電廠/變電站分段組合式直流電源系統(tǒng)設計

楊鐵峰 劉立華 孫桂軍 王新想 嚴建海 鄒學毅

摘 要：在電廠/變電站直流系統(tǒng)中，蓄電池組故障不僅會導致繼電保護裝置誤動作，還會引發(fā)各類電氣事故。為提高直流系統(tǒng)的供電可靠性，本文采用蓄電池組分段升壓的方式，開展電廠直流系統(tǒng)（DC110 V和DC220 V）在線監(jiān)測和穩(wěn)壓應急電源方案設計，以實現(xiàn)單組電池的多段組合式冗余供電，同時研制相關(guān)應急電源裝置并進行了性能測試。測試結(jié)果表明，在不改變蓄電池組原有接線方式的情況下，該裝置可以實現(xiàn)變電站直流系統(tǒng)母線在線監(jiān)測，同時可以在蓄電池組中單節(jié)或部分電池出現(xiàn)故障時實現(xiàn)零切換時間冗余供電，有效提高了發(fā)電廠和變電站直流系統(tǒng)的供電可靠性。

關(guān)鍵詞：電廠/變電站;直流系統(tǒng);蓄電池;多段;冗余;供電可靠性

Abstract： In the power plant / substation DC system， the battery pack failure will not only cause the relay protection device to malfunction， but also cause various electrical accidents. In order to improve the power supply reliability of the DC system， this paper adopted the method of boosting the battery into sections， and carried out the online monitoring of the power plant DC system （DC110 V and DC220 V） and the design of the stabilized emergency power supply scheme， so as to achieve multi-section combined redundant power supply of a single battery， at the same time， the relevant emergency power supply device was developed and the performance test was carried out. The test results show that the device can realize on-line monitoring of the substation DC system bus without changing the original connection mode of the battery pack， and at the same time， it can achieve zero switching time redundant power supply when a single cell or part of the battery in the battery pack fails， and effectively improve the power supply reliability of DC systems in power plants and substations.

Keywords： power plant/substation;DC system;battery pack;multi-section;redundancy;power supply reliability

直流系統(tǒng)是變電站非常重要的組成部分，它的主要任務就是給繼電保護裝置、斷路器操作、各類信號回路提供電源，此類設備在事故停電過程中及停電后的一段時間內(nèi)仍必須保持供電，否則可能引起主要設備損壞、重要自動控制失靈或危及人身安全。直流系統(tǒng)的正常運行與否，關(guān)系到繼電保護及斷路器能否正確動作，會影響變電站乃至整個電網(wǎng)的安全運行。近年來，國內(nèi)發(fā)生了多起由蓄電池組故障引發(fā)的變電站直流母線失壓故障，造成信號中斷、保護拒動等事故。

1 變電站直流系統(tǒng)保護

1.1 變電站直流系統(tǒng)介紹

站用直流電源系統(tǒng)包括交流輸入單元、充電裝置、蓄電池、蓄電池放電裝置、母線失壓自動補償裝置、不間斷電源、逆變器及饋電網(wǎng)絡，并配置模擬量采集模塊、開入量采集模塊、蓄電池采集模塊、開關(guān)操作模塊及直流電源智能測控裝置[1-2]，變電站直流系統(tǒng)示意圖如圖1所示。變電站的事故保安負荷多由不間斷電源或直流系統(tǒng)加逆變電源供電。

在供電電壓等級上，220 kV以下及變電站規(guī)模較小的情況下多采用直流220 V供電[3];500 kV以上變電站多采用分布式控制方式，站內(nèi)蓄電池組數(shù)較多，供電電壓可以選用直流110 V。供電電壓的高低決定了電池組每組的節(jié)數(shù)，電池種類相同情況下，電壓越高，電池節(jié)數(shù)越多。

當變電站或電廠發(fā)生故障后，系統(tǒng)會出現(xiàn)充電模塊故障，導致直流電壓輸出出現(xiàn)異常，其間需要蓄電池組放電以維持電路和控制模塊等負載的正常運行[4]。但是，蓄電池組采取串聯(lián)模式，若一節(jié)發(fā)生故障，則會導致蓄電池組無法正常輸出[5]，造成直流母線失壓和控制模塊因失電而無法工作。經(jīng)過對工程事故的研究總結(jié)，引發(fā)直流系統(tǒng)母線電壓丟失的原因一般有蓄電池組斷開和蓄電池保護電路斷開兩種。所以，人們往往從解決單節(jié)電池失效問題的角度進行保護方案設計。

1.2 現(xiàn)有保護方案概述

為提高直流系統(tǒng)的供電可靠性，目前已經(jīng)采用了包括蓄電池跨接技術(shù)、蓄電池升壓并聯(lián)技術(shù)、蓄電池組分組冗余技術(shù)在內(nèi)的可靠性提升方案[6]。

蓄電池組跨接技術(shù)在每節(jié)電池的兩端設置跨接端子，當單體電池內(nèi)阻過大或發(fā)生開路故障時，跨接端子在此電池端進行跨接，對于電池組來說，僅損失一節(jié)電池的電壓。此種技術(shù)的缺點在于，如果故障電池較多，就會導致電池組電壓過低，從而不能正常工作[7]。

電池組并聯(lián)技術(shù)將電池進行升壓并聯(lián)，提高了直流系統(tǒng)的供電可靠性，如圖3所示。但顯而易見，此種方式增加了系統(tǒng)的復雜性[8]。在后級短路的情況下，由于變換器的限流作用，電池組很難為后級斷路器提供跳閘電流。

蓄電池組分組冗余技術(shù)可以看作是并聯(lián)技術(shù)的一種特殊形式，將蓄電池分為兩組，實現(xiàn)冗余供電。它改變了原電池組的布置方式，并且更改了原有的充電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2 分段組合式直流電源系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

以直流220 V系統(tǒng)為例，多段組合式直流電源系統(tǒng)在不改變系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)的情況下從原有電池組（110節(jié)×2 V）抽出4組抽頭，即每組抽頭27～28節(jié)電池，抽頭再通過應急電源穩(wěn)壓裝置連接到原直流母線上[9]。當直流母線正常時，電廠直流系統(tǒng)在線監(jiān)測及應急電源穩(wěn)壓裝置只是實時監(jiān)測兩段母線電壓，處于熱備用狀態(tài)，不投入運行。

當直流母線失壓時，電網(wǎng)電壓跌落。例如，某節(jié)蓄電池故障將導致蓄電池組失效，造成直流母線失壓，由于直流系統(tǒng)在線監(jiān)測及應急電源穩(wěn)壓裝置實時在線監(jiān)測直流母線，因此優(yōu)質(zhì)的蓄電池通過電廠直流系統(tǒng)在線監(jiān)測及應急電源穩(wěn)壓裝置給直流母線供電，確保直流負荷正常運行。此外，該系統(tǒng)具有蓄電池組放電檢測功能，可在線對蓄電池組進行人工放電檢測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)設計

2.2.1 裝置參數(shù)設計。在直流母線電壓降低至設定值時，單向升壓DC/DC變換型電廠直流系統(tǒng)在線監(jiān)測及應急電源穩(wěn)壓裝置的輸出端可以立即對該直流母線供電，并保證直流母線電壓不低于直流標稱電壓的87.5%[10]，該電源可不受測控裝置控制自主輸出，實現(xiàn)直流母線失壓補償功能。

功率設計方面，以電池組容量為300 Ah為例，分析裝置功率選擇過程。由于不同負荷對供電時間要求有所區(qū)別，應按故障情況下的供電保障優(yōu)先級進行劃分。以某變電站內(nèi)負荷為例，在停電一開始的0～1 min內(nèi)，蓄電池組將以0.3 C放電，1 min以后，蓄電池組以0.2 C放電，并按負荷在運行一段時間后逐步切除的規(guī)律持續(xù)運行。因此，初始放電階段要求的放電電流為90 A。

當1組抽頭內(nèi)發(fā)生電池故障時，剩余3組每組需要提供的電流為30 A，單組裝置功率220 V×30 A=6 600 VA;為提高系統(tǒng)的可靠性，有必要優(yōu)化設計，當2組供電時，其仍能滿足放電需求，則每組容量為45 A，單組裝置功率220 V×45 A=9 900 VA。需要說明的是，對于含沖擊負荷的電廠直流系統(tǒng)，在選擇設備容量時，人們應按實際的裕量需求進行計算。

2.2.2 切換開關(guān)設計。因為該電源需要具備不受測控裝置控制而自主輸出的功能，本研究設計了晶閘管切換開關(guān)來實現(xiàn)電壓差檢測和開關(guān)切換，晶閘管陽極A接至DC/DC升壓單元輸出端正極U2+，陰極K接至220 V直流母線正極Ud+，D1為穩(wěn)壓管，設其穩(wěn)壓值為[U]，壓差設定值為[Uset]，如圖3所示。

當[UAK]≤0時，SCR截止;當[UAK≥Uset]時，流過R的電流[i=UAK-UR]，即注入SCR門極的電流。合理選擇R和D1的參數(shù)，即可控制門極注入電流的大小，保證晶閘管可靠導通，同時，穩(wěn)壓管D1及電阻R的組合可滿足多個檔位的壓差選擇。由上述分析可知，壓差控制開關(guān)的導通時間即為晶閘管的開通時間，一般小于200 μs，滿足包括繼電器在內(nèi)的敏感負荷的切換速度要求。

3 系統(tǒng)測試

模擬母線失壓的情況以測試裝置的保護性能，母線電壓設置為240 V，裝置輸出電壓設置為220 V，CH3為直流母線電壓，CH4為裝置輸入電壓，CH2為負載電流。測試在空載和帶載條件下母線失壓時的波形，分別如圖4（a）、圖4（b）所示。由此可見，空載情況下，母線電壓由240 V降至220 V，輸入電壓保持不變;帶載瞬間，輸入電壓和輸出電壓都有一個下降。

4 結(jié)論

直流系統(tǒng)作為變電站或電廠二次設備的主要供電電源，其安全可靠性至關(guān)重要。本文對變電站中直流系統(tǒng)母線失壓現(xiàn)象的原因進行了分析，并介紹了目前常用的可靠性提升技術(shù)方案及各自存在的問題，在此基礎上提出了一種在不改變原有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的條件下解決母線失壓的方案——單組蓄電池分段組合式直流系統(tǒng)母線失壓補償，并分別在空載和帶載的情況下對系統(tǒng)進行了測試。試驗結(jié)果表明，分段組合技術(shù)可以有效解決直流母線失壓問題。

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