变电站直流电源系统现状与展望

刘源俊，杜贵平，黎嘉健，雷雁雄，赖 娜

（华南理工大学电力学院，广州 510641）

变电站直流电源系统（以下简称直流系统）作为站用电的不间断电源系统，为变电站继电保护、自动装置、通信远动和事故照明等提供可靠稳定的电力供应，是变电站安全稳定运行的基本保障。从20世纪70年代前的电动机发电机组供电，到七八十年代的晶闸管整流，再到90年代的高频开关电源[1]，直流系统的效率、功率密度、稳定性和可靠性等大大提高，现已基本采用高频开关电源装置。纵观其发展的历程，每一次大的变革都无不跟随着电力电子器件的发展。从90年代至今，半导体材料已经从Si到第二代半导体材料GaAs，再到第三代的宽禁带半导体材料SiC和GaN[2]，性能不断提升，目前采用高频开关电源装置的直流系统经过20多年的发展，从第一代的GZD系列直流电源系统到第二代的GZDW系列直流电源系统，再到第三代GCFW和KCFW系列直流电压系统[3]，但仍停留在Si器件的应用阶段，而且存在谐波含量大、充电模块故障率高等问题。因此本文针对直流系统现状、关键技术以及存在的问题进行研究，并结合当今的技术条件和发展潮流提出对新一代直流系统的展望。

1 直流系统概况

直流系统主要由交流配电单元、充电模块、蓄电池组、监控单元（包括充电监控、配电监控、绝缘监控和蓄电池巡检等）、降压装置和馈电单元等组成，其结构如图1所示。正常状态下，站用电交流输入由交流配电单元经充电模块整流传输到直流母线上，直流母线分为合闸母线（动力母线）和控制母线。合闸母线为各类直流电动机、断路器合闸机构等供电，供电时电流大至上百安，母线电压会有一定波动；控制母线为各种经常性负荷如电气控制、信号、测量等，母线电压要求质量较高，因此合闸母线电压一般偏高以保证其负荷的电压要求，然后通过自动降压装置连接到控制母线，保证控制母线电压的稳定。同时蓄电池组接在合闸母线上，保持浮充电状态，当发生交流断电或充电模块故障时，直流系统通过蓄电池组经直流母线供电，从而保证变电站安全稳定运行。

交流配电单元由2路交流输入和自动转换开关 ATS（automatic transfer switch）组成[4]，一路作为常用电源，另一路作为备用电源，通过ATS进行切换，输入可采用单相交流输入（220 V/50 Hz）或三相交流输入（380 V/50 Hz），当系统功率较低时可采用单相输入，变电站直流系统常用的是三相输入。充电模块采用高频开关电源装置，结构如图2所示，交流电经过EMI及滤波、整流、功率因数校正PFC（power factor correction）、DC-DC 变换器与滤波得到高质量的直流电。整流电路一般采用三相桥式不控整流，PFC现多使用无源功率因数校正PPFC（passive power factor correction），DC-DC 变换器目前主要使用移相控制PWM DC-DC全桥变换器和全桥LLC谐振变换器，如表1所示。高频开关电源装置相比于90年代前使用的晶闸管整流装置，稳压稳流精度高、交流侧谐波含量小、效率高、滤波器的体积和重量小，现已得到广泛应用。用于直流系统的蓄电池主要有开口式铅酸蓄电池、半封闭的防酸式铅酸蓄电池、隔镍碱性蓄电池以及阀控式铅酸VRLA（valve-regulated lead acid）蓄电池。前2种应用于80年代前，现在已基本淘汰。隔镍碱性蓄电池在80年代中期开始使用，放电倍率高，耐过充和过放[1]，循环使用寿命长，但是单节电压低使电池数量多，而且存在记忆效应，局限了其在变电站直流系统的应用。90年代以后，VRLA电池开始发展与应用，并因其全密封、少维护、不污染环境、可靠性高以及安装方便等优点迅速得到广泛应用[5]，目前基本采用VRLA电池。监控模块分为集中式监控和分布式监控2种方式，主要包括蓄电池巡检、绝缘监测、充电监测和配电监测等。集中式监控还包括集中监测，各监测模块把测量参数输送至集中监测主机。分布式监控方式中各模块相互独立同时利用系统总线进行数据交换，现在多采用集中式监控的方式。降压装置为多只大功率硅整流二极管串联而成的降压硅链，利用继电器控制投入的组数而达到多级调压功能，简单可靠，但这种调压属于有级调压；也可以使用DC-DC变换器实现平滑调压。

表1 现有充电模块的DC-DC变换器Tab.1 Existing DC-DC converters used in the charging module

目前直流系统有220 V、110 V和48 V 3种电压等级，其中48 V一般用于通信电源系统，但是为了直流系统的简化与经济性，通信电源系统现多直接从110 V或220 V的直流系统上通过DC-DC变换器得到48 V电源。110 V直流系统电流较大，导线的截面较大，为满足负荷电压的要求，供电距离较短；220 V直流系统电流较小，导线截面小，供电距离可以更大，但是对绝缘的要求更高，相关直流设备价格更高。

直流系统的主接线方式主要根据蓄电池和充电装置的数量划分，主要有1蓄1充、1蓄2充、2蓄2充和2蓄3充型，接线示意如图3所示。现110～500 kV变电站直流系统均应配置2蓄2充，110 kV以下变电站宜配置1蓄1充，对于重要的电站需要时也可以配置1蓄2充或2蓄2充[6-7]。供电网络接线方式有辐射型和环形2种方式[1]。以往直流系统的供电多采用环形方式，负荷出线多时可减少线材，但不易查找接地故障，供电路径长带来较大线路压降。辐射供电方式的网络接线简单可靠，易于查找接地故障点，所以，近年来多采用辐射供电方式[7]，但是当供电出线较多时，辐射供电方式需要大量的电缆，可采用直流分电柜。

2 关键技术

2.1 高性能充电模块

充电模块采用的是高频开关电源装置，其关键在于DC-DC变换部分通过高频逆变把直流转换为高频交流方波。频率的提高大大减小了隔离变压器和滤波电路的体积，提高了变换器的功率密度与输出稳压稳流精度；然后通过整流得到直流输出。随着频率的提升，开关损耗显得更为突出，软开关技术的出现正好缓解了这个问题，使得变换器的效率、工作频率以及功率密度进一步提高。目前直流系统充电模块软开关实现方案主要采用移相控制PWM DC-DC全桥变换器和全桥LLC谐振变换器。

移相控制PWM DC-DC变换器根据软开关的实现方式分为ZVS型、ZCS型以及ZVZCS型，其电路如图 4（a）、（b）、（c）所示。 ZVS 型充分利用了器件本身的寄生参数，简单且易于实现[8]，但是滞后桥臂实现软开关较难，变压器副边存在占空比丢失问题，导致其输出电压的调节范围受到限制，轻载时难以实现软开关，而且变压器原边存在零状态环流[9]，增加了损耗。文献[10]通过增加辅助缓冲电路，使得滞后桥臂的软开关实现变得相对容易，但是这也牺牲了简单的优点。ZCS型因输入侧存在大升压电感，不存在桥臂直通的危险，无死区时间，副边的二极管可自然实现ZVS，提高了效率，但存在原边侧的零状态环流，带来了一定的通态损耗，谐振电容的电压应力大，与ZVS型一样，变压器副边存在占空比丢失，滞后管软开关的实现较难。ZVZCS型相当于ZVS方式与ZCS方式的结合，超前桥臂实现ZVS，而滞后桥臂可以在任意负载和输入电压变化范围内实现ZCS[11]，零状态时变压器原边没有环流，提高了效率，但是存在死区时间，滞后桥臂的电压应力比较大。全桥LLC谐振变换器电路如图4（d）所示，谐振元件全程参与能量的传输，存在2个谐振频率，可以在全负载范围内实现开关管ZVS而不需要辅助电路，副边的二极管在开关频率位于2个谐振频率之间时自然实现ZCS，工作频率高，EMI噪声小，开关应力小[12-13]。

目前充电模块所使用的开关器件主要有IGBT和MOSFET，IGBT因存在较大的拖尾电流而适合ZCS方案，MOSFET因较大的容性开通损耗而适合ZVS方案。因此移相控制ZVS型PWM DC-DC变换器一般使用MOSFET器件；ZCS型使用IGBT器件；ZVZCS型可超前桥臂使用MOSFET，滞后桥臂使用IGBT达到最佳效率；全桥LLC谐振变换器一般采用MOSFET器件。DC-DC变换器的损耗主要在于开关管开关和通态损耗，反并联二极管和副边整流二极管损耗以及磁性元件的损耗。半导体器件发展至今已经到达第三代的SiC和GaN器件，其参数对比如表2所示[2]。更大的禁带宽度意味着更高的耐压与耐温，更高的电子迁移率可以实现更高的开关频率和更低的导通电阻，更高的热导率带来更好的散热效果，更高的击穿场强可达到更高的耐压水平。因此第三代的SiC和GaN器件相比于传统的Si器件，耐压更高，开关速度更快，导通损耗更小，散热性能更好，而且体积更小，硬度更高，抗辐射能力更强。将SiC和GaN器件应用于变电站直流系统，开发基于新一代器件的充电模块，能够进一步实现更高频化、更高效率和功率密度以及更高功率等级。

表2 半导体材料器件参数对比Tab.2 Comparison of parameters among semiconductor material devices

2.2 均流技术

由于全控型开关器件功率的限制，单个充电模块的功率无法满足需求，需多个充电模块并联运行，因此需采用N+1冗余技术，即使用N个整流模块并联能满足需求时，为提高可靠性，再多并联1个模块，保证其中1个模块故障后，剩下的N个模块仍能满足供电要求[14]。但这带来模块之间的电流不均衡问题，不同模块因内阻、寄生参数等的不一致导致外特性出现一定偏差，如图5所示，恒压模式下，不同模块电流产生比较大的差别，导致部分模块长期工作在重载情况，加速老化甚至发生故障，部分模块长期工作在轻载情况，效率低下，因此需要模块间的均流设计。

目前主要的均流技术有：外特性下垂法、主从模块均流法、平均电流自主均流法、最大电流自主均流法和平均温度应力自动均流法[15-18]。外特性下垂法通过在每个模块的输出侧串联1个电阻，从而拉近各模块的输出外特性，特性曲线如图5所示，其方法简单，但是每个模块都需要匹配合适的电阻，均流效果一般，而且增加了额外的损耗，降低了电压调整率。

主从模块均流法应用于双闭环控制的直流模块中，如图6所示，设置某一模块为主模块，其外电压环得到的控制电压作为所有模块的内电流环的参考电流，而各模块的输出电流近似与这个控制电压成正比，从而实现各模块均流的效果。主从法均流效果较好，但是各模块之间需要进行通讯，提升了复杂性，而且当主模块损坏后无法正常工作，可靠性降低。

平均电流自主均流法中各模块采样输出电流放大后，通过一个电阻Rx接到均流母线上，结构如图7所示。当母线上无电流时，代表各模块电流相等，当母线存在电流时，将导致各模块的Rx上产生压降，压降大小与各模块输出电流和平均电流的差值相关，将此压降接入反馈即可实现各模块的自动均流。平均法均流效果好，但是当某一模块故障或母线短路，将导致其余各模块的电压下调，可能会导致故障。最大电流自主均流法将平均法中的电阻Rx换成了二极管Dx，这样只有电流最大的模块所接二极管导通，使得母线电压Vb=Vi-（为二极管导通压降，i为电流最大的模块编号），其余各模块二极管承受反压，反压的大小与各自输出电流相关，接入反馈即可实现各模块的自动均流，相当于输出电流最大的模块成为主模块，而且主模块是动态变化的，具有了上述2种方法的优点，均流效果、稳定性和可靠性都更优。但是主模块也会根据进行调节，使主模块的均流与其他模块均流存在误差，同时主模块不断更换，二极管的反向恢复电压会带来一定干扰。平均温度应力自动均流法通过加入对各模块温度的考虑，由电流和温度共同控制各模块的输出电流，但是增加了系统的复杂性。

目前应用最多的为最大电流自主均流法，动态响应好、均流精度高且易于实现冗余技术。但当负载较轻时，均流效果变差，部分模块负载较重，部分模块近似空载运行，影响整流模块的使用寿命，而且直流系统作为备用电源，大部分时间下负载率不到15%，各模块的效率较低[19-20]。因此可以采用热备份方法，在轻载时候，减小投入的充电模块数量，使模块工作在较高的负载率下，其他模块处于热备份的状态，当负载突然加重时可以快速投入使用，从而既提高了充电装置的效率，也可以得到更好的均流效果。

2.3 谐波与功率因数校正

根据相关规程[21]的要求，交流侧的高次谐波含量应不大于30%，采用PPFC电路便可满足要求。三相PPFC主要有前置式和后置式[22-23]，但是PPFC只能滤除或补偿固定频率的谐波，而且校正效果易受电网阻抗和负载特性的影响，还有可能会与网侧阻抗对于某些高次谐波产生谐振，而且电流畸变较大，谐波含量大。随着电力系统对于电能质量要求的不断提高，PPFC显然是无法满足需求的。

三相有源功率因数校正APFC（active power factor correction）电路一般根据开关管数量分为单开关和多开关结构[24-28]。单开关结构使用最为广泛的是Boost型PFC电路[27-29]，结构简单，电流包络自动跟踪电压波形，但只能工作在电感电流断续模式，存在较大的噪声和比较大的开关损耗，电流畸变较大，一般应用于小功率场合。多开关结构主要有双开关、三开关、四开关以及六开关结构[24-26,28-31]，PFC效果优于单开关结构，功率因数高，电流畸变小，但电路与控制随开关的数量增多而越发复杂。除此还有组合式的三相PFC结构[27,32]，把三相独立成多个单相电路，然后利用单相PFC技术分别进行功率因数校正，这样对于每一相来说电路与控制都比较简单，而且其中一相出现问题不会影响其他相的正常工作，具有冗余的效果，但是总体结构更复杂，使用器件多，损耗也较大。

目前APFC技术有2种实现形式：一是在整流电路后加DC-DC变换器作为APFC电路；另一种是在整流电路部分同时实现功率因数校正作用，一般称为高功率因数整流器。单开关、双开关、三开关和四开关结构多属于第一种形式，结构与控制相对比较简单，但是会带来多一级的损耗，使得充电模块的整机效率降低。高功率因数整流器主要有六开关结构整流器和三开关结构的Vienna整流器等，如图8所示。但是Vienna整流器的三个开关是双向开关，用2个开关反串联得到，因此也可归为六开关结构。高功率因数整流器能够实现整流与APFC两重功能，减少了一级损耗，可以实现单位功率因数和低谐波含量，同时可以配合先进的控制算法如SVPWM、无差拍控制和模型预测控制[33-34]等，极大提高充电模块的稳态和动态性能。

2.4 智能化直流系统

无人值班变电站的需求使得变电站对于智能化的要求不断提高，要求实现“四遥”等功能，即遥信、遥测、遥控和遥调，而这些功能的实现依赖于直流系统的稳定运行，因此直流系统智能化程度也需要进一步提高。直流系统智能化的实现主要体现在充电模块、监控模块和馈电单元上。对于充电模块，根据规程[6]要求，其主要实现了输入过压和欠压保护、输出过压过流保护、过热保护、带电热插拔、故障告警以及充电模式自动切换等功能，但是故障告警后无法自动切除故障模块。当前对于充电模块的监控仅包括输出电流、电压和温度等参数，然而直流系统充电模块需要长期不间断运行，轻载运行时，电流很小，当需要合闸等操作时，电流大至上百安，充电模块要瞬时提供很大的电流，这种冲击效应加上电路老化造成参数畸变以及电解电容寿命的制约[35]，充电模块的性能会不断下降，如输出稳压稳流精度和纹波系数等。但是对于充电模块内部如电容和电阻等的老化自检软硬件实现难度大[4]，因此可以对输出稳压稳流精度和纹波系数等进行监测，间接反映充电模块的状态，并以此建立充电模块的寿命评估模型，实现故障的预警功能，同时加上充电模块的自动投切功能，将大大提高直流系统的可靠性以及智能化程度。对于馈电单元，若系统采用分段母线方式或双母线方式，正常运行时直流系统Ⅰ、Ⅱ段母线负荷电流不平衡，如Ⅰ段负荷电流大，这增加了直流Ⅰ段母线事故后容量不足的可能性，同时两段母线的负荷电流不平衡，使得负荷电流更大的一段的蓄电池寿命下降更快[36]。因此进一步合理优化各母线的负荷分配，设计母线间负荷的自平衡装置，实现负荷均衡，保证负荷较重段母线的可靠电力供应，将能够提高直流系统的智能化程度，充分利用直流系统总容量。

3 结论与展望

本文通过研究直流系统及其各模块的现状，分析其中关键技术所存在的问题，提出对于新一代的直流系统的展望。

（1）将第三代SiC和GaN宽禁带半导体器件应用于充电模块的DC-DC变换器，进一步提高开关频率，减小变压器和滤波器的体积，提高功率密度。同时结合软开关技术与SiC和GaN器件的更优性能，进一步提升电源效率。采用高功率因数整流器如Vienna整流器或六开关结构整流器替换原本的三相不控整流和PPFC电路，实现低谐波含量和高功率因数，配以诸如模型预测控制等更先进的控制算法，提高直流系统的稳压稳流精度及动态性能。

（2）采用充电模块热备份方法，轻载时减少工作模块的数量，提高充电模块的负载率以及整机效率，同时可以获得更好的轻载均流效果，但是要保证处于热备份状态的模块可以随时快速并可靠投入使用。

（3）提高充电模块的智能化程度，除基本外特性参数外，对其稳压稳流精度和纹波系数等参数进行监测，然后基于这些参数对充电模块进行状态预测，建立模型实现充电模块的寿命评估以及故障预警，同时配备模块的自动投切功能，实现更智能化的控制。除此之外，在馈电单元设计负荷自平衡装置，均衡负荷在各分段母线或各母线上的分配，充分利用直流系统总容量。