智能變電站直流系統(tǒng)充電模塊配置分析

蘇志雄

摘 要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展，智能變電站直流系統(tǒng)采用傳統(tǒng)開關(guān)電源技術(shù)已無(wú)法滿足智能變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。因此，本文分析智能變電站直流系統(tǒng)接線方式，并在此基礎(chǔ)上對(duì)直流系統(tǒng)充電模塊進(jìn)行配置分析，以期給相關(guān)工作人員提供參考。

關(guān)鍵詞：智能變電站;直流系統(tǒng);充電模塊

中圖分類號(hào)：TM721 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）26-0038-03

Analysis of the Configuration of Charging Modules in the DC

System of Smart Substations

SU Zhixiong

（Xiamen Electric Power Survey and Design Institute Co.， Ltd.，? Xiamen Fujian 361000）

Abstract： With the rapid development of social economy and technology， the use of traditional switching power supply technology in smart substation DC systems can no longer meet the requirements of the safe and stable operation of smart substations. The configuration analysis of the charging module was carried out， which provided reference for related staff.

Keywords： smart substation;DC system;charging module

在智能變電站一體化交直流電源中，直流電源系統(tǒng)由充電裝置、蓄電池組、逆變電源以及DC/DC通信電源設(shè)備等組成，主要用于開關(guān)操作、繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置、綜自系統(tǒng)、逆變電源及DC/DC通信電源等，是智能變電站一體化電源的重要組成部分，關(guān)系著變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前，智能變電站直流系統(tǒng)借助冗余和均流技術(shù)實(shí)現(xiàn)充電模塊[N]+1配置，保證了直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

1 智能變電站中直流系統(tǒng)的接線方式

智能變電站110 V或220 V直流系統(tǒng)采用一組充電裝置及蓄電池組、兩組充電裝置及蓄電池組或三組充電裝置及兩組蓄電池組的運(yùn)行方式[1]。采用一組充電裝置及蓄電池組的直流系統(tǒng)的接線方式是單母線接線;采用兩組充電裝置及蓄電池組、三組充電裝置及兩組蓄電池組的直流系統(tǒng)接線方式為單母分段接線，同時(shí)分段開關(guān)正常運(yùn)行時(shí)在斷開位置，滿足充電裝置、蓄電池組、直流母線檢修的需要;對(duì)于500 kV智能變電站110 V或220 V直流系統(tǒng)，應(yīng)采取三組充電裝置及兩組蓄電池組的運(yùn)行方式。第三組充電裝置正常運(yùn)行時(shí)處于備用狀態(tài)，充電整流設(shè)備采用智能高頻開關(guān)電源，通過(guò)充電模塊并聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充電/浮充電的功能。直流系統(tǒng)采用主、分屏兩級(jí)供電，主屏采用單母線分段接線，每段母線接一組蓄電池和一套高頻開關(guān)電源。兩段母線分開運(yùn)行，采用聯(lián)絡(luò)屏雙投開關(guān)切換進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。當(dāng)?shù)谝唤M或者第二組充電裝置故障或需要檢修時(shí)，退出第一組或者第二組充電裝置，由第三組充電裝置代運(yùn)行。三組充電裝置的充電模塊配置是一樣的，因此具有代替性。單母分段接線方式具有很高的直流系統(tǒng)可靠性，三組充電裝置可以在兩段直流母線中進(jìn)行切換，增加可靠性，減少設(shè)備投資。因此，為了保障500 kV智能變電站直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，其直流系統(tǒng)都要求采用單母分段接線方式。

智能變電站48 V通信電源直流系統(tǒng)根據(jù)變電站電壓等級(jí)，可采用一組充電裝置及蓄電池組、兩組充電裝置及蓄電池組的運(yùn)行方式。對(duì)于兩組充電裝置及蓄電池組的48 V通信電源直流系統(tǒng)，其接線采用單母分段接線方式，分段開關(guān)正常運(yùn)行時(shí)在斷開位置，滿足其中一組充電裝置及蓄電池組退出運(yùn)行檢修的要求，智能變電站48 V直流兩組高頻開關(guān)電源系統(tǒng)各自帶負(fù)荷獨(dú)立運(yùn)行。每個(gè)高頻開關(guān)電源有兩路交流輸入，正常時(shí)兩路均投上，故障發(fā)生時(shí)自動(dòng)切換，從而保障智能變電站中48 V通信電源安全穩(wěn)定運(yùn)行。在工程實(shí)際運(yùn)用中，220 kV及以下變電站DC/DC通信電源通常不單獨(dú)設(shè)置蓄電池及充電裝置，而是采用DC/DC電源模塊接于直流母線。

2 直流充電模塊配置分析

直流充電模塊主要由EMI防雷單元、全橋整理單元、DC/DC變換單元、平滑濾波單元、交流單元、直流單元、過(guò)溫保護(hù)單元以及模塊監(jiān)控單元等部分組成，如圖1所示。充電模塊三相交流輸入先進(jìn)行防雷處理和EMI濾波，后經(jīng)整流轉(zhuǎn)換成高壓直流，再通過(guò)全橋PWM電路逆變?yōu)楦哳l交流，經(jīng)高頻變壓器隔離降壓后通過(guò)高頻整流濾波成為直流電，最后經(jīng)EMI濾波和防反接保護(hù)輸出。

2.1 技術(shù)參數(shù)

直流充電模塊對(duì)電壓調(diào)節(jié)范圍、輸出限流范圍、穩(wěn)流以及穩(wěn)壓精度進(jìn)行了規(guī)定，具有輸出過(guò)壓保護(hù)、欠壓告警的作用。直流系統(tǒng)充電模塊技術(shù)參數(shù)如表1所示[2]。

2.2 高頻開關(guān)電源

由于充電模塊高頻開關(guān)元器件的額度容量限制，單個(gè)充電模塊高頻開關(guān)電源模塊的最大輸出功率只有幾千瓦到幾十千瓦，但實(shí)際上需要幾十千瓦到幾百千瓦才能為變電站直流系統(tǒng)負(fù)荷供電。因此，變電站直流系統(tǒng)充電裝置一般采用多個(gè)高頻開關(guān)電源模塊并聯(lián)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)高輸出功率。高頻充電模塊減小了隔離變壓器的體積和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了模塊化。此外，高頻開關(guān)電源采用的軟開關(guān)技術(shù)可以顯著降低開關(guān)損耗，提高轉(zhuǎn)換效率。模塊監(jiān)控單元持續(xù)監(jiān)測(cè)直流系統(tǒng)正負(fù)極母線對(duì)地的絕緣情況。其中：正極母線接地會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng);負(fù)極母線接地會(huì)導(dǎo)致斷路器拒動(dòng)。直流系統(tǒng)220 V或者110 V蓄電池組一般由104個(gè)串聯(lián)的2 V單節(jié)電池組成，電池浮充電壓為2.15～2.25 V。充電模塊監(jiān)控單元通過(guò)采集電池端電壓、充電電流以及巡檢單節(jié)電池電壓來(lái)監(jiān)控電池的運(yùn)行狀態(tài)。直流饋線為開關(guān)操作電源、保護(hù)和自動(dòng)控制裝置等提供可靠的直流電源。

直流系統(tǒng)充電模塊的數(shù)量[N]通常按式（1）進(jìn)行配置[3]：

N=（1.00～1.25）I+I/IN （1）

式中：I為110 V或220 V蓄電池組10 h均衡放電電流;I為直流系統(tǒng)最大經(jīng)常性負(fù)荷電流;I為單個(gè)充電模塊額定電流。

2.3 供電方式

110 V或者220 V直流充電電源和48 V通信電源充電模塊均采用[N]+1模塊化并聯(lián)冗余供電方式。高頻開關(guān)電源的小型化、高頻化、模塊化有利于[N]+1冗余技術(shù)的發(fā)展。所謂[N]+1冗余，是指[N]個(gè)電源可以并聯(lián)供電，滿足所有負(fù)載的用電需求，再并聯(lián)另一個(gè)電源模塊，進(jìn)一步提高電源的可靠性。如果其中一個(gè)模塊出現(xiàn)故障，則將剩余的[N]個(gè)模塊并聯(lián)，以滿足電源要求。這種類型的電源比使用單個(gè)充電模塊電源更可靠，且不停電插拔的方式使得維護(hù)和維修更加方便，因?yàn)楣收想娫茨K可以在不停電的情況下從供電系統(tǒng)中脫離。

2.4 輸出特性

[N]+1并聯(lián)的各個(gè)充電模塊的輸出特性并不完全一致。輸出電壓和輸出電流的變化率越小，輸出特性越好。如果輸出電壓相同，輸出特性好的充電模塊會(huì)比輸出特性差的充電模塊承載更大的電流，而輸出特性差的充電模塊會(huì)承載更小的電流或空載，導(dǎo)致輸出特性好的充電模塊因通過(guò)電流過(guò)大而發(fā)熱嚴(yán)重，從而造成使用壽命縮短。這就要求[N]+1并聯(lián)的各個(gè)充電模塊能夠均勻分配充電電流。

2.5 均流技術(shù)

直流充電模塊常用的均流技術(shù)是輸出阻抗均流技術(shù)。這種均流方式精度較低，需要手動(dòng)指定主模塊進(jìn)行主從均流技術(shù)通信。對(duì)于[N]+1并聯(lián)冗余配置的充電模塊，如果其中任一個(gè)充電模塊故障退出運(yùn)行，將無(wú)法自動(dòng)指定主模塊。這種均流方式不滿足[N]+1并聯(lián)配置充電模塊的要求。為了保證，每個(gè)模塊可以在正常運(yùn)行與故障退出運(yùn)行的狀態(tài)下相互互換，需要另一種均流技術(shù)即民主均流技術(shù)，根據(jù)最大輸出電流實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流。民主均流技術(shù)和主從均流技術(shù)的主要區(qū)別在于，不用手動(dòng)預(yù)先指定每個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的電源模塊的主從模塊設(shè)置，而是根據(jù)輸出電流實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流，從而滿足[N]+1并聯(lián)配置充電模塊的要求[4]。

3 直流充電模塊配置案例

某220 kV智能變電站220 V直流系統(tǒng)采用兩臺(tái)充電裝置、兩組蓄電池組的單母分段接線方式，考慮到用于開關(guān)操作、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、綜自系統(tǒng)以及通道電源的負(fù)荷，蓄電池選用800 Ah閥控式密封鉛酸蓄電池組?？刂啤⒈Ｗo(hù)、自動(dòng)化系統(tǒng)負(fù)荷為20 kW;DC/DC變換裝置負(fù)荷為16.8 kW;選用單個(gè)充電模塊額定輸出電流為40 A的直流充電模塊;根據(jù)[N]+1的并聯(lián)冗余配置充電模塊的要求，單臺(tái)充電裝置配置7個(gè)40 A充電模塊。其中，一臺(tái)充電裝置的接線圖如圖2所示。

直流系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)兩套充電裝置分別投入運(yùn)行，直流母線聯(lián)絡(luò)隔離開關(guān)在分閘位置，充電模塊交流電源輸入電壓在380 V±15%范圍內(nèi)變化[5]。采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式，直流系統(tǒng)過(guò)電壓后充電模塊自動(dòng)閉鎖，相應(yīng)充電模塊故障指示燈亮，故障充電模塊自動(dòng)退出工作而不影響整個(gè)直流系統(tǒng)正常運(yùn)行。在充電模塊工作的每個(gè)時(shí)間段，如果通過(guò)充電模塊的電流超過(guò)充電模塊承受電流，則關(guān)閉充電模塊功率器件，達(dá)到保護(hù)充電模塊功率器件的目的，過(guò)流保護(hù)可自動(dòng)恢復(fù)。當(dāng)充電模塊檢測(cè)散熱器溫度超過(guò)90 ℃時(shí)自動(dòng)關(guān)機(jī)保護(hù)，散熱器溫度降低后充電模塊自啟動(dòng)。充電模塊采用同縮下垂限流方式，輸出短路時(shí)充電模塊在瞬間把輸出電壓拉低到零，限制短路電流在額定輸出電流的15%以下，此時(shí)充電模塊輸出功率很小，已達(dá)到保護(hù)充電模塊和用電設(shè)備的目的。模塊可長(zhǎng)期工作在短路狀態(tài)，不會(huì)損壞，排除故障后充電模塊可自動(dòng)恢復(fù)工作。每個(gè)充電模塊內(nèi)部均有并聯(lián)保護(hù)電路，絕對(duì)保證故障充電模塊自動(dòng)退出系統(tǒng)，而不影響其他正常充電模塊工作[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

智能變電站直流系統(tǒng)采用傳統(tǒng)開關(guān)電源技術(shù)已無(wú)法滿足智能變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。本文分析了智能變電站直流系統(tǒng)接線方式，并在此基礎(chǔ)上對(duì)直流系統(tǒng)充電模塊進(jìn)行配置分析，給出了直流系統(tǒng)充電模塊配置公式，同時(shí)結(jié)合直流系統(tǒng)所帶負(fù)載功率，按照[N]+1冗余配置原則進(jìn)行充電模塊配置，實(shí)現(xiàn)了智能變電站直流系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]阮佳.智能變電站中高頻開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用[J].通信電源技術(shù)，2019（12）：92-93.

[2]林兆紅.淺談智能變電站中高頻開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用[J].電子世界，2019（14）：157-158.

[3]胡晶霞.智能變電站中高頻開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用[J].通訊世界，2015（16）：84.

[4]朱世盤，張永超，史忠誠(chéng).智能變電站中高頻開關(guān)電源技術(shù)應(yīng)用[J].中國(guó)電力，2015（1）：142-145.

[5]程玉凱，吳智強(qiáng).智能變電站一體化電源的典型應(yīng)用探討[J].山東電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2020（6）：12-16.

[6]謝清宇.智能變電站交直流一體化電源系統(tǒng)分析[J].電子技術(shù)與軟件工程，2021（2）：210-211.

2631501186370