電廠/變電站分段組合式直流電源系統設計

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，還會引發各類電氣事故。為提高直流系統的供電可靠性，本文采用蓄電池組分段升壓的方式，開展電廠直流系統（DC110 V和DC220 V）在線監測和穩壓應急電源方案設計，以實現單組電池的多段組合式冗余供電，同時研制相關應急電源裝置并進行了性能測試。測試結果表明，在不改變蓄電池組原有接線方式的情況下，該裝置可以實現變電站直流系統母線在線監測，同時可以在蓄電池組中單節或部分電池出現故障時實現零切換時間冗余供電，有效提高了發電廠和變電站直流系統的供電可靠性。

關鍵詞：電廠/變電站;直流系統;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。直流系統的正常運行與否，關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的安全運行。近年來，國內發生了多起由蓄電池組故障引發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 變電站直流系統保護

1.1 變電站直流系統介紹

站用直流電源系統包括交流輸入單元、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、開關操作模塊及直流電源智能測控裝置[1-2]，變電站直流系統示意圖如圖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加逆變電源供電。

在供電電壓等級上，220 kV以下及變電站規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，站內蓄電池組數較多，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數，電池種類相同情況下，電壓越高，電池節數越多。

當變電站或電廠發生故障后，系統會出現充電模塊故障，導致直流電壓輸出出現異常，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，蓄電池組采取串聯模式，若一節發生故障，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。經過對工程事故的研究總結，引發直流系統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電池失效問題的角度進行保護方案設計。

1.2 現有保護方案概述

為提高直流系統的供電可靠性，目前已經采用了包括蓄電池跨接技術、蓄電池升壓并聯技術、蓄電池組分組冗余技術在內的可靠性提升方案[6]。

蓄電池組跨接技術在每節電池的兩端設置跨接端子，當單體電池內阻過大或發生開路故障時，跨接端子在此電池端進行跨接，對于電池組來說，僅損失一節電池的電壓。此種技術的缺點在于，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]。

電池組并聯技術將電池進行升壓并聯，提高了直流系統的供電可靠性，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可以看作是并聯技術的一種特殊形式，將蓄電池分為兩組，實現冗余供電。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結構。

2 分段組合式直流電源系統設計

2.1 系統結構和工作原理

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

當直流母線失壓時，電網電壓跌落。例如，某節蓄電池故障將導致蓄電池組失效，造成直流母線失壓，由于直流系統在線監測及應急電源穩壓裝置實時在線監測直流母線，因此優質的蓄電池通過電廠直流系統在線監測及應急電源穩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。系統結構如圖2所示。

2.2 系統設計

2.2.1 裝置參數設計。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在線監測及應急電源穩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別，應按故障情況下的供電保障優先級進行劃分。以某變電站內負荷為例，在停電一開始的0～1 min內，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律持續運行。因此，初始放電階段要求的放電電流為90 A。

當1組抽頭內發生電池故障時，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;為提高系統的可靠性，有必要優化設計，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，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來實現電壓差檢測和開關切換，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為穩壓管，設其穩壓值為[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，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的敏感負荷的切換速度要求。

3 系統測試

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 結論

直流系統作為變電站或電廠二次設備的主要供電電源，其安全可靠性至關重要。本文對變電站中直流系統母線失壓現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結構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母線失壓補償，并分別在空載和帶載的情況下對系統進行了測試。試驗結果表明，分段組合技術可以有效解決直流母線失壓問題。

參考文獻：

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