一種220kV變電站并聯(lián)型直流電源的應(yīng)用與研究

楊思安

(深圳市泰昂能源科技股份有限公司 深圳 518133)

變電站直流系統(tǒng)為站內(nèi)繼電保護(hù)、控制、信號(hào)、計(jì)算機(jī)控制、事故照明、交流不間斷電源等提供可靠供電，對(duì)變電站的安全運(yùn)行起著重要作用，是變電站安全運(yùn)行的保障。此系統(tǒng)中蓄電池組通過(guò)104只單體2V蓄電池串聯(lián)達(dá)到DC220V電壓，與充電機(jī)組輸出端并聯(lián)形成直流母線(xiàn)，經(jīng)過(guò)直流饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)為直流負(fù)荷提供可靠性穩(wěn)定的直流電源，是國(guó)內(nèi)使用最為廣泛的系統(tǒng)方案，圖1為常規(guī)直流系統(tǒng)原理圖。

圖1 串聯(lián)電池直流系統(tǒng)原理圖

近幾十年來(lái)，這種串聯(lián)結(jié)構(gòu)沒(méi)有任何變化，雖有著直流電能轉(zhuǎn)換技術(shù)、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)、蓄電池技術(shù)不斷發(fā)展，卻難以根本改善蓄電池的安全可靠性問(wèn)題，從而使得蓄電池串聯(lián)連接結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的“單只蓄電池故障影響整組輸出”“嚴(yán)格要求串聯(lián)蓄電池電參數(shù)保持一致，部分蓄電池?fù)p壞導(dǎo)致整組報(bào)廢”“蓄電池不能在線(xiàn)全容量自動(dòng)核容”“蓄電池不能在線(xiàn)更換”等諸多問(wèn)題變得越來(lái)越突出?；谏鲜鰡?wèn)題，提出并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的配置及電池容量計(jì)算進(jìn)行研究。

1 并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)

為滿(mǎn)足高電壓等級(jí)站點(diǎn)直流系統(tǒng)大功率需求，可采用多模塊并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)。并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)由若干個(gè)并聯(lián)電池模塊高壓輸出端并聯(lián)，模塊高壓端穩(wěn)壓輸出，形成直流母線(xiàn)通過(guò)饋線(xiàn)開(kāi)關(guān)為負(fù)載供電，取代常規(guī)直流系統(tǒng)中的充電模塊、蓄電池組、蓄電池巡檢裝置及降壓硅鏈裝置，其它裝置與常規(guī)直流系統(tǒng)保持一致。

1.1 并聯(lián)電池模塊工作原理

并聯(lián)電池模塊基本工作原理：模塊同時(shí)接入AC220V交流電源及12V蓄電池，通過(guò)AC/DC電路形成內(nèi)部母線(xiàn)電壓400V，此母線(xiàn)電壓同時(shí)為輸出變換器DC/DC及雙向DC/DC提供能量，輸出變換器DC/DC輸出為高壓端，雙向DC/DC輸出給12V蓄電池充電，當(dāng)交流失電時(shí)，內(nèi)部母線(xiàn)電壓400V降低至360V時(shí)，雙向DC/DC變換器由充電轉(zhuǎn)為升壓，輸出DC320V為輸出變換器DC/DC供電，使模塊可以實(shí)現(xiàn)不間斷切換至蓄電池供電。每個(gè)變換器受模塊內(nèi)部CPU智能電路監(jiān)測(cè)和控制，精確控制模塊的工作狀態(tài)，并通過(guò)485通信端口與直流系統(tǒng)的監(jiān)控器進(jìn)行通信，接受系統(tǒng)的指令。單個(gè)并聯(lián)電池模塊內(nèi)部原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 并聯(lián)電池內(nèi)部原理圖

1.2 并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)方案

并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)采用多個(gè)圖2所示的模塊高壓輸出端并聯(lián)，并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)原理如圖3所示，每個(gè)模塊獨(dú)立配置12V蓄電池，蓄電池類(lèi)型可以是閥控式鉛酸蓄電池或磷酸鐵鋰電池，模塊的額定輸出功率460W(DC115V/4A，DC230V/2A)，短時(shí)1min輸出功率可以達(dá)到2.5倍的額定功率，支持反時(shí)限輸出特性。每個(gè)模塊之間采用CAN通訊、支持熱插拔、在線(xiàn)更換，結(jié)合系統(tǒng)監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)在線(xiàn)核容。各蓄電池均與模塊交流輸入、直流母線(xiàn)輸出側(cè)隔離。根據(jù)系統(tǒng)配置，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)二次屏柜內(nèi)可以放置最多8個(gè)并聯(lián)電池模塊及所配置的蓄電池。

圖3 并聯(lián)型直流系統(tǒng)原理圖

1.3并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)的亮點(diǎn)

1.3.1系統(tǒng)可靠性更高 (a)突破常規(guī)直流系統(tǒng)蓄電池串聯(lián)使用方式，改變?yōu)樾铍姵赝ㄟ^(guò)并聯(lián)電池模塊并聯(lián)使用。解決了蓄電池串聯(lián)方式下因單只蓄電池質(zhì)量、連接線(xiàn)影響整組電池輸出可靠性問(wèn)題，提高直流系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。(b)并聯(lián)電池模塊的輸入、輸出側(cè)均與蓄電池端隔離電路，實(shí)現(xiàn)單節(jié)蓄電池故障全隔離，提高系統(tǒng)蓄電池運(yùn)行可靠性。

1.3.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池全容量在線(xiàn)核容，智能化更高 (a)并聯(lián)型直流系統(tǒng)是由若干個(gè)模塊并聯(lián)組成，各個(gè)模塊單獨(dú)配置一節(jié)12V蓄電池，蓄電池與模塊的交流輸入、直流輸出側(cè)隔離，蓄電池之間是相互隔離的，單節(jié)蓄電池異常不會(huì)影響交流輸入和直流母線(xiàn)電壓，單節(jié)蓄電池故障可以單獨(dú)更換蓄電池，每個(gè)模塊支持熱插拔，當(dāng)模塊故障時(shí)可以在線(xiàn)更換，使系統(tǒng)更加智能化。(b)通過(guò)在并聯(lián)型直流系統(tǒng)中各模塊獨(dú)立配置12V蓄電池的設(shè)計(jì)方案，組件采用間歇性調(diào)控輸出電壓方式，實(shí)現(xiàn)蓄電池在線(xiàn)0.1C10全容量核容功能，解決自動(dòng)核容管理問(wèn)題。通過(guò)自動(dòng)核容，提前發(fā)現(xiàn)落后蓄電池，其核容結(jié)果保存在直流監(jiān)控中，監(jiān)控屏中的核容數(shù)據(jù)支持?jǐn)?shù)據(jù)U盤(pán)導(dǎo)出，系統(tǒng)維護(hù)更為簡(jiǎn)單。

1.3.3系統(tǒng)提高蓄電池利用率 并聯(lián)型直流系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)控對(duì)逐一對(duì)每節(jié)蓄電池進(jìn)行0.1C10在線(xiàn)核容，提前發(fā)現(xiàn)異常單節(jié)蓄電池，把每只蓄電池使用至壽命終止期，提高蓄電池利用率。

1.4 并聯(lián)型直流系統(tǒng)的與常規(guī)直流系統(tǒng)的對(duì)比

與常規(guī)直流系統(tǒng)相比，并聯(lián)型直流系統(tǒng)由于增加了模塊數(shù)量，前期投資成本比常規(guī)串聯(lián)蓄電池直流系統(tǒng)略高。綜合考慮系統(tǒng)可以減少后期維護(hù)成本，采用并聯(lián)型直流系統(tǒng)可以減少全壽命周期投入，詳細(xì)的對(duì)比項(xiàng)目見(jiàn)表1。

表1 并聯(lián)型直流系統(tǒng)與常規(guī)直流系統(tǒng)對(duì)比

2 220kV站并聯(lián)型直流系統(tǒng)模塊配置及蓄電池容量計(jì)算方法

2.1 并聯(lián)電池模塊數(shù)量計(jì)算

并聯(lián)電池模塊數(shù)量應(yīng)滿(mǎn)足事故下全站負(fù)荷(含沖擊負(fù)荷)，因此并聯(lián)電池模塊選擇應(yīng)按下式計(jì)算：

n=n1+n2

(1)

基本模塊的數(shù)量應(yīng)按下式計(jì)算：

n1=Pn÷Pr

(2)

n1=(Pn+Pc)÷2.5Pr

(3)

選取(2) 、(3)計(jì)算結(jié)果大的為n1。

附加模塊的數(shù)量應(yīng)按下列公式計(jì)算：

n2=1(當(dāng)n1≤6時(shí))

(4)

n2=2(當(dāng)n1≥7時(shí))

(5)

式(4)和(5)中：n―并聯(lián)電池模塊選擇數(shù)量，當(dāng)模塊選擇數(shù)量不為整數(shù)時(shí)，選大的臨近值； n1―基本模塊數(shù)量； n2―附加模塊數(shù)量； Pn―考慮負(fù)荷系數(shù)的事故負(fù)荷；Pc—沖擊負(fù)荷；Pr―單模塊額定輸出功率，460W。

2.2蓄電池容量計(jì)算

并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)中的并聯(lián)電池模塊輸出均流運(yùn)行，電池供電下各電池的放電電流Is大小相同,單個(gè)蓄電池放電電流:

Is= (Pn+Ps) ÷n÷η÷U

(6)

式(6)中:Is―單個(gè)蓄電池放電電流值； η―并聯(lián)電池模塊電池供電下的效率，取0.9； U―電池標(biāo)稱(chēng)電壓12V。

單只蓄電池容量按下列公式計(jì)算：

Cc=Krel*(IS/KC)

(7)

式(7)中:Is―單個(gè)蓄電池放電電流值； Cc―單體蓄電池容量； Krel―單體蓄電池容量可靠系數(shù),取1.4 ； KC―容量換算系數(shù)，12V放電至10.8V的容量換算系數(shù)，取0.429。

3案例演示

文章以南網(wǎng)地區(qū)典型的220kV變電站直流系統(tǒng)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，全站配置3臺(tái)主變，220kV部分采用雙母線(xiàn)方式運(yùn)行，110kV部分采用雙母線(xiàn)方式運(yùn)行。站內(nèi)直流系統(tǒng)按兩段母線(xiàn)配置，每段母線(xiàn)采用并聯(lián)型直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)，相當(dāng)于常規(guī)的兩充兩電配置。

#1母線(xiàn)負(fù)荷包括保護(hù)測(cè)控裝置、錄波裝置等經(jīng)常負(fù)荷，事故負(fù)荷包括UPS電源、事故照明裝置，沖擊負(fù)荷包括斷路器操作儲(chǔ)能等，直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 #1母線(xiàn)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

以1min為第1階段，2h為第2階段，第1階段Pn=10 069W，第2階段Pn=10 069W，隨機(jī)負(fù)荷PR=2 400W。

(1)并聯(lián)電池模塊數(shù)量計(jì)算。 根據(jù)式(1)、(2)和(3)，n=22，考慮冗余后配置24個(gè)模塊。

(2)系統(tǒng)在蓄電池供電情況下，每個(gè)蓄電池放電電流計(jì)算，根據(jù)式(6)可得：第1階段單個(gè)蓄電池負(fù)荷電流為：42.4A；第2階段單個(gè)蓄電池負(fù)荷電流為42.4A；隨機(jī)5s單個(gè)蓄電池負(fù)荷電流為：10.1A。

(3)蓄電池容量計(jì)算

根據(jù)式(7)可得：蓄電池容量為138.4Ah；隨機(jī)5s負(fù)荷計(jì)算容量為7.1Ah。取上述各個(gè)階段計(jì)算容量的最大值再加上隨機(jī)如何計(jì)算容量138.4Ah+7.1Ah=145.5Ah，此母線(xiàn)可選用標(biāo)稱(chēng)容量為12V/200Ah。

綜上所述，220kV典型變電站中并聯(lián)型直流系統(tǒng)可選用2組24個(gè)模塊配置12V/200Ah的蓄電池，且由于單只蓄電池容量不超過(guò)200Ah，根據(jù)電力相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)程，蓄電池可放置于控制室，節(jié)省了變電站專(zhuān)用蓄電池室建筑面積，亦可以把系統(tǒng)屏柜安裝于蓄電池室。

4結(jié)論

文章首先介紹了并聯(lián)型直流系統(tǒng)的組成原理及并聯(lián)模塊原理，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)蓄電池間接并聯(lián)使用，提高了直流電源系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性和提高蓄電池利用率，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)全容量核容功能減少系統(tǒng)維護(hù)工作量。同時(shí)，基于該系統(tǒng)方案提出了該直流系統(tǒng)配置及容量選擇的計(jì)算方法，并以南網(wǎng)地區(qū)典型的220 kV變電站的算例進(jìn)行分析驗(yàn)證，從而為并聯(lián)型直流系統(tǒng)在高電壓等級(jí)變電站中的應(yīng)用，提供了理論計(jì)算方法。