《电厂变电站分段组合式直流电源系统设计》
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摘 要：在电厂/变电站直流系统中,蓄电池组故障不仅会导致继电保护装置误动作,还会引发各类电气事故.为提高直流系统的供电可靠性,本文采用蓄电池组分段升压的方式,开展电厂直流系统（DC110 V和DC220 V）在线监测和稳压应急电源方案设计,以实现单组电池的多段组合式冗余供电,同时研制相关应急电源装置并进行了性能测试.测试结果表明,在不改变蓄电池组原有接线方式的情况下,该装置可以实现变电站直流系统母线在线监测,同时可以在蓄电池组中单节或部分电池出现故障时实现零切换时间冗余供电,有效提高了发电厂和变电站直流系统的供电可靠性.
关键词：电厂/变电站;直流系统;蓄电池;多段;冗余;供电可靠性
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
直流系统是变电站非常重要的组成部分,它的主要任务就是给继电保护装置、断路器操作、各类信号回路提供电源,此类设备在事故停电过程中及停电后的一段时间内仍必须保持供电,否则可能引起主要设备损坏、重要自动控制失灵或危及人身安全.直流系统的正常运行与否,关系到继电保护及断路器能否正确动作,会影響变电站乃至整个电网的安全运行.近年来,国内发生了多起由蓄电池组故障引发的变电站直流母线失压故障,造成信号中断、保护拒动等事故.
1 变电站直流系统保护
1.1 变电站直流系统介绍
站用直流电源系统包括交流输入单元、充电装置、蓄电池、蓄电池放电装置、母线失压自动补偿装置、不间断电源、逆变器及馈电网络,并配置模拟量采集模块、开入量采集模块、蓄电池采集模块、开关操作模块及直流电源智能测控装置[1-2],变电站直流系统示意图如图1所示.变电站的事故保安负荷多由不间断电源或直流系统加逆变电源供电.
在供电电压等级上,220 kV以下及变电站规模较小的情况下多采用直流220 V供电[3];500 kV以上变电站多采用分布式控制方式,站内蓄电池组数较多,供电电压可以选用直流110 V.供电电压的高低决定了电池组每组的节数,电池种类相同情况下,电压越高,电池节数越多.
当变电站或电厂发生故障后,系统会出现充电模块故障,导致直流电压输出出现异常,其间需要蓄电池组放电以维持电路和控制模块等负载的正常运行[4].但是,蓄电池组采取串联模式,若一节发生故障,则会导致蓄电池组无法正常输出[5],造成直流母线失压和控制模块因失电而无法工作.经过对工程事故的研究总结,引发直流系统母线电压丢失的原因一般有蓄电池组断开和蓄电池保护电路断开两种.所以,人们往往从解决单节电池失效问题的角度进行保护方案设计.
1.2 现有保护方案概述
为提高直流系统的供电可靠性,目前已经采用了包括蓄电池跨接技术、蓄电池升压并联技术、蓄电池组分组冗余技术在内的可靠性提升方案[6].
蓄电池组跨接技术在每节电池的两端设置跨接端子,当单体电池内阻过大或发生开路故障时,跨接端子在此电池端进行跨接,对于电池组来说,仅损失一节电池的电压.此种技术的缺点在于,如果故障电池较多,就会导致电池组电压过低,从而不能正常工作[7].
电池组并联技术将电池进行升压并联,提高了直流系统的供电可靠性,如图3所示.但显而易见,此种方式增加了系统的复杂性[8].在后级短路的情况下,由于变换器的限流作用,电池组很难为后级断路器提供跳闸电流.
蓄电池组分组冗余技术可以看作是并联技术的一种特殊形式,将蓄电池分为两组,实现冗余供电.它改变了原电池组的布置方式,并且更改了原有的充电系统结构.
2 分段组合式直流电源系统设计
2.1 系统结构和工作原理
以直流220 V系统为例,多段组合式直流电源系统在不改变系统原有结构的情况下从原有电池组（110节×2 V）抽出4组抽头,即每组抽头27～28节电池,抽头再通过应急电源稳压装置连接到原直流母线上[9].当直流母线正常时,电厂直流系统在线监测及应急电源稳压装置只是实时监测两段母线电压,处于热备用状态,不投入运行.
当直流母线失压时,电网电压跌落.例如,某节蓄电池故障将导致蓄电池组失效,造成直流母线失压,由于直流系统在线监测及应急电源稳压装置实时在线监测直流母线,因此优质的蓄电池通过电厂直流系统在线监测及应急电源稳压装置给直流母线供电,确保直流负荷正常运行.此外,该系统具有蓄电池组放电检测功能,可在线对蓄电池组进行人工放电检测.系统结构如图2所示.
2.2 系统设计
2.2.1 装置参数设计.在直流母线电压降低至设定值时,单向升压DC/DC变换型电厂直流系统在线监测及应急电源稳压装置的输出端可以立即对该直流母线供电,并保证直流母线电压不低于直流标称电压的87.5%[10],该电源可不受测控装置控制自主输出,实现直流母线失压补偿功能.
功率设计方面,以电池组容量为300 Ah为例,分析装置功率选择过程.由于不同负荷对供电时间要求有所区别,应按故障情况下的供电保障优先级进行划分.以某变电站内负荷为例,在停电一开始的0～1 min内,蓄电池组将以0.3 C放电,1 min以后,蓄电池组以0.2 C放电,并按负荷在运行一段时间后逐步切除的规律持续运行.因此,初始放电阶段要求的放电电流为90 A.
当1组抽头内发生电池故障时,剩余3组每组需要提供的电流为30 A,单组装置功率220 V×30 A等于6 600 VA;为提高系统的可靠性,有必要优化设计,当2组供电时,其仍能满足放电需求,则每组容量为45 A,单组装置功率220 V×45 A等于9 900 VA.需要说明的是,对于含冲击负荷的电厂直流系统,在选择设备容量时,人们应按实际的裕量需求进行计算.
2.2.2 切换开关设计.因为该电源需要具备不受测控装置控制而自主输出的功能,本研究设计了晶闸管切换开关来实现电压差检测和开关切换,晶闸管阳极A接至DC/DC升压单元输出端正极U2+,阴极K接至220 V直流母线正极Ud+,D1为稳压管,设其稳压值为[U],压差设定值为[Uset],如图3所示.
当[U]≤0时,SCR截止;当[U≥Uset]时,流过R的电流[i等于U-UR],即注入SCR门极的电流.合理选择R和D1的参数,即可控制门极注入电流的大小,保证晶闸管可靠导通,同时,稳压管D1及电阻R的组合可满足多个档位的压差选择.由上述分析可知,压差控制开关的导通时间即为晶闸管的开通时间,一般小于200 μs,满足包括继电器在内的敏感负荷的切换速度要求.
3 系统测试
模拟母线失压的情况以测试装置的保护性能,母线电压设置为240 V,装置输出电压设置为220 V,CH3为直流母线电压,CH4为装置输入电压,CH2为负载电流.测试在空载和带载条件下母线失压时的波形,分别如图4（a）、图4（b）所示.由此可见,空载情况下,母线电压由240 V降至220 V,输入电压保持不变;带载瞬间,输入电压和输出电压都有一个下降.
4 结论
直流系統作为变电站或电厂二次设备的主要供电电源,其安全可靠性至关重要.本文对变电站中直流系统母线失压现象的原因进行了分析,并介绍了目前常用的可靠性提升技术方案及各自存在的问题,在此基础上提出了一种在不改变原有系统结构的条件下解决母线失压的方案——单组蓄电池分段组合式直流系统母线失压补偿,并分别在空载和带载的情况下对系统进行了测试.试验结果表明,分段组合技术可以有效解决直流母线失压问题.
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归纳上述，此文是一篇关于对不知道怎么写系统设计论文范文课题研究的大学硕士、系统设计本科毕业论文系统设计论文开题报告范文和文献综述及职称论文的作为参考文献资料.
系统设计引用文献:
[1] 最新超市管理系统设计论文选题参考 超市管理系统设计论文题目选什么比较好
[2] 优秀计算机控制系统设计论文选题 计算机控制系统设计论文题目怎样定
[3] 经典信息系统设计论文题目 信息系统设计毕业论文题目如何定
