風電場升壓變電站交直流一體化電源的研究與設計

陳亮亮，楊鎮澴，劉孝鑫，楊麗薇

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安　710065)

?

風電場升壓變電站交直流一體化電源的研究與設計

陳亮亮，楊鎮澴，劉孝鑫，楊麗薇

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安710065)

摘要：分析了風電場升壓變電站站用電源的現狀及不足，介紹了交直流一體化電源的總體結構及設備配置，通過甘肅某風電場的實際案例，結合國家標準、電力標準以及國家電網公司相關條文的要求，詳細闡述了風電場升壓變電站交直流一體化電源的基本設計方案，并提出了幾點注意事項，為相關設計提供了參考。

關鍵詞：風電場升壓變電站；交直流一體化電源；研究與設計

0前言

風電場升壓變電站的站用電源分為：交流配電電源、交流不間斷電源(UPS)、直流電源及通信電源等。各子系統一般采用分散設計，獨立配置、獨立組屏，由于缺乏整合機制，所以存在以下不足[1-4]：

(1) 資源配置浪費。直流電源、交流不間斷電源(UPS)與通信電源分別配置獨立的蓄電池及充電模塊，浪費嚴重。

(2) 難以實現系統化管理。各子系統的通信規約五花八門，不能與升壓變電站綜合自動化系統兼容，難以實現信息共享和網絡化管理。

(3) 運行維護不便。各子系統設備由不同的供貨廠商生產、安裝、調試及售后，工作中協調困難；同時受不同專業人員的運維，人力資源也不能總體調配。

為了解決上述問題，交直流一體化電源得到了廣泛的應用。

1交直流一體化電源的基本特點

交直流一體化電源系統采用分層分布式組織結構，各組件的測控模塊采用一體化設計、一體化配置；各組件的運行工況和信息數據能夠通過一體化監控模塊進行現場顯示，并以標準的IEC61850格式接入當地綜合自動化系統，甚至能夠上傳至遠方調度監控中心，實現交直流一體化電源系統運行狀態信息的實時監測。

交直流一體化電源的基本結構如圖1所示，通信網絡如圖2所示。不難看出，與傳統的站用電源方案相比，交直流一體化電源方案在結構上有以下幾個明顯的特點[5-7]：

(1) 將直流電源及交流不間斷電源(UPS)的蓄電池合并為1組蓄電池。

(2) 取消了通信電源的蓄電池，使用直流變換電源(DC/DC)直接從直流母線上為通信負荷供電。

(3) 取消了各組件獨立的防雷保護裝置，從整體上統一進行防雷配置。

(4) 任意組件故障都不影響整個電源系統運行。

(5) 各組件的測控模塊統一接入一體化監控器，一體化監控器再通過 “1個接口、1個規約”接入當地綜合自動化系統。

圖1　交直流一體化電源的基本結構圖

圖2　交直流一體化電源的通信網絡圖

2交直流一體化電源的設計實例

甘肅某風電場，配套建設一座110 kV升壓變電站，按照“無人值班”(少人值守)的方式運行，采用交直流一體化電源方案進行設計[8-11]。

2.1系統方案設計

根據DL/T 5044-2014《電力工程直流電源系統設計技術規程》[8]及DL/T 1074-2007《電力用直流和交流一體化不間斷電源設備》[9]的要求，并結合通信專業的相關要求，交直流一體化電源各組件的配置如表1所示。

表1　組件配置表

通過對系統方案的分析不難看出，該方案的優缺點主要有以下幾個方面：

(1) 優點

1) 電源變換組件采用冗余配置，能夠保證任意模塊的故障都不會造成相應饋電母線失壓，更不會造成相應饋電系統全停，饋電可靠性較強。

2) 交直流饋線開關采用模塊化設計，模塊內的運行參數及采集信息的數字化處理、信息上傳及下達都通過模塊內部的集成電路完成，使檢修維護更簡單、更方便。

3) 一體化監控模塊采用標準的IEC61850格式作為對外規約，能夠滿足目前所有主流廠商綜合自動化系統的通信需要，并為以后數字化、智能化的升級改造預留了接口。

(2) 缺點

1) 由于交流進線只采用了1套ATS模塊，所以整個系統是處于單電源供電的運行狀態，但綜合考慮本工程的電壓等級以及對電網的重要程度，單電源供電也是合適的。

2) 由于直流變換電源(DC/DC)的使用，致使DC-48 V系統需加裝儲能電容，并同時選用B型脫扣曲線的饋線斷路器，系統結構稍顯復雜。

2.2主要設備關鍵參數選擇

2.2.1蓄電池組

蓄電池組選用單體2 V的閥控式密封鉛酸蓄電池(貧液)。根據文獻[8]的推薦參數，蓄電池單體浮充電電壓取2.23 V，單體放電終止電壓取1.87 V。

根據統計，交流不間斷電源(UPS)負荷為3.5 kW，直流變換電源(DC/DC)負荷為2.7 kW，則全站直流負荷如表2所示。

表2　直流負荷統計表

計算得到：

=178.5Ah

(1)

(2)

(3)

式中：Ccho為初期蓄電池10 h放電率計算容量；Icho為初期沖擊放電電流；Kcho為初期沖擊負荷的容量換算系數；Cc為蓄電池10 h放電率持續階段的計算容量；Ic為持續階段負荷電流；Kc為持續階段全部放電時間的容量換算系數；Cr為隨機負荷計算容量；Ir為隨機負荷電流；Kr為隨機沖擊負荷的容量換算系數；Kk為可靠系數，取1.40。

需要注意的是，直流變換電源(DC/DC)的事故放電時間應參照《基建和生產標準差異協調統一條款(變電部分)》(國家電網科〔2011〕12號)的要求，按4 h計算。其余負荷的事故放電時間參照無人值班變電站的要求，按2 h計算。

根據計算結果，193.7+4.0=197.7≥178.9，所以蓄電池的計算容量應為197.7 Ah，最終選擇標稱容量C10為200 Ah的蓄電池。

2.2.2AC/DC模塊

AC/DC模塊選用高頻開關電源模塊型充電裝置，且1組蓄電池配置了2套充電裝置。充電裝置額定電流的選擇應滿足浮充電、初充電和均衡充電的要求，充電裝置的模塊數也應滿足公式要求

(4)

Ir=1.0I10～1.25I10=20～25A

(5)

(6)

(7)

式中：Ir為充電裝置額定電流；n為充電裝置的模塊選擇數量；Ijc為經常負荷電流；I10為蓄電池10 h放電率電流；Ime為單個模塊額定電流。

根據計算結果，最終選擇3個額定電流為10 A的高頻開關電源模塊組成的充電裝置。

2.2.3DC/DC模塊

DC/DC模塊選用通信用直流變換電源裝置。直流變換電源裝置輸出電流的選擇應滿足通信負荷的要求，同時還應與饋線開關的脫扣進行配合。根據統計，直流變換電源(DC/DC)負荷為2.7 kW，則根據計算得到

(7)

(8)

式中：Io為直流變換電源裝置輸出電流；P∑為全部負荷的計算功率；Un為系統額定電壓，取48 V；Ifmax為饋線開關中的最大額定電流，取10 A。

根據計算結果，最終選擇輸出電流為60 A的直流變換電源裝置。

2.2.4UPS模塊

UPS模塊選用電力用交流不間斷電源裝置。根據統計，交流不間斷電源(UPS)負荷為3.5 kW，則根據計算得到：

(9)

式中：Sc為UPS裝置計算容量；P∑為全部負荷的計算功率；Krel為可靠系數，取平均值1.43；cosφ為負荷功率因數，取平均值0.7。

根據計算結果，最終選擇容量為8 kVA的交流不間斷電源(UPS)裝置。

2.2.5ATS模塊

ATS模塊選用可編程智能自動轉換開關，可預設多種工作模式，實現站用電源多種運行方式的智能聯動。

將全部站用電源的負荷折算到總交流進線側，得到全站總負荷大約為16 kVA，考慮適當的裕度，最終選擇額定電流為63 A的自動轉換開關。

3交直流一體化電源的其他優點

從前文所述可以看出，交直流一體化電源在系統方案設計上相較傳統的站用電源有著無可比擬的優勢。除了這些明顯的、可見的優勢之外，在實際的工程應用中，交直流一體化電源還有其特有的優點。

首先，全部設備由唯一的一個供貨廠商負責生產、安裝和調試。可以使所有柜體的尺寸和形式保持一致；也可以在組屏時充分考慮柜內的空間利用率，有效地減少屏柜數量和占地空間；調試及后期維護時，能夠減少協調工作量及維護費用。

其次，一體化監控器的存在使系統具備了智能化的基本功能。可以針對全系統自動進行運行方式的管理，以達到最佳的運行狀態；可以統一進行波形優化處理，對各饋電系統的輸出電壓電流進行控制；根據各組件的工作狀態和參數變化趨勢，能夠及時、準確判斷異常或故障類型，并自動實施異常工況限制、故障保護和聲光報警顯示等功能。

4交直流一體化電源的下一步工作

總的來說，交直流一體化電源使用成熟的交流技術和直流技術，沒有任何技術風險。但為了給通信負荷供電而引入的直流變換電源裝置，卻帶來了新的問題[12-15]。

該問題主要是由于通信設備缺少了蓄電池的直接支持，會導致直流變換電源裝置在大電流過載沖擊或饋電回路發生短路故障，有可能造成饋電母線電壓跌落，從而造成其他通信設備重啟，目前還沒有特別完善的解決辦法。目前的解決辦法主要是在工程設計中采取一定措施，以盡量提高饋線斷路器可靠動作的概率。

如果通信設備能夠實現DC110 V/220 V的高壓直流供電，那么該問題就會迎刃而解，不過考慮到目前尚未有成熟的產品和應用的案例，還需要進一步的研究。

5結語

交直流一體化電源是站用電源設計和管理模式的創新與發展，其技術先進、維護方便、運行安全可靠，得到了廣泛的現場推廣及應用。隨著電網公司數字化變電站相繼建設投產及全國智能變電站試點項目的建設，交直流一體化電源的優勢會更加凸顯。

參考文獻:

[1]蘇紀臣,袁和剛,王波.交直流一體化電源在110 kV變電站中的應用[J].電子技術,2014(8)：37-39.

[2]焦國鋒,雷宏.智能變電站交直流一體化電源系統的研究與應用[J].陜西電力,2010，38(10)：37-40.

[3]李淮海,張玉林,孫向東,龐紅梅.智能交直流一體化站用電源系統的研究與應用[J].華東電力,2011，39(6)：919-922.

[4]陳鞏.電力工程直流電源可靠性研究[J].電力設備,2005,6(9)：8-10.

[5]吳鳳婷.變電站站用交直流一體化電源的解決方案[J].南方電網技術,2011,5(3)：87-89.

[6]劉成印,高峰,馬金平,甄陽清.一體化的變電站電源系統[J].電力自動化設備,2010，30(9)：111-113.

[7]陳海登.變電站智能站用交直流一體化電源系統的應用[J].農村電工,2009，18(5)：31-32.

[8]國家能源局.DL/T 5044-2014,電力工程直流電源系統設計技術規程[S].北京：中國計劃出版社，2015.

[9]DL/T 1074-2007,電力用直流和交流一體化不間斷電源設備[S].北京：中國電力出版社，2007.

[10]能源部西北電力設計院.電力工程電氣設計手冊：電氣二次部分[M].北京：中國電力出版社，1991.

[11]白忠敏,劉百震,於崇干.電力工程直流系統設計手冊[M].北京：中國電力出版社,1999.

[12]謝堯,黃獻軍,葉萌,張飛,張斌.變電站DC/DC一體化電源技術研究[J].中國電機工程學報,2011，31(z1)：273-276.

[13]趙軼玨,樊冬梅.交直流電源一體化存在問題探討[J].廣西電力,2013，36(6)：76-78.

[14]王炳林,郭巍.變電站交直流一體化電源系統的設計與應用[J].冶金動力,2013，21(5)：6-10.

[15]周勇,衛成杰,陳忻磊,何燕潔,龔震東.交直流一體化電源系統在特高壓練塘站的應用[J].華東電力,2014，42(9)：1766-1773.

Study and Design of AC/DC Integrated Power Supply of Step-up Station in Wind Farm

CHEN Liangliang, YANG Zhenhuan, LIU Xiaoxin, YANG Liwei

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065, China )

Abstract:The status and disadvantages of the service power supply of the step-up station of wind farm are analyzed. Accordingly, the general structure and equipment arrangement of the AC/DC integrated power supply are introduced. Based on one wind farm in Gansu Province and in combination with requirements of the national standards, electric power standards and terms of the State Power Grid, the basic design scheme of the AC/DC integrated power supply of the step-up station of wind farm are described in detail. Attentions are proposed. This provides the relevant design with reference.

Key words:step-up station; AC/DC integrated power supply; study and design

中圖分類號：TM614

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.017

作者簡介：陳亮亮(1984- )，男，陜西省西安市人，工程師，注冊電氣工程師(發輸變電)，主要從事電氣二次設計工作.

收稿日期：2015-11-02

文章編號：1006—2610(2016)02—0063—04