交直流电源一体化存在问题探讨论文_贾可君,田贵

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摘要:站用电源是变电站安全运行的基础,随着变电站综合自动化程度的不断提升及大量无人值班变电站投运,相应提高站用电源整体的运行水平具有重要意义。现有站用电源在资源整合、自动化水平、治理模式等方面都还存在很大的优化空间,结构紧凑、经济可靠的变电站交直流一体化电源模式具有广阔的应用前景。本文对交直流电源一体化存在问题与策略进行了探讨。

关键词:交直流电源一体化;问题;措施

前言

站用交直流一体化电源系统是由站用交流电源、直流电源、交流不间断电源(UPS)、直流变换电源(DC/DC)等装置组成,并统一监视控制,共享直流电源、蓄电池组的电源系统。因此该系统应进行一体化设计、一体化配置、一体化监控,使其运行工况和信息数据能够上传至监控系统后台,并能够实现就地和远方控制功能,实现站用电源设备的系统联动。交直流一体化电源系统目前在常规交流变电站以及智能变电站中应用较广,但其仍存在一定的问题。本文探讨一体化电源存在的主要问题,并提出了对应的解决方案。

1交直流一体化电源原理

(1)交直流一体化电源的核心是直流操作电源电源系统由交流配电单元、高频整流模块、蓄电池组、降压单元、绝缘监测装置、电池巡检装置、配电监测单元和集中监控模块等部分组成,系统构成原理接线如图1所示。

图1 直流操作电源系统构成原理接线图

交流输入电源正常时,通过交流配电单元给各整流模块供电。整流模块将交流电变换为直流电,经保护电器(熔断器或断路器)输出,一方面给蓄电池组充电,另一方面经直流馈电单元给直流负荷提供正常的工作电源。当交流输入电源故障停电时,整流模块停止工作,由蓄电池组不间断给直流负荷供电。

①交流配电单元实现由站用电交流输出到整流器模块的电源分配和保护

对于单母线接线的交流站用电源,整流器的交流电源进线按一路配置;对于两段单母线接线的交流站用电源,整流器的交流电源进线按两路配置:两路交流电源分别取自交流站用电源的两段母线,采用自动转换开关设备(PC级ATSE)实现两路电源进线的备用切换控制。

②高频整流模块

高频整流模块采用N+1并联冗余方式供电,即在N个充电模块满足电池组的充电电流(0.1C10)和经常性负荷电流的基础上,增加1个热备用充电模块。

③绝缘监测装置

绝缘监测装置用于在线监测直流控制母线和馈电支路的绝缘状况,当某一点出现接地故障时,装置立即发出告警信号,提醒运行人员查找并排除接地故障,从而杜绝直流系统接地故障可能引发的电力事故。

④电池巡检装置

电池巡检装置用于实时在线监测电池组各单节电池的电压和内阻,并通过一体化监控装置记录分析不同工况下各单节电池的电压和内阻,及时发现落后或异常电池,给蓄电池维护提供重要的参考依据,确保蓄电池组安全运行。

(2)交流不间断电源

电力专用交流不间断电源,包括电力专用UPS和INV两类。其中的电力专用INV,适用于”后备“运行模式,因此,主要为变电站的事故照明等对电源的质量要求不高的负荷供电;而电力专用UPS适用于”在线“运行模式,主要为变电站的计算机监控等对电源质量要求很高的重要负荷供电。

(3)DC-DC通信电源

DC-DC通信电源采用与高频开关整流器一样的控制技术和相同的模块结构,系统工作为N+1并联冗余模式,并且采用硬件自主均流技术,为电站的交换机等通信设备提供可靠的直流工作电源。

2存在问题分析及处理措施

2.1接地隔离的问题

正常情况下,若DC/DC模块被击穿,直流操作电源接地,站用直流操作电源检测系统将检测出接地,对直流系统运行的可靠性产生影响。为确保相互之间的故障隔离,区分故障和元器件导致的接地现象,根据变压器原理,在DC/DC模块上采用反向变压器,相互隔离各自的接地系统(目前在运系统采用的方式)。该方式可有效地解决接地隔离的问题。

2.2 DC/DC电源脱扣的问题

在交直流一体化电源系统中,取消了通信电源的蓄电池组,改用DC/DC变换器。DC/DC电源故障情况下的工作流程为:负载短路→DC/DC模块输出装置自带电路放电→电流及持续时间不够空气开关脱扣条件→DC/DC模块失压→通信直流母线失压。DC/DC变换器以直流操作电源的输出作为输入,通过DC/DC变换来获得-48 V通信电源,当交流失电时,由直流操作电源的蓄电池组来维持DC/DC变换器的输入。但是这种方案存在一个缺陷,因DC/DC变换器的电流输出能力有限,且通信装置由双路切换供电,当通信负载支路出现短路或持续过载故障时,常规空气开关不能切断故障支路,DC/DC变换器的限流作用会使2段通信直流母线的电压出现跌落,甚至会跌落到0 V,造成通信设备停止工作。

针对DC/DC模块脱扣问题,目前较理想的解决方案为在通信负载支路串馈线保护模块。采用大功率器件做为开关器件,通过检测电路电流的大小,当馈电支路发生过载或短路故障时,馈线保护模块利用电子开关动作的快速性来防止母线电压的过度跌落,切断故障支路。

从技术上来看,采用DC/DC一体化电源提供通信设备供电是可行的。但是,目前馈线保护模块是否能完全满足通信馈电支路过载及短路故障情况下可靠跳闸,仍需要在实际运行中检验,在大型变电站中应用存在一定的风险。

除使用馈线保护模块解决DC/DC模块脱扣问题外,目前在国家电网公司的变电站中采用的解决方案有以下几种:

1)配置多台DC/DC模块,与通信电源馈线断路器脱扣曲线配合,故障情况下提供满足馈线断路器脱扣要求的故障电流。该方案实现较为简便,但由于需配置多台DC/DC模块,资金投入大,导致电源系统经济性较差。

2)在通信电源母线上并接电解电容,故障情况下短时提供满足馈线断路器脱扣要求的故障电流。此方案的特点为:DC/DC模块短路冲击电流是模块输出滤波电容提供的,通常容量约3 000μF,根据电容放电时间特性“T=RC”,一般DC/DC模块自身滤波电容放电难以满足馈线断路器脱扣要求。因此,在48 V通信电源母线上并联一组电容C,同时各支路负载串联一个低阻负载R1,当有支路短路时,电容C通过电阻R1放电,其放电特性由“T=R1C”决定。调整电容C和电阻R1,可以在馈线短路或故障情况下,满足馈线断路器脱扣的要求。

3)配置多台DC/DC模块,正常情况下提供通信负荷7倍额定电流以下的电流。在通信电源母线上并接参数为0.3 PF、63 V的电解电容,故障情况下短时提供7倍以上的故障电流。该方案的特点为:综合了1)和2)的优点,配置多台DC/DC模块,正常情况下提供通信负荷7倍额定电流以下的电流,使得DC/DC模块的数量不需要大量增加;在通信电源母线上并接电解电容,故障情况下短时提供7倍以上的故障电流,使得电路对电容容量的需求减小,较1)和2)方案经济、可靠。

3结语

1)交直流电源实现一体化的主要难点在于通信电源的一体化。通信电源馈线保护断路器可以有效解决DC-DC模块脱扣问题,但由于尚未在大型变电站中普遍使用,仍需实际运行的考验,存在一定的应用风险。

2)除选择馈线保护断路器方案外,在通信母线处配置多台DC/DC模块,提供通信负荷7倍额定电流以下的电流,并在通信电源母线上并接0.3 PF、63V的电解电容,故障情况下短时提供7倍以上故障电流的方案可以较好地解决通信电源断路器的脱扣问题。

参考文献

[1]DL/T1074—2007,电力用直流和交流一体化不间断电源设备[S].

[2]刘成印,高峰,马金平,等.一体化的变电站电源系统[J].电力自动化设备,2010,30(09):111-113.

论文作者:贾可君,田贵

论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期

论文发表时间:2019/7/9

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