蘇布雷水電站直流系統設計

鄧 叢 林， 駱 恩 榮

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

蘇布雷水電站地處西非科特迪瓦共和國境內，分主電站和生態電站，其中主電站裝設3臺單機90 MW混流式水輪發電機組，發電機額定電壓為10.5 kV。每臺機組連接一臺120 MVA雙繞組油浸式升壓變壓器組成單元接線升壓至225 kV，然后直接通過225 kV架空輸電線路接入蘇布雷225 kV變電站；生態電站裝設1臺5.31 MW燈泡貫流式機組，發電機額定電壓6.6 kV，連接一臺7 MVA雙繞組升壓變升壓至33 kV，經過33 kV架空輸電線路接入蘇布雷225 kV變電站。

蘇布雷水電站地處科特迪瓦南部，屬熱帶雨林氣候，最高氣溫可達45 ℃，月平均溫度35 ℃，為適應當地較高的環境溫度，要求直流系統蓄電池采用鎘鎳蓄電池，這不同于國內通常采用的鉛酸蓄電池。

根據總承包合同條款規定，蘇布雷水電站直流系統標稱電壓為127 V。

2 鎘鎳蓄電池選型計算

考慮到當地長期處于高溫環境和運行人員對設備的使用維護水平不足，需要選擇一種能適應當地高溫環境，且對使用維護要求不高的蓄電池。

鎘鎳蓄電池與鉛酸蓄電池相比，有使用壽命長，蓄電池自放電小，使用溫度范圍廣，耐過充過放，放電電壓平穩，機械性能好等優點；缺點是成本較高，存在“鎘污染”，電池長期淺充放循環時有記憶效應[1]。

綜合各方面因素，蘇布雷水電站采用鎘鎳蓄電池是合適的。

根據DL/T5044標準，由于鎘鎳蓄電池正常浮充電壓較高，而放電時電壓下降幅度較大，終止電壓較低，需要通過降壓裝置來保證直流母線電壓在允許范圍內。所以，當直流系統采用鎘鎳蓄電池時通常需要設置端電池和降壓裝置[2]，但由于直流系統正常運行時端電池不需接入母線且長時間自放電和維護不良而導致端電池失效，且安裝維護繁瑣、使用機會少，又增加設備投資。因此，從減少維護工作，確保直流系統長期可靠運行的角度出發，蘇布雷水電站鎘鎳蓄電池直流系統通過技術創新，最后采用無端電池設計方案，通過選取適當的電池只數，設定合適的充、放電電壓值，分設動力母線和控制母線，對小容量的控制負荷單獨采用降壓裝置，把動力母線和控制母線的母線電壓各自控制在允許范圍之內[3]。

蘇布雷水電站蓄電池采用德國艾諾斯品牌鎘鎳蓄電池，單體標稱電壓為1.2 V/只，浮充電壓為1.4～11.42 V/只，均充電壓為1.55～1.7 V /只。

2.1 鎘鎳蓄電池只數的選擇

在蓄電池參數選擇上，國內標準和IEEE 1115[4]規范有一定區別。國內標準要求浮充時直流母線電壓不超過105%Ue，以滿足直流供電設備額定電壓的要求。而IEEE 1115按直流系統允許的最大電壓考慮，最大電壓主要取決于直流供電設備允許的最大電壓[5]。根據蘇布雷水電站主合同要求，供電設備要能在80%Ue～125%Ue的電壓范圍內可靠運行。

通過分析兩個標準的異同，同時考慮到鎘鎳蓄電池的特點，蘇布雷水電站直流系統蓄電池只數選擇原則為：按照國內標準105%Ue來控制浮充時的母線電壓，以確保正常運行時所有負荷設備均能在額定電壓下運行。根據最大單體浮充電壓值1.42 V/只反算出最少的蓄電池只數為94只；事故放電末期，根據主合同要求的最低設備運行電壓80%Ue來確定母線最低運行電壓為85%Ue，進而計算出單體蓄電池的事故放電終止電壓為1.15 V。此時，不采用國內標準87.5% Ue的事故放電母線電壓是為了進一步減小終止電壓，降低蓄電池選型容量；由于鎘鎳蓄電池均充電壓較大，為了能在在線均充時有效控制母線電壓，取最小均充電壓1.55 V/只，進而得出此時母線電壓為114.72%。此電壓已小于根據主合同允許的設備最大運行電壓125%Ue算出的最高母線電壓130%Ue，已能滿足主合同要求。但考慮到過高的電壓對控制設備長期穩定運行不利，因此，單獨設置控制母線，僅對控制負荷進行硅堆降壓，把控制母線電壓控制在110%Ue以內，而對動力負荷的母線電壓按114.72%Ue來控制。雖然比國內標準要求的112.5%略高，但也能滿足主合同要求。同時，此電壓對動力負荷的運行也無特別影響且僅在在線均充時才會出現這種情況。綜合考慮后，對動力負荷不再采用硅堆降壓。具體選型計算如下：

根據IEEE 1115，對鎘鎳蓄電池只數選擇公式如下：

即蓄電池只數由該直流系統允許的最高系統電壓與蓄電池浮充電壓決定，而單只蓄電池放電末期電壓由該直流系統允許的最小蓄電池組電壓與蓄電池只數決定；同時，需指出：最小蓄電池組電壓等于直流系統允許的最低電壓加上終端負荷到蓄電池出口的電壓降。

首先保證在正常浮充運行時，直流母線電壓不超過直流系統標稱電壓的105%。

式中n為蓄電池組電池數；Ufc為單個蓄電池的浮充電壓，取Ufc=1.42 V/只。

根據總承包主合同條款規定，終端負荷設備運行電壓不低于80%Ue,終端負荷到蓄電池出口考慮5%Ue的線路電壓降，則事故放電末期允許的最小蓄電池組端電壓為85%Ue。

=1.15 V/只

式中Uy為事故放電階段蓄電池最低允許電壓；Ufm為單個蓄電池的終止電壓。

均充時，蓄電池組端電壓不應超過直流系統母線允許的最高電壓，根據合同條款要求，終端負荷設備運行電壓不高于125%Ue，終端負荷到蓄電池出口考慮5%Ue的線路電壓降，則最高蓄電池組端電壓不應超過130%Ue。

蓄電池均充電壓取1.55 V/只，則均充時蓄電池組端電壓為114.72%Ue，滿足主合同條款要求。

對于控制負荷，通過硅堆降壓限制控制直流母線電壓不超過直流系統標稱電壓的110%，以防止控制設備運行電壓過高。

2.2 鎘鎳蓄電池容量計算

通過對水電站內各負荷統計，主要負荷情況見表1。

表1 直流負荷表

第1階段計算容量：

式中Cc1為第1階段計算容量；Kk—可靠系數，取1.4；Kc為初期(1 min)沖擊負荷的容量換算系數(1/h)，取1.38；I1為第1階段負荷電流。

第2階段計算容量：

=801.75(Ah)

式中Cc2為第2階段計算容量；Kc1為第2階段全部放電時間1.5 h的容量換算系數(1/h)，取0.44；I2為第2階段負荷電流；Kc2為89 min的容量換算系數(1/h)，取0.445。

隨機負荷計算容量：

式中Cr為隨機負荷計算容量；Ir為隨機負荷電流；Kcr為隨機(5 s)沖擊負荷的容量換算系數(1/h)，取2.9。

Cc2+Cr=801.75+12.07=814 Ah，大于Cc1， 蓄電池計算容量為814 Ah。

綜合以上計算，蓄電池容量選為1 000 Ah。由于廠房重要負荷較多，蓄電池采用冗余配置，兩組蓄電池分別帶I段母線和II段母線，當一組蓄電池故障時，可用另一組蓄電池同時帶兩段母線。

3 充電裝置的選擇計算

充電裝置采用多個高頻開關整流模塊并聯，即在N個模塊滿足蓄電池的充電電流加上經常負荷電流的條件下，選用N+1個模塊。

充電裝置最大輸出電流：

I=0.2C5+Ijc=0.2×1 000+86.61

=286.6(A)

選擇單個整流模塊的額定輸出電流為50 A，則可確定N=6，即總共選用N+1=7個高頻開關整流模塊。

充電裝置的最大輸出電壓應大于均充電壓，考慮一定裕度，Umax≥1.1×1.55×94=160 V。

由于電站重要負荷較多，高頻開關模塊同樣采用雙套配置，每組蓄電池配置一套充電裝置。

4 主接線方式

根據主合同條款，要求蓄電池采用兩套127 V鎘鎳蓄電池和兩套充電裝置，冗余設置，直流母線采用單母分段，每套蓄電池組和充電裝置接到不同的母線上，這種直流系統主接線結構是比較常見的配置。

根據上述選型計算，在均充時蓄電池端電壓為114.72%，雖然滿足主合同的電壓范圍要求，但不滿足DL/T5044對控制母線電壓不超過110%Ue的要求。為了降低母線電壓，一般的做法有兩種：一是設置端電池；二是硅堆降壓。通過前面的分析，端電池方案不建議采用，而針對硅堆降壓措施，常規做法是全容量硅堆降壓，以滿足DL/T5044中對控制母線或動力控制合并母線的運行電壓要求。但是全容量硅堆降壓有以下幾個問題：一是由于降壓容量大，使硅堆降壓裝置體積較大，布置困難，通常需要增設專門的屏柜來布置，增加了現場布置的難度；二是發熱量增大，散熱問題突出，尤其是非洲熱帶地方的環境溫度本身較高，不利于設備的安全穩定運行；三是增加設備投資，硅堆裝置本身價格較貴，提高容量后會大大增加采購費用。因此，從所采購設備的實際運行電壓條件出發，蘇布雷水電站直流系統母線分設動力母線和控制母線，動力母線直接接于蓄電池端，主要負荷為事故照明負荷；控制母線經硅堆降壓裝置引自動力母線，通過降壓裝置把控制母線電壓控制在110%Ue范圍內，主要負荷為保護、控制設備負荷。采用分設母線方式后，控制母線負荷容量大大降低，緩解了硅堆裝置的選型難度，見圖1。

圖1 直流系統主接線圖

5 結 語

IEEE 1115國際標準與DL/T5044國內標準在直流系統設計規定上有所不同，各有側重。前者對直流母線實際運行電壓沒有明確規定，只要能滿足合同要求的設備運行電壓范圍即可。這種方式雖然簡化了直流系統各參數選擇，但對負荷設備實際所能承受的運行電壓提出了更高的要求；而后者對母線電壓有明確規定，把母線電壓控制在一定范圍內，使負荷設備不至于承受過高的運行電壓，但對于充電時電壓變化幅度較大的鎘鎳電池來說，要把母線電壓控制在要求的范圍內，還需要采用另外的一些措施。

筆者把兩種思路結合起來，提出分別設置動力母線和控制母線，對負載容量較大的動力母線按IEEE 1115的思路設計，以滿足合同要求的運行電壓為準。而對負載容量不大的控制母線則按DL/T5044的思路設計，采用硅堆降壓的方式來控制母線電壓，該設計方式對類似工程項目有一定借鑒意義。