300MW火電廠直流系統改造工程的研究

屠本燁 范春菊 李巖峰

摘 要：分析了某300MW火電機組直流系統現存的問題以及進行改造的必要性。從三個方面切入，論述了該系統改造工程中對于非常規情況的特殊處理的必要性：第一為直流系統充電器的選擇，第二為降壓裝置的取舍，第三為蓄電池出口的隔離保護措施。通過實例分析，改造結果對于300MW的火電廠的直流系統改造工程具有指導意義，為相似工程提供了參考。

關鍵詞：直流系統；改造工程；非常規

火電廠老廠改造常常需要依照規程完成。但是，在某些特殊情況下，非常規的做法是無法避免的，老廠直流系統改造的實例說明了特殊處理的必要性。某300MW火電機組，110V直流系統已使用30年，采用單母，雙機組帶聯絡的接線方式。目前存在的問題有：相控開關以及直流開關等老化，已無法滿足正常運行需求，其中相控開關，由于效率較低，功率因素不高，適應能力不強，噪音較大，目前已幾乎退出電廠主流直流系統；硅降壓裝置，在直流系統存在隱患，一旦硅降壓裝置故障，將會影響直流系統的供電；由于最新改造蓄電池，而未更新計算硅降壓裝置帶給系統電壓的影響，而且由于并聯兩組蓄電池，內阻變小，短路電流加大，原有的開關容量已經無法滿足保護要求。

本次改造范圍具體包括：機組及公用充電器，充電器交流側開關，充電器直流側開關，硅降壓裝置，機組蓄電池出口隔離保護設備等。

1 直流系統充電器的選擇

原有系統接線如圖1所示。相控開關已使用30年，而相控開關技術性低于高頻開關，故規程[2]建議，充電裝置宜采用高頻開關。根據直流計算書[1]中的計算結果，充電器額定輸出電流應選擇為900A。

1.1 充電器改造方案

1.1.1 模塊數量、布置比較

由于額定輸出電流需求較大，目前各直流廠家的高頻開關額定輸出電流，最大為50A，工程應用較為廣泛；另經調研，有最新推出100A模塊的廠家，但尚未投入工程應用。于是重點對這兩種模塊進行比較。根據規程[2]，當模塊額定電流為50A時，模塊數量設置的計算如公式（1）：

（1）

模塊布置見圖2，由于布局過于緊湊，不利于散熱。充電器1屏布置8塊高頻開關模塊，配備一臺直流系統監控設備；充電器2屏布置10塊高頻開關模塊。老廠反應此種布置方式下，正常的設備檢修有困難。

根據規程[2]，當模塊額定電流為100A時，模塊數量設置的計算如公式（2）：

（2）

配置模塊數量為9塊。同時按照高于規程要求選擇N+1個模塊，10塊作為充電模塊數。模塊布置見圖3布局合理，老廠反應此種布置方式下，消諧裝置等可以充分利用剩余空間，緩解了原有屏柜布置的壓力。

1.1.2 充電模塊參數比較

對于充電模塊的參數，必須滿足規程[2]要求，表為100A模塊和50A模塊的比較數據。

模塊技術參數比較表

技術指標 規程[2] 100A模塊 50A模塊

穩壓精度 ≤±0.5% ≤±0.5% ≤（±0.3%～±0.5%）

穩流精度 ≤±1% ≤±0.5% ≤（±0.5%～±1%）

紋波系數 ≤±0.5% （有效值）≤±0.1%

（峰-峰值）≤±0.35% ≤（±0.1%～±0.2%）

效率 ≥90% ≥93% ≥（94%～95%）

噪聲 ≤55dB 自然冷卻≤45dB

智能風冷≤55dB ≤（50dB～55dB）

據上表可知，100A模塊是完全滿足規程要求的。

1.2 充電器改造后的效果

從技術參數上而言，100A以及50A模塊都能滿足充電器部分改造要求；從模塊數量以及布置上而言，100A更優。目前充電器已投入使用，且運行情況良好，今后需大電流充電器的工程可選用100A模塊。

2 降壓裝置的取舍

2.1 降壓裝置改造的原因

圖1中，原有蓄電池出口母線到配電母線上具有降壓裝置。根據電廠提供的蓄電池參數，原有的蓄電池在改造之前為54節，浮充電壓Uf，均充電壓Uc以及放電終止電壓Um分別為2.23V，2.33 V以及1.85V。對于原有54節蓄電池而言，幾種狀態下的電壓值分別為公式（3）、（4）、（5）所示。

正常浮充狀態：

（3）

均衡充電狀態：

（4）

放電終止狀態：

（5）

其中，n 為模塊數，Un為系統額定電壓110V。

根據規程[2]要求，控制動力混裝負荷，需滿足公式（6）要求。

（6）

通過上式可知，54節的蓄電池無法滿足正常浮充及均衡充電要求，因此需要配備降壓裝置。故根據規程[2]規定，在有端電池或者鎳鉻電池的時候才需要增加降壓裝置。對于圖1中的蓄電池采用閥控鉛酸電池，且在電池改造中已將端電池取消，電池從54節減為52節；另外圖1中降壓裝置的位置處于蓄電池充電器母線和饋線母線之間，一旦故障則直流系統無法正常供電。

2.2 降壓裝置的改造方法

由于降壓裝置在機組事故時候的額定電流較大，即使按照原有接線連接降壓裝置仍舊會有問題。根據調研，由于降壓裝置僅在有端電壓或者鎳鉻電池使用，并且用于較小容量，直流系統廠家生產的額定電流不大。根據調研結果，即使安裝之后，事故情況依法無法保障正常供電，于是本次工程根據以往新工程的接線參考，決定取消降壓裝置。而新換電池已經按照未裝端電池做法改造，計算見公式（6）、（7）、（8）。

對于現有的52節蓄電池而言，

正常浮充狀態：

（7）

均衡充電狀態：