基于新技術(shù)的水力發(fā)電廠直流系統(tǒng)

劉 堅

（廣東粵電流溪河發(fā)電有限責(zé)任公司，廣東 從化 510956）

流溪河發(fā)電廠位于廣州市東北部90km處，是國家第一個五年計劃建設(shè)重點工程、新中國成立后廣東省興建的第一座主力水力發(fā)電廠。作為調(diào)峰調(diào)頻公司廣州抽水蓄能電站的保安電源，直流系統(tǒng)的穩(wěn)定運行尤為重要。發(fā)電廠的直流電源是一個獨立的電源，不受發(fā)電機、廠用電、站用變以及系統(tǒng)運行方式改變的影響，為電力系統(tǒng)的控制回路、信號回路、繼電保護、自動裝置及事故照明等提供不間斷電源，它還為斷路器的分、合閘提供操作電源。流溪河發(fā)電廠原來使用的帶有鉛酸蓄電池的硅整流直流電源已運行了10年，而且直流設(shè)備均采取傳統(tǒng)的相控電源，效率低、紋波系數(shù)大，并由于相控電源浮充電壓易波動，會出現(xiàn)蓄電池脈動充放電現(xiàn)象，對免維護蓄電池?fù)p害極大，影響電廠的安全可靠運行。為此，流溪河發(fā)電廠采用智能控制等新技術(shù)對直流電源實施了成功改造。本文介紹改造后的新直流系統(tǒng)，為同類工程提供參考。

1 直流系統(tǒng)的工作原理

流溪河發(fā)電公司的新直流系統(tǒng)采用總線控制方式，對所監(jiān)測的模擬量、數(shù)字量無數(shù)量限制，即通道數(shù)可任意擴展，由于采用智能控制技術(shù)，具有較強的容錯能力，在控制過程中自動監(jiān)測電壓、電流變送器的狀態(tài)。而當(dāng)變送器故障時，會以其它的相關(guān)變送器和各個模塊的參數(shù)為控制依據(jù)，而不會中斷對直流系統(tǒng)的控制。當(dāng)監(jiān)控器故障時，還有聲光報警和空接點輸出。直流系統(tǒng)的原理如圖1所示。

交流配電監(jiān)測：直流系統(tǒng)的交流輸入設(shè)有交流配電單元或交流狀態(tài)監(jiān)測單元，當(dāng)出現(xiàn)交流失電、缺相故障時，通過無源接點將報警信號送到監(jiān)控系統(tǒng)并發(fā)出交流故障信號；系統(tǒng)配有交流電壓、電流變送器，監(jiān)控面板可顯示交流電壓、電流，并判斷交流輸入是否過壓、欠壓、三相不平衡等并發(fā)出報警信號。

直流配電檢測：電源系統(tǒng)設(shè)有母線和蓄電池的電壓、電流監(jiān)測表計及變送器，這些表計能直接顯示母線和蓄電池的電壓、電流，變送器則將檢測到的電壓、電流數(shù)據(jù)通過串行總線顯示到監(jiān)控器上，系統(tǒng)據(jù)此判斷母線及蓄電池是否過壓、欠壓，故障時發(fā)出告警信號；重要回路（蓄電池、充電機）的熔斷器設(shè)有熔斷器故障模塊，故障時發(fā)出告警信號；饋線回路設(shè)有饋線脫扣故障報警觸點，故障時發(fā)出報警信號；電源系統(tǒng)配有饋線狀態(tài)檢測模塊，該模塊通過串行總線將檢測到的饋線開關(guān)分合狀態(tài)傳送到監(jiān)控器。充電機、蓄電池的輸出開關(guān)及母聯(lián)開關(guān)狀態(tài)由輔助接點直接送到后臺并在歷史記錄中顯示。

2 直流系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測

由于直流電源在二次系統(tǒng)所處的重要地位，直流系統(tǒng)自身的可靠性直接影響到整個系統(tǒng)的安全，盡管直流電源十分穩(wěn)定可靠，但實際應(yīng)用中，由于電力系統(tǒng)應(yīng)用直流電源的特殊性，特別是控制回路和保護回路的應(yīng)用，使直流系統(tǒng)的故障成為電力系統(tǒng)更大故障的事故隱患，這就是我們常說的直流系統(tǒng)接地故障危害。發(fā)電廠由于直流系統(tǒng)所接設(shè)備多、回路復(fù)雜，在長期運行過程中會由于環(huán)境的改變、氣候的變化、電纜及接頭的老化、以及設(shè)備本身的問題等，都可能導(dǎo)致直流系統(tǒng)接地；另外，直流系統(tǒng)與繼電保護、自動裝置、操作機構(gòu)等相連接，直流系統(tǒng)比較復(fù)雜，也容易發(fā)生接地故障。當(dāng)發(fā)生一點接地時，系統(tǒng)可繼續(xù)運行。但如果發(fā)生兩點接地，就會引起信號回路、控制回路、繼電保護等的不正確動作。因此，為了防止直流系統(tǒng)兩點接地引起誤動或拒動，必須裝設(shè)連續(xù)工作的絕緣監(jiān)測裝置。

改造后的直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置可直接監(jiān)測直流系統(tǒng)電壓及其絕緣情況。裝置采用非平衡電橋原理，內(nèi)置帶支路的絕緣監(jiān)測儀，可以實時監(jiān)測直流母線電壓、正負(fù)直流母線對地電壓及正負(fù)直流母線對地絕緣電阻，當(dāng)直流電壓過高、過低或直流系統(tǒng)絕緣強度降低等異常情況發(fā)生時，發(fā)出相應(yīng)的報警信號。由于支路巡檢采用直流有源CT，不需要向母線發(fā)出信號，每個CT都通過CPU直接在CT內(nèi)部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。支路監(jiān)測的優(yōu)點是：直流傳感器有較好的抗電流沖擊后的剩磁影響，能保證傳感器長期的穩(wěn)定性，且傳感器與主機采用數(shù)字信號傳輸，傳感器與主機的接線少、連接方便，抗干擾能力強。

3 直流系統(tǒng)的電池管理

由于閥控式密封蓄電池的密封程度高、自放電系數(shù)小、大電流放電的特性好等特點，已在電力系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，但由于其結(jié)構(gòu)特殊，它對周圍環(huán)境和溫度較為敏感。

本直流系統(tǒng)通過對閥控式密封蓄電池的管理，選擇最佳的充電方式或充電規(guī)律，對周圍環(huán)境溫度進行監(jiān)視和控制，提高了蓄電池的使用壽命。管理功能主要有：

1）顯示蓄電池電壓和充放電電流，當(dāng)出現(xiàn)過壓、欠壓時進行報警。

2）設(shè)有溫度變送器測量蓄電池環(huán)境溫度，變送器通過串行總線將測量到的蓄電池環(huán)境溫度傳送至監(jiān)控器，當(dāng)溫度偏離設(shè)定值時，由監(jiān)控器發(fā)出調(diào)壓命令到充電模塊，調(diào)節(jié)充電模塊的輸出電壓，實現(xiàn)浮充電壓溫度補償。

3）當(dāng)選擇手動定時均充時，可通過監(jiān)控器預(yù)先設(shè)置均充電壓和均充時間。如圖2所示，系統(tǒng)以整定的充電電流進行穩(wěn)流充電，當(dāng)電壓逐漸上升到均充電壓整定值時，自動轉(zhuǎn)為穩(wěn)壓充電。

4）當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)浮充運行超過設(shè)定時間或交流電源故障，或者蓄電池放電超過10分鐘后電源恢復(fù)，系統(tǒng)均可自動啟動均充。而當(dāng)充電電流小于C10A后,自動均充電程序會延時1小時后自動轉(zhuǎn)為浮充運行。自動均衡充電曲線如圖3所示。

4 智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)

4.1 工作原理

智能高頻開關(guān)電源系統(tǒng)工作原理如圖4所示。通過系統(tǒng)的檢測控制電路來監(jiān)視電源交流輸入的電網(wǎng)電壓，從而實現(xiàn)了電源輸入過壓、欠壓、缺相保護等功能及軟啟動的控制；輔助電源為整個模塊的控制電路及監(jiān)控電路提供工作電源；EMI輸入濾波電路實現(xiàn)對輸入電源的凈化處理，濾除高頻干擾，吸收瞬間沖擊；軟啟動部分用作消除開機浪涌電流；三相交流輸入電源經(jīng)輸入三相整流、濾波輸出直流后，通過全橋變換電路再將直流變換為高頻交流，而高頻交流經(jīng)變壓器隔離、全橋整流、濾波后，再轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流輸出；信號調(diào)節(jié)、PWM控制電路實現(xiàn)輸出電壓、電流的控制及調(diào)節(jié)，確保輸出電源的穩(wěn)定及可調(diào)整性；輸出測量、故障保護及微機管理監(jiān)測輸出電壓、電流及系統(tǒng)的狀況，并將它們顯示到面板上，實現(xiàn)故障判斷及保護，協(xié)調(diào)管理模塊的各項操作，并與系統(tǒng)通信，實現(xiàn)電源模塊的高度智能化。

4.2 軟開關(guān)的應(yīng)用

充電模塊采用移相全橋零電壓脈寬控制軟開關(guān)技術(shù)，由于使用了功率場效應(yīng)管，實現(xiàn)了零電壓、零電流開關(guān)的功能，防止了過沖或尖峰。與硬開關(guān)相比，軟開關(guān)技術(shù)使充電模塊損耗降低了40%，整機效率提高到96%，而溫升則大幅降低；由于電壓及電流變化率的減少，使充電模塊的電磁干擾明顯降低，提高了電磁兼容性能。另外，功率開關(guān)器件由于沒有了電壓及電流過沖及尖峰的影響，承受的電應(yīng)力較少，所以其可靠性也有較大提高。

4.3 智能化模塊的應(yīng)用

由于充電模塊內(nèi)置CPU，可協(xié)調(diào)管理模塊各項操作及保護，并以電氣隔離的數(shù)字通信方式接受上位機的控制，充分發(fā)揮了智能化模塊的作用。其特點是：

1）設(shè)有光電隔離的數(shù)字通信接口具有電氣隔離能力，可承受2000V電壓沖擊；

2）模塊接受的指令是數(shù)字信號，只有在接到符合通訊協(xié)議的指令時，才執(zhí)行相應(yīng)的操作，對于非法的干擾指令均不接受；

3）模塊故障時，能自動退出，不影響系統(tǒng)正常運行；

4）智能化模塊在集中控制單元發(fā)生故障時，也可手動控制各個充電模塊，實現(xiàn)均/浮充轉(zhuǎn)換等的設(shè)置。

5 采用IGBT器件的逆變器

為了能提供不間斷交流電源，電力系統(tǒng)一般采用逆變器供電的電源。這不僅能滿足長時間供電要求，還可以消除電網(wǎng)沖擊、浪涌等干擾。采用IGBT器件的逆變器原理如圖5所示。

圖5中功率處理元件IGBT就是大功率的開關(guān)器件，它是由BJT(雙極型三極管)和MOS(絕緣柵型場效應(yīng)管)組成的復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式電力半導(dǎo)體器件,兼有MOSFET的高輸入阻抗和GTR的低導(dǎo)通壓降兩方面的優(yōu)點。改造后的KOX正弦波逆變電源采用了完全隔離型逆變技術(shù)，輸出無噪音正弦交流電壓；逆變單元采用微處理器控制的SPWM技術(shù)，波形純凈；獨有的動態(tài)電流環(huán)控制技術(shù)確保逆變器可靠運行。

6 結(jié)語

改造后的直流系統(tǒng)響應(yīng)速度快、噪音小，輸出穩(wěn)定，而且由于智能化的實現(xiàn)，減少了誤操作，為監(jiān)控系統(tǒng)提供了可靠的電源。系統(tǒng)采用閥控式免維護蓄電池，并對電池實施有效管理，減少了維護工作量，也減少了環(huán)境污染，并降低了成本，達到了環(huán)保、節(jié)能的目的。

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