特高壓換流站直流電源系統方案設計

李世亮，劉耀輝，宋 琪

(1.山東魯能智能技術有限公司，山東 濟南 250101；2.濟南匯智電力科技有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

直流電源系統是發電廠、變電站、換流站中為控制、信號、保護、自動裝置以及某些執行機構供電的電源系統。隨著發電廠、變電站、換流站自動化程度的提高，為保證電力系統在遇到各種突發狀況時，能夠及時、可靠地進行遠程調度和遙控操作，無人值守變電站的控制負荷和動力負荷對直流電源系統穩定性和可靠性的要求越來越高。

目前，可靠性要求較高的變電站一般采用“兩充兩電”或者“三充兩電”的架構模式。這些模式通過增加蓄電池組數和充電機套數，形成獨立的2條供電母線，為重要負載設備提供雙電源供電，這大大提高了供電可靠性。國家電網公司在大力推進建設的特高壓變電站項目中，直流換流站對站用直流電源系統提出了新的要求，這些變電站要求直流電源系統在現有的2條直流母線之外，再提供第3條直流母線對負載進行供電。常規的“兩充兩電”或者“三充兩電”模式已經不能完全滿足用電設備對電源的需求。為此，對現有直流電源系統結構進行改進，衍生出3條母線的方案，即2條常規的獨立母線A和母線B經過雙電源切換產生母線C，形成“三充兩電三母線”的方案。該方案雖然滿足了換流站對直流電源系統的需求，但也存在著一定的風險。

下面針對上述“三母線”系統的缺陷，基于換流站對站用直流電源系統的需求，參照變電站對直流電源系統的基本要求，以換流站工程實際應用為目的，提出一套高可靠性電力工程直流電源系統的工程設計解決方案，即“五充三電三母線”的直流系統架構方案，并對方案的工作原理和操作步驟進行詳細闡述。

1 原架構模式簡介

直流電源系統的“兩充兩電”和“三充兩電”的架構模式中，后者在前者的基礎上多配置了1套公用充電機。下面選取“三充兩電”的直流電源系統模式進行分析說明。

1.1 “三充兩電雙母線” 直流電源系統

“三充兩電雙母線” 直流電源系統是電力標準中推薦的系統組合方式，在對直流電源系統可靠性要求較高的變電站、發電廠中較為常見。其系統結構如圖1所示。

圖1 “三充兩電雙母線”直流電源系統

1.2 “三充兩電三母線” 直流電源系統

“三充兩電三母線” 直流電源系統是為了適應特高壓變電站對直流電源系統的新需求，在“三充兩電雙母線”系統的基礎上衍生出來的解決方案，其系統結構如圖2所示。C段母線的電源切換裝置分為手動和自動2種。手動切換可進行先合后分操作，C段母線不會失電。自動切換會導致C段母線短暫失電，失電時間由切換元件類型決定。

圖2 “三充兩電三母線“直流電源系統

1.3 “三母線”系統分析

“三充兩電雙母線”直流電源系統是經過時間和實踐檢驗的成熟直流電源系統方案，不多做討論。

“三充兩電三母線”直流電源系統是在“雙電雙充雙母線”直流電源系統的基礎上衍生出來的解決方案。2條獨立母線A和母線B加上經過雙電源切換產生母線C，形成“三充兩電三母線”直流電源系統。這個直流電源系統架構是存在風險的。

1.3.1 沒有接入獨立的蓄電池

它是由A，B段母線切換產生，依賴于母線A，B存在。一旦出現交流失電的情況，C段母線會使用A段或者B段的電池進行供電。這會使2組蓄電池放電速率不一致，在A，B 2段母線之間產生壓差，導致2段母線無法進行倒閘操作，C段母線也不能在不停電的情況下進行電源切換。

1.3.2 故障易擴大和傳導

正常運行時，C段母線會投入A，B 2段母線中的1段，一旦相應母線段出現故障，必然會影響到C段母線的穩定運行；C段母線一旦出現故障，也必然會波及A或B母線。C段母線的電源切換裝置分為手動和自動2種，下面分類舉例說明。

(1) 手動切換。當C段母線投入A段運行時，一旦A段母線出現失電或者電壓波動等狀況，C段母線也會出現同樣狀況；當C段母線出現接地故障、交流竄入等狀況時，會影響到A段母線，情況嚴重時會出現保護誤動等。投入B段時亦然。

(2) 自動切換。當C段母線投入A段運行時，一旦A段母線出現失電的狀況，C段母線就會自動投入B段母線。而如果A段母線失電是由C段母線導致的，那么就可能會使B段母線也失電，導致故障擴大化。另外，接地故障、交流竄入等狀況也同樣會在母線之間傳導。

2 “五充三電三母線”直流電源系統

2.1 系統結構

在典型的“三充兩電雙母線”直流電源系統基礎上，將系統的基本功能模塊拆分、重新組合，演化形成了“五充三電三母線” 直流電源系統。其系統結構如圖3所示。

2.2 系統原理

“五充三電三母線”直流電源系統是由2套“三充兩電雙母線”直流電源系統組成的，它由充電機1，3，4號和蓄電池組1，3號以及母線A、母線C組成第1套“三充兩電雙母線”直流電源系統；由充電機2，3，5號和蓄電池組2，3號以及母線B、母線C組成第2套“三充兩電雙母線”直流電源系統。“三充兩電雙母線”直流電源系統是經過運行實踐考驗的典型設計和標準設計，其2個子系統的運行是可靠且穩定的。

從整體上來看，A，B，C 3條母線分別帶有獨立的蓄電池和充電機，并設置有備用充電機和母線聯絡開關，保證母線可靠地不間斷供電。任一母線出現故障，不會影響其他2段母線的正常運行；任一蓄電池退出運行，可以通過聯絡開關使2段母線并列運行，滿足母線不間斷供電的要求；任一充電機退出運行，可以方便地投入備用充電機進行替代，其操作流程與“三充兩電”類似，但靈活性和可靠性大大提高。

2.3 運行方式及倒閘操作步驟

2.3.1 正常運行

圖3 “五充三電三母線”直流電源系統

1號充電機與A段母線接通(即1QS1左側接通)，1號蓄電池組與A段母線接通(即1QS2接通)，A段母線接入1號充電機和1號蓄電池組，處于正常運行狀態。

2號充電機與B段母線接通(即2QS1右側接通)，2號蓄電池組與B段母線接通(即2QS2接通)，B段母線接入2號充電機和2號蓄電池組，處于正常運行狀態。

3號充電機與C段母線接通(即3QS1右側接通)，3號蓄電池組與C段母線接通(即3QS2接通)，C段母線接入3號充電機和3號蓄電池組，處于正常運行狀態。

2.3.2 充電機檢修

1號充電機進行檢修時，先將4號備用充電機組投入(即4QS1左側接通)，后將1號充電機退出(即1QS1處于中間位置)，即可對1號充電機進行檢修。A段母線接入4號備用充電機和1號蓄電池組運行。

2號充電機進行檢修時，先將5號備用充電機組投入(即5QS1右側接通)，后將2號充電機組退出(即2QS1處于中間位置)，即可對2號充電機進行檢修。B段母線接入5號備用充電機和2號蓄電池組運行。

3號充電機進行檢修時，先將4號(5號)備用充電機組投入，即4QS1右側(5QS1左側)接通，后將3號充電機組退出(即3QS1處于中間位置)，

即可對3號充電機進行檢修。C段母線接入4號(5號)備用充電機和3號蓄電池組運行。

2.3.3 蓄電池組退出

如需將1號蓄電池組退出，先將A段母線與C段母線接通(即6QS1接通)，后將A段母線與1號蓄電池組斷開(即1QS2斷開)，由3號充電機及3號蓄電池組帶A，C段母線并列運行。而1號充電機可以連接A段母線(即1QS1左側接通)或者退出(即1QS1處于中間位置)，此時可對1號蓄電池組進行核對性放電等工作。

如需將2號蓄電池組退出，先將B段母線與C段母線接通(即6QS2接通)，后將B段母線與2號蓄電池組斷開(即2QS2斷開)，由3號充電機及3號蓄電池組帶B，C段母線并列運行。而2號充電機可以連接B段母線(即2QS1右側接通)或者退出(即2QS1處于中間位置)，此時可對2號蓄電池組進行核對性放電等工作。

如需將3號蓄電池組退出，先將C段母線與A段(B段)母線接通，即6QS1(6QS2)接通，后將C段母線與3號蓄電池組斷開(即3QS2斷開)，由1號(2號)充電機及1號(2號)蓄電池組帶C，A(B)段并列運行。而3號充電機可以連接C段母線(即3QS1右側接通)或者退出(即3QS1處于中間位置)，此時可對3號蓄電池組進行核對性放電等工作。

2.3.4 特殊運行方式

當出現需要2組蓄電池組同時退出的極端情況時，該系統也具有保證3條母線在一定時間內不間斷供電的能力。如果需要將2，3號蓄電池組同時退出，那么先將A段母線與B，C段母線接通(即6QS1，6QS2接通)，后將B，C段母線與各自蓄電池組斷開(即2QS2，3QS2斷開)。

需要注意的是，此時要根據3條母線總的負荷情況來決定2，3號充電機能否脫離各自母線，使1號充電機和1號蓄電池帶載3條母線。如1號充電機能夠滿足負荷需求，那么2，3號充電機退出(即2QS1，3QS1處于中間位置)；如1號充電機不能滿足負荷需求，那么2，3號充電機需要至少保留1套在系統內。

2.3.5 倒閘操作注意事項

系統切換采用雙投隔離開關和單投隔離開關，切換通過手動完成。系統切換過程中，饋電母線不能脫離蓄電池組單獨運行；2段帶蓄電池組的饋電母線在滿足標稱電壓相同、電壓差小于規定值，且直流電源系統均處于正常運行狀態時，可以短時間并列運行；系統切換完成后，應盡快將1組蓄電池退出系統。

3 結束語

直流電源系統作為變電站的二次輔助設備，其投資成本占變電站總成本的比值極小，就是在二次設備總成本中也只占很小的一部分，但這并不意味著直流電源系統不重要。因直流電源問題而導致的變電站跳閘失電或者越級跳閘事件已發生多次。直流電源系統的架構設計合理、運行穩定可靠、操作標準規范，是確保變電站正常運行的基礎之一。不論直流電源將來是向靈活化、分散化發展還是向綜合化、集成化發展，對其穩定可靠的基本要求都不會改變。直流電源系統的典型設計——“兩充兩電”和“三充兩電”經過實踐證明是可靠的。“五充三電” 直流電源系統在理論上是先進的，在實際工程應用中還需要經過時間和實踐的檢驗。隨著特高壓交直流輸電工程的不斷發展，在滿足工程需要的同時提高可靠性和穩定性將是直流電源系統未來發展的一個重要方向。

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