深圳供电局有限公司
摘要：现有变电站站用电源系统主要分为站用交流电源、站用直流电源及站用逆变电源。现有变电站站用电源的负荷多样，且负荷特性差异极大。深圳地区，夏天气温较高，对设备运行环境要求较高。目前变电站内空调功耗较大，风机类设备工作主要恒速运转，均造成电能耗费。本文提出一种新的思路，空调采用全直流变频技术，而风机类设备亦可采用变速，以达到节能减排目的，降低变电站内用电成本。
关键词：全直流变频；调速风机；高压直流
1站用电源概述
1.1站用电源负荷类型
现有变电站站用电源系统主要分为站用交流电源、站用直流电源、站用逆变电源。站用交流电源负荷主要包括直流充电装置、主变调压及冷却装置、断路器及隔离开关的操作和加热电源、风机、水泵、检修电源、生活电源、交流不间断电源、照明电源等。站用直流电源包括事故照明、保护及控制电源、通信设备电源、刀闸操作电源。站用逆变电源负荷主要包括打印机电源、调度数据网电源、五防电源。
从负荷类型上看，站用交流电源的负荷大多负荷大，启动电流倍数高、负荷工作持续时间不一致的特点；站用直流电源的负荷具有负荷电流基本固定、启动电流小、负荷工作持续时间长的特点；站用逆变电源的负荷具有负荷电流较小、负荷的供电可靠性要求较高的特点。
1.2站用电源主要风险
站用交流电源系统因负荷类型多，负荷特性曲线复杂，易发生短路故障，导致站用电进线开关跳闸，严重者引起站用变变高开关跳闸，扩大故障范围。理想状态下，站用电负荷平均分配在站用电A、B、C三相母线上，因所承受负荷均匀分配，三相母线间亦无明显的感性或容性。但在实际运行中，客观因素的制约导致站用电负荷无法做到完全均匀分配，站用交流电源负荷三相不均衡度较高，不平衡电流偏大。
站用逆变电源系统虽然负荷小，但存在模块输出电流偏小，限制负荷用电量的隐形制约，即导致用电需求大、可靠性要求高的负荷难以真正依靠逆变电源而实现供电不间断。
站用直流电源系统负荷要求可靠性高，且负荷电流稳定；同时蓄电池与直流充电机可互为备用，保证了站用直流电源系统的供电可靠。
2全直流技术在变电站的应用
2.1全直流变频空调技术
借助直流电机的先天优势及匹配先进的控制系统，全直流变频空调相对普通直流变频空调具备显著的技术优势：
硬件配置更高。相对于直流变频空调只是压缩机采用直流电机，室内外风扇电机均采用交流电机，全直流变频空调的压缩机、室内外风扇电机全部采用直流电机，并采用全直流控制模块；节能效果明显提高。
直流变频空调的交流电机转子是用线圈，要通电才能产生磁场，电能损耗一直存在，而全直流变频空调的直流电机由于转子使用永磁材料，基本没有转子损耗，节能效果非常明显；运行噪音明显降低。直流变频空调的交流电机是通过电流产生磁场来驱动，空调运行静音效果较差，全直流变频空调的直流电机转子通过永磁场来驱动，能够实现空调低至20分贝的超静音运行；空调运行更加可靠。
变电站内空调大多采用交流输入，功耗高。而采用全直流变频空调，空调电机根据周围环境温度调节转速，大大节省空调消耗。
2.2全直流变频风机负荷
变电站内抽风机、主变冷却风机的电机工作原理与空调电机的工作原理基本相同，全直流变频技术具备应用在抽风机、主变冷却风机的技术条件。
现有变电站内的抽风机、主变冷却风机主要采用恒速电机。以主变冷却风机为例，主变温度稍高于设定值，与主变温度高于设定值15%以上，在整组风机开启后转速相同，虽然主变本体降温迅速，但同时也导致主变冷却风机消耗的功率增大。若以全直流变频技术应用在主变冷却风机，可大幅减少主变冷却风机所消耗的功率。
站内抽风机一般主要用于交换高压室、蓄电池室、GIS室等间隔的空气，避免工作区域空气质量差，危害工作人员身体健康。站内抽风机在变电站部分间隔启动后，对间隔内外空气完成交换任务，但风机电机仍高速工作，造成功率浪费。若站内抽风机采用全直流变频技术，可在风机完成空气交换任务后，以相对低速工作，减少功率消耗。
2.3替代变电站内原有的UPS交流不间断电源系统
当前变电站内UPS交流不间断电源的负荷主要为部分通信电源、保护打印机、交换机等小电流负荷。目前大量使用的UPS主机均为在线双变换型，在负载率大于50%时，其转换效率与开关电源相近。但一个不容忽视的现实是，为了保证UPS系统的可靠性，UPS主机均采用n+1方式运行，加之受后端负载输入的谐波和波峰因数的影响，UPS主机并不能满足运行，通常UPS单机的设计最大稳定运行负载率仅为35～53%。而受后端设备虚提功耗和业务发展的影响，很多UPS系统通常在寿命中后期才能达到设计负载率，甚至根本不能达到设计负载率，UPS主机单机长期运行在很低的负载率，其转换效率通常为80%多，甚至更低。
以效率更高的HVDC高压直流电源替换现有的UPS逆变电源系统，可以更加高效的利用能源。
3全直流技术在变电站站用电源应用中的技术条件
全直流技术在变电站内应用，可以借鉴240V高压直流系统在通信电源系统中的应用。
3.1240V高压直流系统当前的应用
目前，240V高压直流系统主要应用在通信电源系统。通信用高压直流电源又称HVDC，是一种新型的直流不间断供电系统，这里说的高压是相对传统的-48V直流通信电源而言。2009年12月，工信部推出了通信标准类技术报告《通信用240V直流供电系统技术要求》。
在目前的通信电源系统，HVDC系统主要由交流配电单元、整流模块、蓄电池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成。正常工作情况下，整流模块将交流配电源输出的380V交流转换成240V高压直流，高压直流经直流配电单元给通讯设备供电，同时也给蓄电池充电。
以HVDC高压直流电源系统在通信电源系统中的应用，HVDC高压直流电源系统在变电站内应用，基本具备技术条件。
3.2240V高压直流系统在当前变电站内的应用方式
240V高压直流系统在当前变电站内应用，可采用以下方式：
以站用380V交流电作为HVDC高压直流电源模块的输入主电源，由HVDC高压直流电源模块作为供电电源，为全站的高压直流负荷供电。考虑到全站高压直流系统的稳定性，高压直流负荷均采用DC240V等级。如此设计可以避免HVDC高压直流系统与变电站内原有直流电源系统的冲突，同时亦可实现HVDC高压直流系统的高利用率，高节能性。
HVDC高压直流在当前站用电源系统中应用的系统设计简图如下：
站用交流电源系统部分采用HVDC高压直流电源，其优点如下：
（1）可靠性大幅提升
高压直流供电技术引入的主要目的就在于提升系统的安全性。UPS系统本身仅并联主机具有冗余备份，系统组件之间更多地是串联关系，其可用性是各部分组件可靠性的连乘结果，总体可靠性低于单个组件的可靠性。
采用更加稳定的HVDC高压直流电源系统替代原有的UPS逆变电源系统，大幅提高了通信电源系统供电的稳定性、可靠性。
（2）效率大大提高
目前UPS逆变电源系统存在的弊端，对于直流电源系统而言，因其采用模块化结构，可根据输出负载的大小，由监控模块、监控系统或现场值守人员灵活控制模块的开机运行数量，使整流器模块的负载率始终保持在较高的水平，从而使系统的转换效率保持在较高的水平。
（3）带载能力大大提高
UPS系统带载能力受两个因素的制约，一是负载的功率因数，以国内某大型UPS厂商的某型主机为例，在输出功率因数为0.5（容性）时，其最大允许负载率仅为50%；二是负载的电流峰值系数，通常UPS主机的设计波峰因数为3，如果负载的电流峰值系数大于3，则UPS主机将降容使用。对于直流系统而言，不存在功率因数的问题；因其并联了内阻极低的大容量蓄电池组，加之整流器模块有大量的富余（充电和备用），其负载高电流峰值系数的负荷能力很强，不需专门考虑安全富余容量。
（4）割接改造更为方便
对于采用UPS供电的设备来说，除非其采用双电源（或四电源、六电源），或专门配置有STS设备，否则通常只能采用停电方式割接。对于重要系统来说，这是难以忍受的，更为麻烦的是，一些没有厂家支撑的老型设备，很有可能在停机不能重启的现象。
直流电源只要做到输出电压和极性相同即可连接到一起，从而实现不停电割接，而这是非常容易做到的。
4总结
在变电站采用240V直流系统统一供电，可将运行维护工作统一，提高经济效益，而且采用240直流系统具有设备初期投资少、可靠性高、有利于各类资源的合理配置和管理，达到节地、节能、实现更加安全的维护性。随着电力系统发展，电力管理垂直化，变电站智能化、数字化和变电站一体化的发展是必然趋势，这使得变电站站用电源向一体化技术方向发展。而变电站电源一体化发展，也必将推动变电站数字化、一体化水平发展。
参考文献：
[1]岑凯辛，张小宝.基于变电站UPS电源系统的光伏发电应用研究[J].大众用电，2016
[2]丘冠新，王志华.智能判断技术在变电站站用变电源系统的研究与应用[J].电网与清洁能源，2014