流侧电压控制环节，实现了交流侧与直流侧之间的协调控制。其中，交流侧为供电系统的核心部分，分别从系统总体架构、交流侧与直流侧电压协调控制策略2 个方面进行介绍。系统整体架构方面，通过将交流侧与直流侧并联和串联实现整个供电系统的功能。AC 侧采用并联形式实现独立运行，DC 侧采用串联形式实现并网运行。同时，为保证交流侧和直流侧的电压相互协调控制，需要设计一种交流侧过电压检测电路对电网电压进行检测。在交直流切换供电模式中，系统以2 种不同的模式运行。一是当系统处于交流模式时，系统仅输出直流电压；二是当系统处于直流模式时，系统将输出交流电压。
通过对系统进行整体控制实现对电网的电压调节。由于在实际应用中存在交流与直流相互影响的问题，因此需要在这2 个控制环节中加入对电网电压调节的作用。为了避免交直流混合供电模式下产生的交直流相互制约问题，可以通过调节电网电压来实现对系统输出电压的调节。通过对电网电压进行实时检测可以实时调节电网电压。设计的交直流切换供电系统如图1 所示，包括送端和受端2 个模块化变流器、各自的切换开关网络和共用的配电线路。因此，需要在储能环节加入相应的控制环节以实现能量流动[1-2]。通过对能量流动控制环节进行设计可以有效抑制交直流相互制约问题[3-5]。
图1 交直流切换供电系统的整体结构
4 系统工作原理
4.1 双向变流器
变流器由二极管钳位型三电平拓扑构成，具有损耗小、体积小、开关纹波低等优势，便于实现模块化和柱上设计。其与交流侧连接，在正常情况下为交流侧提供所需的直流电压。双向变流器主要由三相整流桥、双向二极管、电容以及电感组成。正常情况下，直流母线电压恒定，由于交流侧与直流侧电压均为正弦波，因此交流侧与直流侧电压不会发生明显的变化。当交流侧发生故障时，由于交流侧电压不再为正弦波，因此交流侧的电压将出现波动，并向直流母线注入一定的无功功率。在此过程中，直流母线电压将根据控制系统的指令不断变化。
4.2 同步发电机
在基于电网末端低电压治理的低压交直流切换供电系统中，同步发电机主要用于向交流侧注入无功功率，以改善交流母线电压的稳定性。同步发电机的参数应根据交流电网的电压等级和负载特性来确定。由于存在大量的非线性负载，需要根据不同的负载来调整同步发电机的运行参数，从而确保系统中同步发电机输出电压的稳定性，避免电压剧烈波动对系统造成影响。对此，必须将直流侧所需提供的无功功率控制在一个合理、稳定的范围内。根据同步发电机参数和负载特性来计算所需注入的无功功率，进而确定同步发电机的运行参数。
同步发电机主要由定子和转子2 个部分构成，定子主要负责将三相交流电转换成三相直流电；转子主要负责将三相交流电转换成直流电。同步发电机需要根据不同的故障点来选择相应的运行参数。
4.3 系统控制策略
系统控制策略主要包括交流侧无功功率控制策略、直流侧电压调节控制策略和交流侧与直流侧能量分配控制策略。对于交流侧无功功率控制策略，为实现交流侧电压的稳定，在交流系统发生故障时，控制系统会向直流侧注入一定的无功功率，从而提高直流母线电压。对于直流侧母线电压调节策略，为实现直流母线电压的稳定，在直流母线发生故障时，控制系统会根据不同情况对直流母线电压进行相应的调节，同时会对交流侧和直流侧的能量进行合理分配。
5 结 论
文章提出了一种电网末端低电压治理的低压交直流切换供电系统，该系统由交直流换流器、无源功率变换器和系统控制3 个部分组成。当交流侧输出电压与直流侧输入电压相等时，为负载提供稳定的电压；当交流侧输出电压与直流侧输入电压不等时，利用无源功率变换器改变换流器中的功率流动方向，实现交直流变换。系统控制策略采用基于下垂控制的有源功率变换器控制方式，实现了直流功率的平滑分配。通过搭建仿真模型对系统进行分析，仿真结果表明，该系统能够对电网末端低电压进行有效治理。然而，当在交流侧和直流侧分别接入负载时，由于负载特性存在差异，会对交流侧与直流侧产生影响，导致切换后的系统不能满足需求。因此，后续研究需要对系统进行进一步优化，以满足不同情况下的切换要求。
