蘇布雷水電站直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 叢 林， 駱 恩 榮

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

蘇布雷水電站地處西非科特迪瓦共和國(guó)境內(nèi)，分主電站和生態(tài)電站，其中主電站裝設(shè)3臺(tái)單機(jī)90 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)額定電壓為10.5 kV。每臺(tái)機(jī)組連接一臺(tái)120 MVA雙繞組油浸式升壓變壓器組成單元接線升壓至225 kV，然后直接通過(guò)225 kV架空輸電線路接入蘇布雷225 kV變電站；生態(tài)電站裝設(shè)1臺(tái)5.31 MW燈泡貫流式機(jī)組，發(fā)電機(jī)額定電壓6.6 kV，連接一臺(tái)7 MVA雙繞組升壓變升壓至33 kV，經(jīng)過(guò)33 kV架空輸電線路接入蘇布雷225 kV變電站。

蘇布雷水電站地處科特迪瓦南部，屬熱帶雨林氣候，最高氣溫可達(dá)45 ℃，月平均溫度35 ℃，為適應(yīng)當(dāng)?shù)剌^高的環(huán)境溫度，要求直流系統(tǒng)蓄電池采用鎘鎳蓄電池，這不同于國(guó)內(nèi)通常采用的鉛酸蓄電池。

根據(jù)總承包合同條款規(guī)定，蘇布雷水電站直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為127 V。

2 鎘鎳蓄電池選型計(jì)算

考慮到當(dāng)?shù)亻L(zhǎng)期處于高溫環(huán)境和運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備的使用維護(hù)水平不足，需要選擇一種能適應(yīng)當(dāng)?shù)馗邷丨h(huán)境，且對(duì)使用維護(hù)要求不高的蓄電池。

鎘鎳蓄電池與鉛酸蓄電池相比，有使用壽命長(zhǎng)，蓄電池自放電小，使用溫度范圍廣，耐過(guò)充過(guò)放，放電電壓平穩(wěn)，機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是成本較高，存在“鎘污染”，電池長(zhǎng)期淺充放循環(huán)時(shí)有記憶效應(yīng)[1]。

綜合各方面因素，蘇布雷水電站采用鎘鎳蓄電池是合適的。

根據(jù)DL/T5044標(biāo)準(zhǔn)，由于鎘鎳蓄電池正常浮充電壓較高，而放電時(shí)電壓下降幅度較大，終止電壓較低，需要通過(guò)降壓裝置來(lái)保證直流母線電壓在允許范圍內(nèi)。所以，當(dāng)直流系統(tǒng)采用鎘鎳蓄電池時(shí)通常需要設(shè)置端電池和降壓裝置[2]，但由于直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)端電池不需接入母線且長(zhǎng)時(shí)間自放電和維護(hù)不良而導(dǎo)致端電池失效，且安裝維護(hù)繁瑣、使用機(jī)會(huì)少，又增加設(shè)備投資。因此，從減少維護(hù)工作，確保直流系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的角度出發(fā)，蘇布雷水電站鎘鎳蓄電池直流系統(tǒng)通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，最后采用無(wú)端電池設(shè)計(jì)方案，通過(guò)選取適當(dāng)?shù)碾姵刂粩?shù)，設(shè)定合適的充、放電電壓值，分設(shè)動(dòng)力母線和控制母線，對(duì)小容量的控制負(fù)荷單獨(dú)采用降壓裝置，把動(dòng)力母線和控制母線的母線電壓各自控制在允許范圍之內(nèi)[3]。

蘇布雷水電站蓄電池采用德國(guó)艾諾斯品牌鎘鎳蓄電池，單體標(biāo)稱電壓為1.2 V/只，浮充電壓為1.4～11.42 V/只，均充電壓為1.55～1.7 V /只。

2.1 鎘鎳蓄電池只數(shù)的選擇

在蓄電池參數(shù)選擇上，國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 1115[4]規(guī)范有一定區(qū)別。國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求浮充時(shí)直流母線電壓不超過(guò)105%Ue，以滿足直流供電設(shè)備額定電壓的要求。而IEEE 1115按直流系統(tǒng)允許的最大電壓考慮，最大電壓主要取決于直流供電設(shè)備允許的最大電壓[5]。根據(jù)蘇布雷水電站主合同要求，供電設(shè)備要能在80%Ue～125%Ue的電壓范圍內(nèi)可靠運(yùn)行。

通過(guò)分析兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的異同，同時(shí)考慮到鎘鎳蓄電池的特點(diǎn)，蘇布雷水電站直流系統(tǒng)蓄電池只數(shù)選擇原則為：按照國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)105%Ue來(lái)控制浮充時(shí)的母線電壓，以確保正常運(yùn)行時(shí)所有負(fù)荷設(shè)備均能在額定電壓下運(yùn)行。根據(jù)最大單體浮充電壓值1.42 V/只反算出最少的蓄電池只數(shù)為94只；事故放電末期，根據(jù)主合同要求的最低設(shè)備運(yùn)行電壓80%Ue來(lái)確定母線最低運(yùn)行電壓為85%Ue，進(jìn)而計(jì)算出單體蓄電池的事故放電終止電壓為1.15 V。此時(shí)，不采用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)87.5% Ue的事故放電母線電壓是為了進(jìn)一步減小終止電壓，降低蓄電池選型容量；由于鎘鎳蓄電池均充電壓較大，為了能在在線均充時(shí)有效控制母線電壓，取最小均充電壓1.55 V/只，進(jìn)而得出此時(shí)母線電壓為114.72%。此電壓已小于根據(jù)主合同允許的設(shè)備最大運(yùn)行電壓125%Ue算出的最高母線電壓130%Ue，已能滿足主合同要求。但考慮到過(guò)高的電壓對(duì)控制設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行不利，因此，單獨(dú)設(shè)置控制母線，僅對(duì)控制負(fù)荷進(jìn)行硅堆降壓，把控制母線電壓控制在110%Ue以內(nèi)，而對(duì)動(dòng)力負(fù)荷的母線電壓按114.72%Ue來(lái)控制。雖然比國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求的112.5%略高，但也能滿足主合同要求。同時(shí)，此電壓對(duì)動(dòng)力負(fù)荷的運(yùn)行也無(wú)特別影響且僅在在線均充時(shí)才會(huì)出現(xiàn)這種情況。綜合考慮后，對(duì)動(dòng)力負(fù)荷不再采用硅堆降壓。具體選型計(jì)算如下：

根據(jù)IEEE 1115，對(duì)鎘鎳蓄電池只數(shù)選擇公式如下：

即蓄電池只數(shù)由該直流系統(tǒng)允許的最高系統(tǒng)電壓與蓄電池浮充電壓決定，而單只蓄電池放電末期電壓由該直流系統(tǒng)允許的最小蓄電池組電壓與蓄電池只數(shù)決定；同時(shí)，需指出：最小蓄電池組電壓等于直流系統(tǒng)允許的最低電壓加上終端負(fù)荷到蓄電池出口的電壓降。

首先保證在正常浮充運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓不超過(guò)直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的105%。

式中n為蓄電池組電池?cái)?shù)；Ufc為單個(gè)蓄電池的浮充電壓，取Ufc=1.42 V/只。

根據(jù)總承包主合同條款規(guī)定，終端負(fù)荷設(shè)備運(yùn)行電壓不低于80%Ue,終端負(fù)荷到蓄電池出口考慮5%Ue的線路電壓降，則事故放電末期允許的最小蓄電池組端電壓為85%Ue。

=1.15 V/只

式中Uy為事故放電階段蓄電池最低允許電壓；Ufm為單個(gè)蓄電池的終止電壓。

均充時(shí)，蓄電池組端電壓不應(yīng)超過(guò)直流系統(tǒng)母線允許的最高電壓，根據(jù)合同條款要求，終端負(fù)荷設(shè)備運(yùn)行電壓不高于125%Ue，終端負(fù)荷到蓄電池出口考慮5%Ue的線路電壓降，則最高蓄電池組端電壓不應(yīng)超過(guò)130%Ue。

蓄電池均充電壓取1.55 V/只，則均充時(shí)蓄電池組端電壓為114.72%Ue，滿足主合同條款要求。

對(duì)于控制負(fù)荷，通過(guò)硅堆降壓限制控制直流母線電壓不超過(guò)直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓的110%，以防止控制設(shè)備運(yùn)行電壓過(guò)高。

2.2 鎘鎳蓄電池容量計(jì)算

通過(guò)對(duì)水電站內(nèi)各負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，主要負(fù)荷情況見(jiàn)表1。

表1 直流負(fù)荷表

第1階段計(jì)算容量：

式中Cc1為第1階段計(jì)算容量；Kk—可靠系數(shù)，取1.4；Kc為初期(1 min)沖擊負(fù)荷的容量換算系數(shù)(1/h)，取1.38；I1為第1階段負(fù)荷電流。

第2階段計(jì)算容量：

=801.75(Ah)

式中Cc2為第2階段計(jì)算容量；Kc1為第2階段全部放電時(shí)間1.5 h的容量換算系數(shù)(1/h)，取0.44；I2為第2階段負(fù)荷電流；Kc2為89 min的容量換算系數(shù)(1/h)，取0.445。

隨機(jī)負(fù)荷計(jì)算容量：

式中Cr為隨機(jī)負(fù)荷計(jì)算容量；Ir為隨機(jī)負(fù)荷電流；Kcr為隨機(jī)(5 s)沖擊負(fù)荷的容量換算系數(shù)(1/h)，取2.9。

Cc2+Cr=801.75+12.07=814 Ah，大于Cc1， 蓄電池計(jì)算容量為814 Ah。

綜合以上計(jì)算，蓄電池容量選為1 000 Ah。由于廠房重要負(fù)荷較多，蓄電池采用冗余配置，兩組蓄電池分別帶I段母線和II段母線，當(dāng)一組蓄電池故障時(shí)，可用另一組蓄電池同時(shí)帶兩段母線。

3 充電裝置的選擇計(jì)算

充電裝置采用多個(gè)高頻開(kāi)關(guān)整流模塊并聯(lián)，即在N個(gè)模塊滿足蓄電池的充電電流加上經(jīng)常負(fù)荷電流的條件下，選用N+1個(gè)模塊。

充電裝置最大輸出電流：

I=0.2C5+Ijc=0.2×1 000+86.61

=286.6(A)

選擇單個(gè)整流模塊的額定輸出電流為50 A，則可確定N=6，即總共選用N+1=7個(gè)高頻開(kāi)關(guān)整流模塊。

充電裝置的最大輸出電壓應(yīng)大于均充電壓，考慮一定裕度，Umax≥1.1×1.55×94=160 V。

由于電站重要負(fù)荷較多，高頻開(kāi)關(guān)模塊同樣采用雙套配置，每組蓄電池配置一套充電裝置。

4 主接線方式

根據(jù)主合同條款，要求蓄電池采用兩套127 V鎘鎳蓄電池和兩套充電裝置，冗余設(shè)置，直流母線采用單母分段，每套蓄電池組和充電裝置接到不同的母線上，這種直流系統(tǒng)主接線結(jié)構(gòu)是比較常見(jiàn)的配置。

根據(jù)上述選型計(jì)算，在均充時(shí)蓄電池端電壓為114.72%，雖然滿足主合同的電壓范圍要求，但不滿足DL/T5044對(duì)控制母線電壓不超過(guò)110%Ue的要求。為了降低母線電壓，一般的做法有兩種：一是設(shè)置端電池；二是硅堆降壓。通過(guò)前面的分析，端電池方案不建議采用，而針對(duì)硅堆降壓措施，常規(guī)做法是全容量硅堆降壓，以滿足DL/T5044中對(duì)控制母線或動(dòng)力控制合并母線的運(yùn)行電壓要求。但是全容量硅堆降壓有以下幾個(gè)問(wèn)題：一是由于降壓容量大，使硅堆降壓裝置體積較大，布置困難，通常需要增設(shè)專門的屏柜來(lái)布置，增加了現(xiàn)場(chǎng)布置的難度；二是發(fā)熱量增大，散熱問(wèn)題突出，尤其是非洲熱帶地方的環(huán)境溫度本身較高，不利于設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行；三是增加設(shè)備投資，硅堆裝置本身價(jià)格較貴，提高容量后會(huì)大大增加采購(gòu)費(fèi)用。因此，從所采購(gòu)設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行電壓條件出發(fā)，蘇布雷水電站直流系統(tǒng)母線分設(shè)動(dòng)力母線和控制母線，動(dòng)力母線直接接于蓄電池端，主要負(fù)荷為事故照明負(fù)荷；控制母線經(jīng)硅堆降壓裝置引自動(dòng)力母線，通過(guò)降壓裝置把控制母線電壓控制在110%Ue范圍內(nèi)，主要負(fù)荷為保護(hù)、控制設(shè)備負(fù)荷。采用分設(shè)母線方式后，控制母線負(fù)荷容量大大降低，緩解了硅堆裝置的選型難度，見(jiàn)圖1。

圖1 直流系統(tǒng)主接線圖

5 結(jié) 語(yǔ)

IEEE 1115國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)與DL/T5044國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)在直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定上有所不同，各有側(cè)重。前者對(duì)直流母線實(shí)際運(yùn)行電壓沒(méi)有明確規(guī)定，只要能滿足合同要求的設(shè)備運(yùn)行電壓范圍即可。這種方式雖然簡(jiǎn)化了直流系統(tǒng)各參數(shù)選擇，但對(duì)負(fù)荷設(shè)備實(shí)際所能承受的運(yùn)行電壓提出了更高的要求；而后者對(duì)母線電壓有明確規(guī)定，把母線電壓控制在一定范圍內(nèi)，使負(fù)荷設(shè)備不至于承受過(guò)高的運(yùn)行電壓，但對(duì)于充電時(shí)電壓變化幅度較大的鎘鎳電池來(lái)說(shuō)，要把母線電壓控制在要求的范圍內(nèi)，還需要采用另外的一些措施。

筆者把兩種思路結(jié)合起來(lái)，提出分別設(shè)置動(dòng)力母線和控制母線，對(duì)負(fù)載容量較大的動(dòng)力母線按IEEE 1115的思路設(shè)計(jì)，以滿足合同要求的運(yùn)行電壓為準(zhǔn)。而對(duì)負(fù)載容量不大的控制母線則按DL/T5044的思路設(shè)計(jì)，采用硅堆降壓的方式來(lái)控制母線電壓，該設(shè)計(jì)方式對(duì)類似工程項(xiàng)目有一定借鑒意義。