ATS水電站直流電源系統設計計算

赤 磊

（新疆水利水電勘測設計研究院）

1 工程概況

工程為水電站工程，裝機容量為4 150. 8 ，機組變壓器組合方式采用單元接線，電站高壓側采用220 kV電壓等級，雙母線接線，進線4回、出線5回、母線聯絡斷路器1臺、PT2組、高壓電抗器1組；電站高壓廠用電系統設置2臺廠高變及22面配電柜。電站按無人值守、少人值班原則，設置微機監控系統、微機繼電保護裝置和安全自動裝置系統、直流系統等裝置。

2 工程直流電源系統基本資料

直流電源采用膠體閥控式密封鉛酸蓄電池，接線方式采用無端電池方式，供電方式采用控制負荷和動力負荷合并供電方式，額定電壓采用220 V，單體蓄電池額定電壓采用2 V。運行方式為蓄電池投入運行前，進行初充電，初充電完成后即轉入正常運行連續浮充電，事故放電后或發現電池不均衡時，進行均衡充電或補充電，蓄電池初充電、均衡充電、補充電充電方式采用二段定電流、定電壓充電方式。

3 直流電源系統計算

3.1 交流不間斷電源（UPS）輸出容量計算

計算公式：

將上述各影響系數歸總為可靠系數，并根據相應取值得出：

取平均值：

經交流不間斷電源（UPS）負荷統計得：

則由容量計算公式得到：

故工程交流不間斷電源（UPS）標稱輸出容量選擇30 kVA。

3.2 逆變電源（INV）輸出容量計算

電力用逆變電源（INV）是一種不含整流器的電力用交流不間斷電源。其計算公式和過程與交流不間斷電源（UPS）相同，不在贅述。故工程交流不間斷電源（UPS）標稱輸出容量選擇40 kVA。

3.3 直流蓄電池輸出容量計算

3.3.1 蓄電池參數選擇

3.3.1.1 蓄電池個數選擇

按滿足在浮充電運行時直流母線電壓的1.05倍計算。

故計算公式：n=1.05 Un/Uf

閥控式密封鉛酸蓄電池的單體浮充電電壓值宜取2.23～2.27 V。

工程Uf=2.23V，則由蓄電池個數計算公式得到：

n=1.05 Un/Uf=1.05 220/2.23=103.59≈104只

3.3.1.2 蓄電池均衡充電壓選擇

根據規范要求：蓄電池連接負荷進行均衡充電時，蓄電池均衡充電電壓應根據蓄電池個數及直流母線電壓允許的最高值選擇單體蓄電池均衡充電電壓值，對于控制負荷和動力負荷合并供電，單體蓄電池均衡充電電壓值≤1.lO Un/n。

工程蓄電池均衡充電電壓取2.33 V。

計算公式：2.33≤1.lOUn/n=1.10 220/104=2.37。

3.3.2 單體蓄電池事故放電末期終止電壓選擇

按蓄電池個數及直流母線電壓允許的最低值選擇單體蓄電池事故放電未期終止電壓。

計算公式：Um≥0.88 Un/n。

得：Um≥0.88Un/n=0.88 220/104=1.85 V

工程單體蓄電池事故放電末期終止電壓取：1.87 V。

3.3.3 蓄電池容量的選擇

直流負荷統計見表1。

容量換算系數計算公式：

滿足事故初期（1 min）沖擊放電電流容量的要求，初期（1min）沖擊蓄電池10 h放電率計算容量如下：

表1 直流負荷數據統計表

計算公式：

滿足事故全停電狀態下持續放電容量要求，不包含初期1min沖擊放電電流，各個階段計算容量如下：

第一階段（1-30 min）計算容量：

第二階段（30-60 min）計算容量：

第三階段（60～120min）計算容量：

工程為無人值班、少人值守工程，事故狀態可在60 min內解除，故工程直流負荷時間按1 h計算，不計算60 min之后階段的放電容量。

隨機負荷計算容量計算公式：

將r疊加在c1、c2……中最大的階段上，然后與cho比較，取較大值，計算容量為：1030.40 Ah，選擇容量為：1200 Ah。

3.4 充電裝置及整流模塊選擇

鉛酸蓄電池lO h放電率電流（A）：

充電裝置額定電流的選擇根據規范充電裝置額定電流的選擇應滿足下列要求：

①滿足浮充電要求時計算公式為：

②滿足蓄電池充電要求時計算公式為：

③滿足蓄電池均衡充電要求時計算公式為：

故工程單組直流蓄電池充電裝置額定電流選擇為：315 A。

充電裝置額定電壓的選擇：

故選擇：250 V。

工程按照一組蓄電池配置兩組高頻開關電源，其模塊選擇為：

經計算每組蓄電池高頻開關電源模塊選擇為：充電模塊額定電流60 A，充電模塊數量5個。

3.5 蓄電池回路設備及直流柜主母線選擇

工程蓄電池回路設備及直流柜主母線選擇如下：回路電流：660 A；電流測量范圍：i 800 A；放電試驗回路電流：144 A；主母線銅導體截面：60 6 mm2。

3.6 蓄電池短路電流計算

工程單組蓄電池電阻及出口短路電流選擇如下：蓄電池電阻12.43 mΩ；蓄電池出口短路電流17.69 kA；直流電源系統標稱電壓220 V；蓄電池個數：104只。

在蓄電池引出端子上短路，則短路電流計算為：

在蓄電池組連接的直流母線上短路，則短路電流計算為：

4 結 語

電站在直流電源系統設計過程中，通過查閱大量的文獻及規程規范，依據直流用電設備的特性對直流負荷進行了嚴格的統計，在確定數據無誤的情況下以相應設計規范為依據進行直流電源系統的設計和元器件參數選擇。針對計算結果的可靠性，選擇了三家國內知名品牌的直流設備生產廠家進行了復核計算和校驗，結論一致。電站預計在2021年初投產運行，屆時設計成果將會在工程中得到最終檢驗。