雷二濤，黃 華，金 莉，馬 凱，馬 明，賴振宏，易 皓

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510631；2.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

1 引言

在電網(wǎng)建設(shè)初期，居民密度較低的農(nóng)村地區(qū)電力配網(wǎng)的發(fā)展相對(duì)滯后，存在供電半徑大、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)薄弱等問(wèn)題，用電負(fù)荷較為分散地分布在配電線路上。此時(shí)偏遠(yuǎn)地區(qū)居民為滿足生活需要用電，受生活水平的限制，用電量較少，故末端電壓降落不明顯，且用電設(shè)備對(duì)供電品質(zhì)的要求也不高。隨著鄉(xiāng)村振興政策的全面推進(jìn)，農(nóng)村居民的生活水平明顯提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也逐步實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，農(nóng)村配電網(wǎng)的用電需求量，特別是用電峰值激增。圖1給出了低壓配電網(wǎng)的等效電路結(jié)構(gòu)圖，圖中R0、L0、C0為線路等效電阻、電感、電容參數(shù)。長(zhǎng)距離供電線路壓降會(huì)隨著用戶功率周期性波動(dòng)，在用電高峰期，末端電壓可能出現(xiàn)較大的偏差。據(jù)報(bào)道，部分用戶低壓配送距離可達(dá)近2 km ，末端電壓可低至170 V左右，這嚴(yán)重影響了末端用戶的生產(chǎn)和生活用電質(zhì)量。

圖1 低壓配電網(wǎng)等效電路結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Low-voltage distribution network equivalent circuit

為了解決電網(wǎng)末端用戶的低電壓?jiǎn)栴}，現(xiàn)有技術(shù)方案主要包括：①新增電源點(diǎn)，形成“小容量、密布點(diǎn)”的格局，同時(shí)改造輸電線路，縮短供電半徑。該方式存在投資大、實(shí)施周期長(zhǎng)、后期運(yùn)維困難等不足；②在電網(wǎng)末端配置光儲(chǔ)等分布式電源，即在用戶側(cè)裝設(shè)新電源，避免負(fù)荷從原有的長(zhǎng)距離輸電線路獲取需求功率。但分布式電源建設(shè)成本較高，且存在一定的安全隱患；③在感性負(fù)荷密集地區(qū)加裝無(wú)功補(bǔ)償，減少無(wú)功傳輸帶來(lái)的電壓降落，但無(wú)功補(bǔ)償只是有限地緩解末端低電壓?jiǎn)栴}；④加裝有載調(diào)壓器，在配電線路上串聯(lián)調(diào)壓器，通過(guò)自耦調(diào)壓提升末端電壓。但調(diào)壓器容易過(guò)載，且電壓提升能力有限[1-3]。

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，在配網(wǎng)線路上增設(shè)電力電子變換裝置實(shí)現(xiàn)直流配電，從而延長(zhǎng)供電半徑，為偏遠(yuǎn)地區(qū)居民低電壓?jiǎn)栴}的治理提供一定的指導(dǎo)方向[4]。圖2為橫截面積70 mm2、長(zhǎng)2 km的配電線路分別在交流、直流配電方式下配送不同功率時(shí)的末端交流相電壓曲線圖。從圖2中可以看出，當(dāng)配送功率較大時(shí)，采用直流配電可以讓末端電壓符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 不同配電方式下輸送功率與末端電壓曲線圖Fig.2 Transmission power and terminal voltage curves under different power distribution modes

建設(shè)成本相同時(shí)，直流配電系統(tǒng)的輸電容量約為交流配電系統(tǒng)的1.5倍[5]；直流配電系統(tǒng)中的用戶側(cè)變流器可以保證末端電壓基本穩(wěn)定在額定電壓附近，魯棒性較好；直流輸電過(guò)程中由于不存在交流線路電抗導(dǎo)致的無(wú)功損失，其線路損耗也比交流線路小[6,7]。

此外，由于末端低電壓?jiǎn)栴}隨負(fù)荷功率而周期性呈現(xiàn)，從減小損耗的角度出發(fā)，僅在負(fù)荷較重、末端電壓偏低時(shí)采用直流供電，而電壓水平正常時(shí)仍采用交流供電，可以有效避免多級(jí)電力電子變換產(chǎn)生的損耗。此時(shí)如能使交/直流供電模式公用配電線路，僅在兩端變流器側(cè)進(jìn)行合適的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)切換實(shí)現(xiàn)供電模式的轉(zhuǎn)變，將有助于提升系統(tǒng)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性。

因此，本文考慮利用電力電子變換和控制技術(shù)，通過(guò)模塊化變流器組和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的配合，在原有線路上構(gòu)建直流配電路徑，依據(jù)實(shí)時(shí)工況實(shí)現(xiàn)低壓交直流配電模態(tài)的轉(zhuǎn)換。論文首先確定了交直流切換供電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)；其次簡(jiǎn)要介紹了直流配電中的變流器組拓?fù)渑c控制方案；最后設(shè)計(jì)了一套通過(guò)檢測(cè)兩側(cè)線路電氣量的變化情況，無(wú)需遠(yuǎn)距離通信聯(lián)絡(luò)的開(kāi)關(guān)切換控制邏輯時(shí)序，更可靠、更及時(shí)地實(shí)現(xiàn)交/直流供電模式的自主切換。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方案的可行性。

2 交直流切換供電系統(tǒng)

在傳統(tǒng)的交流配電方式下，線路的電壓降落和有功無(wú)功損耗會(huì)隨著配送距離和傳輸功率的增大而增大，故線路末端電壓很有可能不符合國(guó)家供電標(biāo)準(zhǔn)。而采用直流配電方式末端電壓可以滿足電能質(zhì)量要求，且技術(shù)成熟、實(shí)施操作難度不大、經(jīng)濟(jì)效益好。但在直流配電方式下，多級(jí)變流器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗、導(dǎo)通損耗比較顯著。因此，在負(fù)荷較小、末端電壓正常時(shí)，采用直流供電會(huì)引入額外的多級(jí)變流器損耗，得不償失。

因此，從供電效率和末端電壓合格率兩方面考慮，在末端電壓滿足要求的輕載情況下采用交流配電方式來(lái)減少不必要的損耗，提高供電效率；在末端出現(xiàn)電壓偏低問(wèn)題的重載情況下切換至直流配電方式，利用電力電子變換裝置提高末端用戶的電壓合格率，是一種較為合理的供電方案。

考慮到電網(wǎng)建設(shè)的成本與經(jīng)濟(jì)性，盡量利用既有線路實(shí)現(xiàn)交/直流供電模態(tài)的傳輸線共用是有必要的。因此，本文設(shè)計(jì)如圖3所示的交直流切換供電系統(tǒng)，包括送端和受端兩個(gè)模塊化變流器、各自的切換開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)和共用的配電線路。配電系統(tǒng)出線端連接送端變流器，利用電力電子整流技術(shù)將三相交流電轉(zhuǎn)換成直流電；受端變流器的三相交流出線端連接用電負(fù)荷，利用電力電子逆變技術(shù)將直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電，保證負(fù)荷用電質(zhì)量；兩組變流器配合各自的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)交直流配電模式的切換，而共用的配電線路可采用既有線路以降低成本。此外，為提高系統(tǒng)在交流配電模態(tài)下兩組變流器的利用率，可以使其工作在電能質(zhì)量補(bǔ)償模式。

圖3 交直流切換供電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 AC/DC power distribution modal conversion system

3 變流器組拓?fù)渑c控制方案

兩端變流器由二極管鉗位型三電平拓?fù)錁?gòu)成，具有損耗小、體積小、開(kāi)關(guān)紋波低等優(yōu)勢(shì)，便于實(shí)現(xiàn)模塊化和柱上設(shè)計(jì)。變流器結(jié)構(gòu)如圖4所示，其直流側(cè)由兩個(gè)電容串聯(lián)，分別承擔(dān)一半的直流電壓。由此構(gòu)成的正、負(fù)、N極使得配電線路在直流模式下的電壓絕緣等級(jí)要求降低，可充分利用原有的配電線路[8]。此拓?fù)溆枚O管提供電流回路，各個(gè)橋臂與直流側(cè)中點(diǎn)直接相連，不可避免地會(huì)造成中點(diǎn)電位的波動(dòng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響，故需要專門對(duì)中點(diǎn)電位進(jìn)行控制。

圖4 二級(jí)管鉗位型三電平變流器拓?fù)銯ig.4 Diode clamped three-level converter topology

3.1 送端變流器的控制方案

送端變流器的控制對(duì)象是直流輸出電壓，既要保證直流側(cè)總電壓的恒定，也要保證直流側(cè)正負(fù)電壓相等。

為保證直流側(cè)總電壓控制的快速性與可靠性，可采用雙閉環(huán)控制方式。增設(shè)電流控制環(huán)可提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，還能讓控制更精確，同時(shí)防止過(guò)電流的發(fā)生。直流總電壓外環(huán)的輸出就是交流側(cè)電流的幅值指令。為消除需要控制的直流側(cè)總電壓的靜態(tài)誤差，可采用比例積分(Proportional Integral,PI)調(diào)節(jié)器；為保證整流器不對(duì)電網(wǎng)的功率因數(shù)造成影響，即整流器只吸收電網(wǎng)的有功功率，電流指令的參考相位需與電網(wǎng)電壓同相，可通過(guò)鎖相環(huán)獲取電網(wǎng)電壓的相位信號(hào)[9]。由此可得到交流側(cè)電流的幅值和相位指令，即矢量指令。因?yàn)殡娏鲀?nèi)環(huán)是在三相靜止坐標(biāo)系下進(jìn)行控制，故需采用比例控制器。變流器交流側(cè)電流受被控量和電網(wǎng)電壓的雙重影響，可利用電網(wǎng)電壓前饋的方法加以解決。

在二極管鉗位型三電平變流器中，因?yàn)槿嗟拈_(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間不一致，中點(diǎn)上會(huì)產(chǎn)生交流電流，同時(shí)，直流側(cè)電容容值不一致或者直流配電線路上電流的細(xì)小差別也會(huì)使得中點(diǎn)電壓的波動(dòng)。如果中點(diǎn)電壓波動(dòng)太明顯，對(duì)交流側(cè)輸出電壓波形有影響，還增大功率器件的電壓應(yīng)力，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。故需采取一定的控制方式來(lái)平衡變流器的中點(diǎn)電位。本方案采用在正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulation,SPWM)的調(diào)制波上疊加零序分量的控制方式達(dá)到中點(diǎn)電位平衡的效果。假定直流側(cè)正負(fù)極電容相等，即C1=C2=C。如圖4所示，由基爾霍夫電流定律可得：

(1)

(2)

式(2)中的開(kāi)關(guān)函數(shù)為量化的數(shù)字量，可采用在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期取平均值的平均狀態(tài)空間法進(jìn)行分析：

(3)

已知dik∈[0,1]，則：

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

(4)

由式(4)可知，當(dāng)正極電容電壓UC1比負(fù)極電容電壓UC2大時(shí)，為使兩者達(dá)到平衡，應(yīng)疊加負(fù)的電流直流分量；反之，應(yīng)疊加正的電流直流分量。PI控制器的輸出即為應(yīng)該注入的零序分量值。

綜上，圖5為送端變流器的控制框圖，圖中Udc*為給定直流側(cè)總電壓，Udc為實(shí)際檢測(cè)到的三電平變流器直流側(cè)總電壓，|i*|為給定交流電流幅值，sinθ為給定交流電流相位，ik*為給定三相交流電流(k=a,b,c)，isk為實(shí)際檢測(cè)到的三相交流電流，usk為實(shí)際檢測(cè)到的網(wǎng)側(cè)三相交流電壓。該控制框圖包括直流電壓外環(huán)反饋、電流內(nèi)環(huán)反饋、中點(diǎn)電位反饋以及交流電壓前饋四個(gè)部分。送端變流器的控制策略能快速地將直流側(cè)總電壓穩(wěn)定在給定值附近，也能保證直流側(cè)兩個(gè)電容電壓大致相等。

圖5 送端變流器控制框圖Fig.5 Control block diagram of sending-end converter

3.2 受端變流器在直流配電狀態(tài)下的控制方案

受端變流器在直流配電狀態(tài)下的控制對(duì)象是負(fù)荷側(cè)三相交流輸出電壓，即逆變出合格的支撐電壓為負(fù)載供電。

三相靜止坐標(biāo)系下的時(shí)變交流量不利于控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為此，可以通過(guò)坐標(biāo)變換將三相靜止坐標(biāo)系中的時(shí)變交流量轉(zhuǎn)化成兩相(dq)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流量。派克變換后，同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交流側(cè)變量可表示為：

(5)

式中，L為變流器交流側(cè)濾波電感值；isd、isq分別為交流側(cè)輸出電流的d、q軸分量；und、unq分別為交流側(cè)輸出電壓的d、q軸分量；ω為基波角頻率；uld、ulq分別為負(fù)載側(cè)電壓的d、q軸分量。

坐標(biāo)變換后，靜止坐標(biāo)系下的三相狀態(tài)方程降階成兩相，但狀態(tài)方程之間產(chǎn)生了耦合?？捎脤?shí)時(shí)檢測(cè)到的交流側(cè)輸出電流進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)電流的解耦控制，以消除電流之間的相互影響，簡(jiǎn)化控制器設(shè)計(jì)。式(5)可以看出變流器交流側(cè)輸出電流受負(fù)載端電壓影響，同樣可以通過(guò)電壓前饋控制解決。

不平衡負(fù)載下，負(fù)載端電壓可能存在負(fù)序、零序以及諧波分量。由式(5)可知，在三相靜止坐標(biāo)系下以某一角速度旋轉(zhuǎn)的基波分量經(jīng)過(guò)派克變換后，與以該角速度旋轉(zhuǎn)的dq軸保持相對(duì)靜止，在兩相同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下表現(xiàn)為直流。故可將負(fù)載端的三相不平衡電壓同步到兩相正、負(fù)序旋轉(zhuǎn) dq 坐標(biāo)系下，得到正、負(fù)序輸出電壓的 dq 軸分量，然后分別加以控制。在兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，采用閉環(huán)反饋PI控制器使正、負(fù)序輸出電壓的 dq 軸分量準(zhǔn)確地達(dá)到參考值，利用傳統(tǒng)雙環(huán)控制策略對(duì)輸出電壓中的正序分量進(jìn)行快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)和控制[10,11]。

綜上，受端變流器在直流配電狀態(tài)下的整體控制框圖如圖6所示，圖6中，Ul為實(shí)際檢測(cè)到的負(fù)載側(cè)電壓，ω*為給定電壓基波角頻率，θ*為給定電壓相位，Uld+、Ulq+、Uld-、Ulq-分別為提取到的負(fù)載側(cè)電壓正、負(fù)序dq軸分量，Id+、Iq+分別為提取到的變流器交流側(cè)電流正序dq軸分量，Ud*、Uq*分別為給定負(fù)載側(cè)電壓正序dq軸分量，Id*、Iq*分別為給定交流側(cè)電流正序dq軸分量。該控制框圖分為正序控制和負(fù)序控制兩環(huán)節(jié)，其中正序控制環(huán)節(jié)包括了交流電壓外環(huán)反饋、電流內(nèi)環(huán)反饋、電流解耦控制以及負(fù)載電壓前饋四部分。受端變流器在直流配電狀態(tài)下的控制策略實(shí)現(xiàn)了受端變流器輸出電壓正負(fù)序分量的無(wú)差調(diào)節(jié)，改善了不平衡負(fù)載下的電壓畸變。

圖6 受端變流器在直流配電狀態(tài)下的控制框圖Fig.6 Control block diagram of receiving-end converter in DC power distribution state

3.3 受端變流器在交流配電狀態(tài)下的控制方案

受端變流器在交流配電狀態(tài)下與負(fù)載并聯(lián)，為提高利用率，可以控制三相交流輸出電流，從而能夠快速準(zhǔn)確地補(bǔ)償負(fù)載中的無(wú)功、諧波以及不平衡分量，改善電網(wǎng)側(cè)的輸出電流[12]。

該控制策略需對(duì)負(fù)載電流中的基波正序有功功率進(jìn)行提取，與原負(fù)載電流相減得到電網(wǎng)側(cè)不期望輸出的其余分量，將其作為受端變流器的參考輸出，使電網(wǎng)只提供負(fù)載需要的有功功率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的有效控制[13,14]。受端變流器不僅要逆變輸出不平衡分量和無(wú)功，還要從電網(wǎng)吸收一定的有功功率來(lái)維持直流側(cè)電壓，彌補(bǔ)由開(kāi)關(guān)管開(kāi)斷、導(dǎo)通造成的有功損耗。直流側(cè)電壓的偏差通過(guò)PI調(diào)節(jié)器得到有功電流指令，負(fù)載側(cè)電流經(jīng)過(guò)檢測(cè)模塊得到無(wú)功、諧波以及不平衡分量作為補(bǔ)償電流指令，最后再加上均壓控制指令得到最終的電流指令值，輸入到電流控制器中。

綜上，受端變流器在交流配電狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的控制框圖如圖7所示，Iref*為給定交流電流的基波分量，ilk為實(shí)際檢測(cè)到的三相負(fù)載電流，Irefun*為提取到的負(fù)載電流的不平衡分量。該控制框圖包括直流電壓外環(huán)反饋、補(bǔ)償電流提取以及中點(diǎn)電位反饋三個(gè)部分。受端變流器在交流配電狀態(tài)下的控制策略能有效補(bǔ)償負(fù)載端電壓不平衡，提高電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量。

圖7 受端變流器在交流配電狀態(tài)下的控制框圖Fig.7 Control block diagram of receiving-end converter in AC power distribution state

4 交直流配電模態(tài)轉(zhuǎn)換的切換控制策略

如前所述，系統(tǒng)僅在重載、末端電壓偏低時(shí)進(jìn)入直流配電方式，有助于提高供電系統(tǒng)效率，因此，有必要根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行工況進(jìn)行交/直流模態(tài)的相互切換。由于供電側(cè)和負(fù)載端相距較遠(yuǎn)，交直流模態(tài)切換又要求較高的實(shí)時(shí)性和平滑性以保證負(fù)荷不斷電，因此基于通信聯(lián)絡(luò)的狀態(tài)交互與切換既不可靠也不及時(shí)，構(gòu)建單獨(dú)的通信線路也不是經(jīng)濟(jì)的方案[15]。因此，采用兩端變流器分別檢測(cè)各自的電壓電流變化情況，進(jìn)而自主地依據(jù)合理的動(dòng)作邏輯確定兩側(cè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)切動(dòng)作便成為了一種簡(jiǎn)單、可靠的交直流模態(tài)切換方案。

4.1 交流配電切換為直流配電

當(dāng)用電負(fù)荷較少，末端電壓合格時(shí)采用交流配電方式；當(dāng)用電負(fù)荷激增，處于用電高峰期，末端電壓不滿足要求時(shí)，需通過(guò)兩側(cè)開(kāi)關(guān)的配合切換至直流配電方式。

由交流配電方式切換至直流配電方式的邏輯時(shí)序?yàn)椋孩佼?dāng)線路末端電壓偏低時(shí)，負(fù)載側(cè)的相關(guān)檢測(cè)裝置會(huì)在第一時(shí)間檢測(cè)到并控制開(kāi)關(guān)S5的關(guān)斷，開(kāi)關(guān)S5開(kāi)始動(dòng)作；②為了減小末端用戶在切換過(guò)程中的掉電時(shí)間，給開(kāi)關(guān)S5發(fā)送指令的同時(shí)通過(guò)同側(cè)通信給開(kāi)關(guān)S3也發(fā)送指令閉合開(kāi)關(guān)S3，此時(shí)由受端變流器利用直流側(cè)儲(chǔ)存的能量給末端用戶供電；③在開(kāi)關(guān)S5斷開(kāi)后，開(kāi)關(guān)S4檢測(cè)到線路上的電流驟降為零后執(zhí)行關(guān)斷。待開(kāi)關(guān)S4完全斷開(kāi)后，送端變流器直流側(cè)開(kāi)關(guān)S1輸出側(cè)(靠近線路側(cè))檢測(cè)到中間線路無(wú)電壓支撐后導(dǎo)通，線路上的電壓將變?yōu)椤?50 V的直流電壓；④當(dāng)開(kāi)關(guān)S2的輸入側(cè)(靠近線路側(cè))檢測(cè)到其電壓由交流變?yōu)橹绷骱髮?dǎo)通，至此，系統(tǒng)從交流配電方式切換到直流配電方式。因?yàn)槟┒擞脩艨扇藶槔l，導(dǎo)致線路出現(xiàn)空載的情況，此時(shí)開(kāi)關(guān)S4會(huì)檢測(cè)到電流降為零關(guān)斷，此后開(kāi)關(guān)S1也會(huì)閉合。但開(kāi)關(guān)S5未關(guān)斷，直流電壓會(huì)通過(guò)開(kāi)關(guān)S5傳到用戶側(cè)。為防止這種情況出現(xiàn)，開(kāi)關(guān)S5的輸入側(cè)(靠近線路側(cè))在檢測(cè)到直流電壓后應(yīng)立馬自動(dòng)斷開(kāi)。

4.2 直流配電切換為交流配電

在重載情況下，采用直流配電方式為末端用戶供電，隨著用電負(fù)荷的減少，直流配電的損耗影響愈發(fā)突出，在此情況下采用交流配電方式末端電壓也能合格時(shí)，將兩端變流器從系統(tǒng)中切除，系統(tǒng)切換至交流配電方式。

由直流配電方式切換至交流配電方式的邏輯時(shí)序?yàn)椋孩匍_(kāi)關(guān)S2側(cè)的電流檢測(cè)裝置檢測(cè)到中間輸電線路上的電流偏低，便給開(kāi)關(guān)S2發(fā)送開(kāi)斷指令；②待開(kāi)關(guān)S2動(dòng)作完成后，開(kāi)關(guān)S1的輸出側(cè)(靠近線路側(cè))的電流將降為零，斷開(kāi)開(kāi)關(guān)S1；③在S1和S2完全斷開(kāi)后，通過(guò)同側(cè)通信給開(kāi)關(guān)S4發(fā)送導(dǎo)通指令，待開(kāi)關(guān)S4導(dǎo)通后線路上的電壓變?yōu)槿嘟涣麟妷?；④通過(guò)檢測(cè)開(kāi)關(guān)S5的輸入側(cè)(靠近線路側(cè))的電壓由直變交后導(dǎo)通開(kāi)關(guān)S5，接著通過(guò)同側(cè)通信給開(kāi)關(guān)S3發(fā)送開(kāi)斷指令。至此，系統(tǒng)從直流配電方式切換至交流配電方式。

5 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證交直流切換供電系統(tǒng)的可行性，在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建如圖3所示的仿真模型，采用LCL濾波器，部分關(guān)鍵參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 仿真關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of simulation

圖8為輕載到重載下由交流模態(tài)切換為直流模態(tài)的切換節(jié)點(diǎn)仿真波形圖(開(kāi)關(guān)控制信號(hào)中高電平為開(kāi)通信號(hào)，低電平為斷開(kāi)信號(hào)；中間線路左側(cè)即圖3中a1、b1、c1處；中間線路右側(cè)即圖3中a2、b2、c2處)，表2為對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)邏輯時(shí)序表。

圖8 交流切換為直流仿真波形圖Fig.8 AC to DC simulation waveform diagram

表2 交流配電切換為直流配電的開(kāi)關(guān)時(shí)序表Tab.2 Logic table for switching AC to DC

從仿真波形中可以看到，中間長(zhǎng)距離配電線路從交流切換為直流。交流斷路器在接收到關(guān)斷信號(hào)后，經(jīng)過(guò)首個(gè)電流過(guò)零點(diǎn)才完全斷開(kāi)。交流配電方式轉(zhuǎn)換成直流配電方式后，負(fù)載側(cè)電壓幅值從269.7 V上升到309.3 V，符合國(guó)家電壓標(biāo)準(zhǔn)，直流配電方式下負(fù)載側(cè)電壓總諧波失真(Total Harmonic Distortion,THD)為2.12%，滿足要求。

圖9為重載到輕載下由直流模態(tài)切換為交流模態(tài)的切換節(jié)點(diǎn)仿真波形圖，表3為對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)邏輯時(shí)序表。

圖9 直流切換為交流仿真波形圖Fig.9 DC to AC simulation waveform diagram

表3 直流配電切換為交流配電的開(kāi)關(guān)時(shí)序表Tab.3 Logic table for switching DC to AC

從仿真波形中可以看到，中間長(zhǎng)距離配電線路從直流切換為交流。在t=0.65 s時(shí)開(kāi)斷正常工作的直流側(cè)開(kāi)關(guān)S2，因其兩端并聯(lián)了吸能支路，故開(kāi)斷瞬間產(chǎn)生的電壓沖擊較小，保證了相關(guān)元器件的安全。從交流模態(tài)到直流模態(tài)負(fù)載端電壓幅值沒(méi)有太大的變化，都符合國(guó)家電壓標(biāo)準(zhǔn)。

由仿真結(jié)果可知，本文設(shè)計(jì)的交直流切換供電系統(tǒng)能在重載、末端電壓偏低時(shí)投入變流器，用直流配電模態(tài)改善末端用戶電壓合格率；在輕載、末端電壓合格時(shí)將變流器旁路，用交流配電模態(tài)提高供電效率。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的交直流切換供電系統(tǒng)的有效性，搭建了如圖10所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。因?qū)嶒?yàn)室條件的限制，該裝置在較低的電壓等級(jí)下工作，完成了功能性的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)的部分參數(shù)值見(jiàn)表4。

表4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)關(guān)鍵參數(shù)Tab.4 Key parameters of experiment platform

圖10 低壓交直流切換供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖Fig.10 Experimental platform of low-voltage AC/DC switching power supply system

一開(kāi)始系統(tǒng)處于交流工作模態(tài)，此時(shí)給定切換控制信號(hào)，使系統(tǒng)切換至直流工作模態(tài)，切換過(guò)程中相關(guān)電壓波形如圖11所示。

圖11 交流切換為直流實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 AC to DC experimental waveform

t1時(shí)刻給交流斷路器S5發(fā)送關(guān)斷指令，延遲半個(gè)周期確保S5完全斷開(kāi)后，在t2時(shí)刻接入開(kāi)始逆變的受端變流器，并斷開(kāi)交流斷路器S4。t2～t3階段由受端變流器給負(fù)載短暫供電，受端變流器直流側(cè)電壓開(kāi)始下降。t3時(shí)刻直流輸電路徑完全導(dǎo)通，之后系統(tǒng)就進(jìn)入直流工作模態(tài)。在交流工作模態(tài)下受端變流器控制了直流側(cè)電壓，故轉(zhuǎn)換為直流工作模態(tài)其直流側(cè)電壓會(huì)因線路壓降有些許下降。

系統(tǒng)處于直流工作模態(tài)，此時(shí)給定切換控制信號(hào)，使系統(tǒng)切換至交流工作模態(tài)，切換過(guò)程中相關(guān)電壓波形如圖12所示。

圖12 直流切換為交流實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 DC to AC experimental waveform

t1時(shí)刻給直流斷路器S1發(fā)送關(guān)斷指令，之后受端變流器依靠其直流側(cè)電容存儲(chǔ)的能量逆變給負(fù)載供電，故其直流側(cè)電壓大幅下降。t2時(shí)刻閉鎖受端變流器脈沖，延遲一段時(shí)間后于t3時(shí)刻閉合交流斷路器S5，受端變流器短暫進(jìn)入不控整流階段，直流側(cè)電壓上升。之后交流輸電路徑完全導(dǎo)通，系統(tǒng)進(jìn)入交流工作模態(tài)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)模塊化變流器組和開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的配合進(jìn)行組態(tài)設(shè)計(jì)與切換，能實(shí)現(xiàn)低壓配電網(wǎng)的交直流配電模態(tài)的轉(zhuǎn)換，且在轉(zhuǎn)換過(guò)程中利用受端變流器存儲(chǔ)的能量能減小負(fù)載失電時(shí)間，切換過(guò)程較為平滑。

7 結(jié)論

隨著偏遠(yuǎn)地區(qū)用電負(fù)荷的逐漸增大，遠(yuǎn)距離配電線路壓降明顯，解決末端低壓?jiǎn)栴}迫在眉睫。本文在不改動(dòng)原有配電線路的基礎(chǔ)上構(gòu)建直流配電方案，利用低壓模塊化變流器實(shí)現(xiàn)了低壓直流配電所需的送端與受端電能變換，延長(zhǎng)了供電半徑，提高了末端用戶的電壓合格率[16]?；谇袚Q開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，本文設(shè)計(jì)了無(wú)通信的交直流配電模態(tài)切換方案與控制時(shí)序，實(shí)現(xiàn)輕載下的交流配電與重載下的直流配電自適應(yīng)切換[17]。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這種方案的可行性。