蘇布雷水電站直流系統(tǒng)設(shè)計

鄧 叢 林， 駱 恩 榮

(中國電建集團成都勘測設(shè)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(nèi)，分主電站和生態(tài)電站，其中主電站裝設(shè)3臺單機90 MW混流式水輪發(fā)電機組，發(fā)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(tài)電站裝設(shè)1臺5.31 MW燈泡貫流式機組，發(fā)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(jīng)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(yīng)當(dāng)?shù)剌^高的環(huán)境溫度，要求直流系統(tǒng)蓄電池采用鎘鎳蓄電池，這不同于國內(nèi)通常采用的鉛酸蓄電池。

根據(jù)總承包合同條款規(guī)定，蘇布雷水電站直流系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為127 V。

2 鎘鎳蓄電池選型計算

考慮到當(dāng)?shù)亻L期處于高溫環(huán)境和運行人員對設(shè)備的使用維護水平不足，需要選擇一種能適應(yīng)當(dāng)?shù)馗邷丨h(huán)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(wěn)，機械性能好等優(yōu)點；缺點是成本較高，存在“鎘污染”，電池長期淺充放循環(huán)時有記憶效應(yīng)[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(jù)DL/T5044標(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)。所以，當(dāng)直流系統(tǒng)采用鎘鎳蓄電池時通常需要設(shè)置端電池和降壓裝置[2]，但由于直流系統(tǒng)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(dǎo)致端電池失效，且安裝維護繁瑣、使用機會少，又增加設(shè)備投資。因此，從減少維護工作，確保直流系統(tǒng)長期可靠運行的角度出發(fā)，蘇布雷水電站鎘鎳蓄電池直流系統(tǒng)通過技術(shù)創(chuàng)新，最后采用無端電池設(shè)計方案，通過選取適當(dāng)?shù)碾姵刂粩?shù)，設(shè)定合適的充、放電電壓值，分設(shè)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(nèi)[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(biāo)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(shù)的選擇

在蓄電池參數(shù)選擇上，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)和IEEE 1115[4]規(guī)范有一定區(qū)別。國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)要求浮充時直流母線電壓不超過105%Ue，以滿足直流供電設(shè)備額定電壓的要求。而IEEE 1115按直流系統(tǒng)允許的最大電壓考慮，最大電壓主要取決于直流供電設(shè)備允許的最大電壓[5]。根據(jù)蘇布雷水電站主合同要求，供電設(shè)備要能在80%Ue～125%Ue的電壓范圍內(nèi)可靠運行。

通過分析兩個標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)蓄電池只數(shù)選擇原則為：按照國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備均能在額定電壓下運行。根據(jù)最大單體浮充電壓值1.42 V/只反算出最少的蓄電池只數(shù)為94只；事故放電末期，根據(jù)主合同要求的最低設(shè)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(nèi)標(biāo)準(zhǔn)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(jù)主合同允許的設(shè)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(shè)備長期穩(wěn)定運行不利，因此，單獨設(shè)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(nèi)，而對動力負荷的母線電壓按114.72%Ue來控制。雖然比國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)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(jù)IEEE 1115，對鎘鎳蓄電池只數(shù)選擇公式如下：

即蓄電池只數(shù)由該直流系統(tǒng)允許的最高系統(tǒng)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(tǒng)允許的最小蓄電池組電壓與蓄電池只數(shù)決定；同時，需指出：最小蓄電池組電壓等于直流系統(tǒng)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(tǒng)標(biāo)稱電壓的105%。

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

根據(jù)總承包主合同條款規(guī)定，終端負荷設(shè)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(yīng)超過直流系統(tǒng)母線允許的最高電壓，根據(jù)合同條款要求，終端負荷設(shè)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(yīng)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(tǒng)標(biāo)稱電壓的110%，以防止控制設(shè)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(nèi)各負荷統(tǒng)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(shù)，取1.4；Kc為初期(1 min)沖擊負荷的容量換算系數(shù)(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(shù)(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(shù)(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(shù)(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(dāng)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(guān)整流模塊并聯(lián)，即在N個模塊滿足蓄電池的充電電流加上經(jīng)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(guān)整流模塊。

充電裝置的最大輸出電壓應(yīng)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(guān)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(jù)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(shè)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(tǒng)主接線結(jié)構(gòu)是比較常見的配置。

根據(jù)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(shè)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(guī)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(shè)專門的屏柜來布置，增加了現(xiàn)場布置的難度；二是發(fā)熱量增大，散熱問題突出，尤其是非洲熱帶地方的環(huán)境溫度本身較高，不利于設(shè)備的安全穩(wěn)定運行；三是增加設(shè)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(shè)備的實際運行電壓條件出發(fā)，蘇布雷水電站直流系統(tǒng)母線分設(shè)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(jīng)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(nèi)，主要負荷為保護、控制設(shè)備負荷。采用分設(shè)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(tǒng)主接線圖

5 結(jié) 語

IEEE 1115國際標(biāo)準(zhǔn)與DL/T5044國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)在直流系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定上有所不同，各有側(cè)重。前者對直流母線實際運行電壓沒有明確規(guī)定，只要能滿足合同要求的設(shè)備運行電壓范圍即可。這種方式雖然簡化了直流系統(tǒng)各參數(shù)選擇，但對負荷設(shè)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(guī)定，把母線電壓控制在一定范圍內(nèi)，使負荷設(shè)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(nèi)，還需要采用另外的一些措施。

筆者把兩種思路結(jié)合起來，提出分別設(shè)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(shè)計，以滿足合同要求的運行電壓為準(zhǔn)。而對負載容量不大的控制母線則按DL/T5044的思路設(shè)計，采用硅堆降壓的方式來控制母線電壓，該設(shè)計方式對類似工程項目有一定借鑒意義。