用于电网末端低电压治理的低压交直流切换供电系统设计与分析

雷二涛，黄 华，金 莉，马 凯，马 明，赖振宏，易 皓

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510631；2.西安交通大学电气工程学院，陕西 西安 710049)

1 引言

在电网建设初期，居民密度较低的农村地区电力配网的发展相对滞后，存在供电半径大、网架结构薄弱等问题，用电负荷较为分散地分布在配电线路上。此时偏远地区居民为满足生活需要用电，受生活水平的限制，用电量较少，故末端电压降落不明显，且用电设备对供电品质的要求也不高。随着乡村振兴政策的全面推进，农村居民的生活水平明显提高，农业生产也逐步实现现代化，农村配电网的用电需求量，特别是用电峰值激增。图1给出了低压配电网的等效电路结构图，图中R0、L0、C0为线路等效电阻、电感、电容参数。长距离供电线路压降会随着用户功率周期性波动，在用电高峰期，末端电压可能出现较大的偏差。据报道，部分用户低压配送距离可达近2 km ，末端电压可低至170 V左右，这严重影响了末端用户的生产和生活用电质量。

图1 低压配电网等效电路结构图Fig.1 Low-voltage distribution network equivalent circuit

为了解决电网末端用户的低电压问题，现有技术方案主要包括：①新增电源点，形成“小容量、密布点”的格局，同时改造输电线路，缩短供电半径。该方式存在投资大、实施周期长、后期运维困难等不足；②在电网末端配置光储等分布式电源，即在用户侧装设新电源，避免负荷从原有的长距离输电线路获取需求功率。但分布式电源建设成本较高，且存在一定的安全隐患；③在感性负荷密集地区加装无功补偿，减少无功传输带来的电压降落，但无功补偿只是有限地缓解末端低电压问题；④加装有载调压器，在配电线路上串联调压器，通过自耦调压提升末端电压。但调压器容易过载，且电压提升能力有限[1-3]。

随着电力电子技术的迅速发展，在配网线路上增设电力电子变换装置实现直流配电，从而延长供电半径，为偏远地区居民低电压问题的治理提供一定的指导方向[4]。图2为横截面积70 mm2、长2 km的配电线路分别在交流、直流配电方式下配送不同功率时的末端交流相电压曲线图。从图2中可以看出，当配送功率较大时，采用直流配电可以让末端电压符合国家标准。

图2 不同配电方式下输送功率与末端电压曲线图Fig.2 Transmission power and terminal voltage curves under different power distribution modes

建设成本相同时，直流配电系统的输电容量约为交流配电系统的1.5倍[5]；直流配电系统中的用户侧变流器可以保证末端电压基本稳定在额定电压附近，鲁棒性较好；直流输电过程中由于不存在交流线路电抗导致的无功损失，其线路损耗也比交流线路小[6,7]。

此外，由于末端低电压问题随负荷功率而周期性呈现，从减小损耗的角度出发，仅在负荷较重、末端电压偏低时采用直流供电，而电压水平正常时仍采用交流供电，可以有效避免多级电力电子变换产生的损耗。此时如能使交/直流供电模式公用配电线路，仅在两端变流器侧进行合适的开关网络切换实现供电模式的转变，将有助于提升系统的灵活性和经济性。

因此，本文考虑利用电力电子变换和控制技术，通过模块化变流器组和开关网络的配合，在原有线路上构建直流配电路径，依据实时工况实现低压交直流配电模态的转换。论文首先确定了交直流切换供电系统整体结构；其次简要介绍了直流配电中的变流器组拓扑与控制方案；最后设计了一套通过检测两侧线路电气量的变化情况，无需远距离通信联络的开关切换控制逻辑时序，更可靠、更及时地实现交/直流供电模式的自主切换。仿真和实验结果验证了所提方案的可行性。

2 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和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。

因此，从供电效率和末端电压合格率两方面考虑，在末端电压满足要求的轻载情况下采用交流配电方式来减少不必要的损耗，提高供电效率；在末端出现电压偏低问题的重载情况下切换至直流配电方式，利用电力电子变换装置提高末端用户的电压合格率，是一种较为合理的供电方案。

考虑到电网建设的成本与经济性，尽量利用既有线路实现交/直流供电模态的传输线共用是有必要的。因此，本文设计如图3所示的交直流切换供电系统，包括送端和受端两个模块化变流器、各自的切换开关网络和共用的配电线路。配电系统出线端连接送端变流器，利用电力电子整流技术将三相交流电转换成直流电；受端变流器的三相交流出线端连接用电负荷，利用电力电子逆变技术将直流电转换成三相交流电，保证负荷用电质量；两组变流器配合各自的开关网络可以实现交直流配电模式的切换，而共用的配电线路可采用既有线路以降低成本。此外，为提高系统在交流配电模态下两组变流器的利用率，可以使其工作在电能质量补偿模式。

图3 交直流切换供电系统整体结构图Fig.3 AC/DC power distribution modal conversion system

3 变流器组拓扑与控制方案

两端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。变流器结构如图4所示，其直流侧由两个电容串联，分别承担一半的直流电压。由此构成的正、负、N极使得配电线路在直流模式下的电压绝缘等级要求降低，可充分利用原有的配电线路[8]。此拓扑用二极管提供电流回路，各个桥臂与直流侧中点直接相连，不可避免地会造成中点电位的波动，对整个系统的稳定性造成影响，故需要专门对中点电位进行控制。

图4 二级管钳位型三电平变流器拓扑Fig.4 Diode clamped three-level converter topology

3.1 送端变流器的控制方案

送端变流器的控制对象是直流输出电压，既要保证直流侧总电压的恒定，也要保证直流侧正负电压相等。

为保证直流侧总电压控制的快速性与可靠性，可采用双闭环控制方式。增设电流控制环可提高系统的动态响应速度，还能让控制更精确，同时防止过电流的发生。直流总电压外环的输出就是交流侧电流的幅值指令。为消除需要控制的直流侧总电压的静态误差，可采用比例积分(Proportional Integral,PI)调节器；为保证整流器不对电网的功率因数造成影响，即整流器只吸收电网的有功功率，电流指令的参考相位需与电网电压同相，可通过锁相环获取电网电压的相位信号[9]。由此可得到交流侧电流的幅值和相位指令，即矢量指令。因为电流内环是在三相静止坐标系下进行控制，故需采用比例控制器。变流器交流侧电流受被控量和电网电压的双重影响，可利用电网电压前馈的方法加以解决。

在二极管钳位型三电平变流器中，因为三相的开关导通时间不一致，中点上会产生交流电流，同时，直流侧电容容值不一致或者直流配电线路上电流的细小差别也会使得中点电压的波动。如果中点电压波动太明显，对交流侧输出电压波形有影响，还增大功率器件的电压应力，使系统不稳定。故需采取一定的控制方式来平衡变流器的中点电位。本方案采用在正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)的调制波上叠加零序分量的控制方式达到中点电位平衡的效果。假定直流侧正负极电容相等，即C1=C2=C。如图4所示，由基尔霍夫电流定律可得：

(1)

(2)

式(2)中的开关函数为量化的数字量，可采用在一个开关周期取平均值的平均状态空间法进行分析：

(3)

已知dik∈[0,1]，则：

(d1b+d4b)isb+(d1c+d4c)isc

(4)

由式(4)可知，当正极电容电压UC1比负极电容电压UC2大时，为使两者达到平衡，应叠加负的电流直流分量；反之，应叠加正的电流直流分量。PI控制器的输出即为应该注入的零序分量值。

综上，图5为送端变流器的控制框图，图中Udc*为给定直流侧总电压，Udc为实际检测到的三电平变流器直流侧总电压，|i*|为给定交流电流幅值，sinθ为给定交流电流相位，ik*为给定三相交流电流(k=a,b,c)，isk为实际检测到的三相交流电流，usk为实际检测到的网侧三相交流电压。该控制框图包括直流电压外环反馈、电流内环反馈、中点电位反馈以及交流电压前馈四个部分。送端变流器的控制策略能快速地将直流侧总电压稳定在给定值附近，也能保证直流侧两个电容电压大致相等。

图5 送端变流器控制框图Fig.5 Control block diagram of sending-end converter

3.2 受端变流器在直流配电状态下的控制方案

受端变流器在直流配电状态下的控制对象是负荷侧三相交流输出电压，即逆变出合格的支撑电压为负载供电。

三相静止坐标系下的时变交流量不利于控制系统设计。为此，可以通过坐标变换将三相静止坐标系中的时变交流量转化成两相(dq)旋转坐标系下的直流量。派克变换后，同步旋转坐标系下的交流侧变量可表示为：

(5)

式中，L为变流器交流侧滤波电感值；isd、isq分别为交流侧输出电流的d、q轴分量；und、unq分别为交流侧输出电压的d、q轴分量；ω为基波角频率；uld、ulq分别为负载侧电压的d、q轴分量。

坐标变换后，静止坐标系下的三相状态方程降阶成两相，但状态方程之间产生了耦合。可用实时检测到的交流侧输出电流进行补偿，实现电流的解耦控制，以消除电流之间的相互影响，简化控制器设计。式(5)可以看出变流器交流侧输出电流受负载端电压影响，同样可以通过电压前馈控制解决。

不平衡负载下，负载端电压可能存在负序、零序以及谐波分量。由式(5)可知，在三相静止坐标系下以某一角速度旋转的基波分量经过派克变换后，与以该角速度旋转的dq轴保持相对静止，在两相同步旋转dq坐标系下表现为直流。故可将负载端的三相不平衡电压同步到两相正、负序旋转 dq 坐标系下，得到正、负序输出电压的 dq 轴分量，然后分别加以控制。在两相同步旋转坐标系下，采用闭环反馈PI控制器使正、负序输出电压的 dq 轴分量准确地达到参考值，利用传统双环控制策略对输出电压中的正序分量进行快速准确地调节和控制[10,11]。

综上，受端变流器在直流配电状态下的整体控制框图如图6所示，图6中，Ul为实际检测到的负载侧电压，ω*为给定电压基波角频率，θ*为给定电压相位，Uld+、Ulq+、Uld-、Ulq-分别为提取到的负载侧电压正、负序dq轴分量，Id+、Iq+分别为提取到的变流器交流侧电流正序dq轴分量，Ud*、Uq*分别为给定负载侧电压正序dq轴分量，Id*、Iq*分别为给定交流侧电流正序dq轴分量。该控制框图分为正序控制和负序控制两环节，其中正序控制环节包括了交流电压外环反馈、电流内环反馈、电流解耦控制以及负载电压前馈四部分。受端变流器在直流配电状态下的控制策略实现了受端变流器输出电压正负序分量的无差调节，改善了不平衡负载下的电压畸变。

图6 受端变流器在直流配电状态下的控制框图Fig.6 Control block diagram of receiving-end converter in DC power distribution state

3.3 受端变流器在交流配电状态下的控制方案

受端变流器在交流配电状态下与负载并联，为提高利用率，可以控制三相交流输出电流，从而能够快速准确地补偿负载中的无功、谐波以及不平衡分量，改善电网侧的输出电流[12]。

该控制策略需对负载电流中的基波正序有功功率进行提取，与原负载电流相减得到电网侧不期望输出的其余分量，将其作为受端变流器的参考输出，使电网只提供负载需要的有功功率，以实现对电网电能质量的有效控制[13,14]。受端变流器不仅要逆变输出不平衡分量和无功，还要从电网吸收一定的有功功率来维持直流侧电压，弥补由开关管开断、导通造成的有功损耗。直流侧电压的偏差通过PI调节器得到有功电流指令，负载侧电流经过检测模块得到无功、谐波以及不平衡分量作为补偿电流指令，最后再加上均压控制指令得到最终的电流指令值，输入到电流控制器中。

综上，受端变流器在交流配电状态下对应的控制框图如图7所示，Iref*为给定交流电流的基波分量，ilk为实际检测到的三相负载电流，Irefun*为提取到的负载电流的不平衡分量。该控制框图包括直流电压外环反馈、补偿电流提取以及中点电位反馈三个部分。受端变流器在交流配电状态下的控制策略能有效补偿负载端电压不平衡，提高电网侧电能质量。

图7 受端变流器在交流配电状态下的控制框图Fig.7 Control block diagram of receiving-end converter in AC power distribution state

4 交直流配电模态转换的切换控制策略

如前所述，系统仅在重载、末端电压偏低时进入直流配电方式，有助于提高供电系统效率，因此，有必要根据系统运行工况进行交/直流模态的相互切换。由于供电侧和负载端相距较远，交直流模态切换又要求较高的实时性和平滑性以保证负荷不断电，因此基于通信联络的状态交互与切换既不可靠也不及时，构建单独的通信线路也不是经济的方案[15]。因此，采用两端变流器分别检测各自的电压电流变化情况，进而自主地依据合理的动作逻辑确定两侧开关网络切动作便成为了一种简单、可靠的交直流模态切换方案。

4.1 交流配电切换为直流配电

当用电负荷较少，末端电压合格时采用交流配电方式；当用电负荷激增，处于用电高峰期，末端电压不满足要求时，需通过两侧开关的配合切换至直流配电方式。

由交流配电方式切换至直流配电方式的逻辑时序为：①当线路末端电压偏低时，负载侧的相关检测装置会在第一时间检测到并控制开关S5的关断，开关S5开始动作；②为了减小末端用户在切换过程中的掉电时间，给开关S5发送指令的同时通过同侧通信给开关S3也发送指令闭合开关S3，此时由受端变流器利用直流侧储存的能量给末端用户供电；③在开关S5断开后，开关S4检测到线路上的电流骤降为零后执行关断。待开关S4完全断开后，送端变流器直流侧开关S1输出侧(靠近线路侧)检测到中间线路无电压支撑后导通，线路上的电压将变为±350 V的直流电压；④当开关S2的输入侧(靠近线路侧)检测到其电压由交流变为直流后导通，至此，系统从交流配电方式切换到直流配电方式。因为末端用户可人为拉闸，导致线路出现空载的情况，此时开关S4会检测到电流降为零关断，此后开关S1也会闭合。但开关S5未关断，直流电压会通过开关S5传到用户侧。为防止这种情况出现，开关S5的输入侧(靠近线路侧)在检测到直流电压后应立马自动断开。

4.2 直流配电切换为交流配电

在重载情况下，采用直流配电方式为末端用户供电，随着用电负荷的减少，直流配电的损耗影响愈发突出，在此情况下采用交流配电方式末端电压也能合格时，将两端变流器从系统中切除，系统切换至交流配电方式。

由直流配电方式切换至交流配电方式的逻辑时序为：①开关S2侧的电流检测装置检测到中间输电线路上的电流偏低，便给开关S2发送开断指令；②待开关S2动作完成后，开关S1的输出侧(靠近线路侧)的电流将降为零，断开开关S1；③在S1和S2完全断开后，通过同侧通信给开关S4发送导通指令，待开关S4导通后线路上的电压变为三相交流电压；④通过检测开关S5的输入侧(靠近线路侧)的电压由直变交后导通开关S5，接着通过同侧通信给开关S3发送开断指令。至此，系统从直流配电方式切换至交流配电方式。

5 仿真结果

为了验证交直流切换供电系统的可行性，在Matlab/Simulink平台上搭建如图3所示的仿真模型，采用LCL滤波器，部分关键参数值见表1。

表1 仿真关键参数Tab.1 Key parameters of simulation

图8为轻载到重载下由交流模态切换为直流模态的切换节点仿真波形图(开关控制信号中高电平为开通信号，低电平为断开信号；中间线路左侧即图3中a1、b1、c1处；中间线路右侧即图3中a2、b2、c2处)，表2为对应的开关逻辑时序表。

图8 交流切换为直流仿真波形图Fig.8 AC to DC simulation waveform diagram

表2 交流配电切换为直流配电的开关时序表Tab.2 Logic table for switching AC to DC

从仿真波形中可以看到，中间长距离配电线路从交流切换为直流。交流断路器在接收到关断信号后，经过首个电流过零点才完全断开。交流配电方式转换成直流配电方式后，负载侧电压幅值从269.7 V上升到309.3 V，符合国家电压标准，直流配电方式下负载侧电压总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)为2.12%，满足要求。

图9为重载到轻载下由直流模态切换为交流模态的切换节点仿真波形图，表3为对应的开关逻辑时序表。

图9 直流切换为交流仿真波形图Fig.9 DC to AC simulation waveform diagram

表3 直流配电切换为交流配电的开关时序表Tab.3 Logic table for switching DC to AC

从仿真波形中可以看到，中间长距离配电线路从直流切换为交流。在t=0.65 s时开断正常工作的直流侧开关S2，因其两端并联了吸能支路，故开断瞬间产生的电压冲击较小，保证了相关元器件的安全。从交流模态到直流模态负载端电压幅值没有太大的变化，都符合国家电压标准。

由仿真结果可知，本文设计的交直流切换供电系统能在重载、末端电压偏低时投入变流器，用直流配电模态改善末端用户电压合格率；在轻载、末端电压合格时将变流器旁路，用交流配电模态提高供电效率。

6 实验结果

为了进一步验证所设计的交直流切换供电系统的有效性，搭建了如图10所示的实验平台。因实验室条件的限制，该装置在较低的电压等级下工作，完成了功能性的验证，实验的部分参数值见表4。

表4 实验平台关键参数Tab.4 Key parameters of experiment platform

图10 低压交直流切换供电系统实验平台图Fig.10 Experimental platform of low-voltage AC/DC switching power supply system

一开始系统处于交流工作模态，此时给定切换控制信号，使系统切换至直流工作模态，切换过程中相关电压波形如图11所示。

图11 交流切换为直流实验波形Fig.11 AC to DC experimental waveform

t1时刻给交流断路器S5发送关断指令，延迟半个周期确保S5完全断开后，在t2时刻接入开始逆变的受端变流器，并断开交流断路器S4。t2～t3阶段由受端变流器给负载短暂供电，受端变流器直流侧电压开始下降。t3时刻直流输电路径完全导通，之后系统就进入直流工作模态。在交流工作模态下受端变流器控制了直流侧电压，故转换为直流工作模态其直流侧电压会因线路压降有些许下降。

系统处于直流工作模态，此时给定切换控制信号，使系统切换至交流工作模态，切换过程中相关电压波形如图12所示。

图12 直流切换为交流实验波形Fig.12 DC to AC experimental waveform

t1时刻给直流断路器S1发送关断指令，之后受端变流器依靠其直流侧电容存储的能量逆变给负载供电，故其直流侧电压大幅下降。t2时刻闭锁受端变流器脉冲，延迟一段时间后于t3时刻闭合交流断路器S5，受端变流器短暂进入不控整流阶段，直流侧电压上升。之后交流输电路径完全导通，系统进入交流工作模态。

实验结果表明，通过模块化变流器组和开关网络的配合进行组态设计与切换，能实现低压配电网的交直流配电模态的转换，且在转换过程中利用受端变流器存储的能量能减小负载失电时间，切换过程较为平滑。

7 结论

随着偏远地区用电负荷的逐渐增大，远距离配电线路压降明显，解决末端低压问题迫在眉睫。本文在不改动原有配电线路的基础上构建直流配电方案，利用低压模块化变流器实现了低压直流配电所需的送端与受端电能变换，延长了供电半径，提高了末端用户的电压合格率[16]。基于切换开关网络，本文设计了无通信的交直流配电模态切换方案与控制时序，实现轻载下的交流配电与重载下的直流配电自适应切换[17]。仿真和实验结果验证了这种方案的可行性。