ATS水電站直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

赤 磊

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院）

1 工程概況

工程為水電站工程，裝機(jī)容量為4 150. 8 ，機(jī)組變壓器組合方式采用單元接線，電站高壓側(cè)采用220 kV電壓等級(jí)，雙母線接線，進(jìn)線4回、出線5回、母線聯(lián)絡(luò)斷路器1臺(tái)、PT2組、高壓電抗器1組；電站高壓廠用電系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)廠高變及22面配電柜。電站按無(wú)人值守、少人值班原則，設(shè)置微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、微機(jī)繼電保護(hù)裝置和安全自動(dòng)裝置系統(tǒng)、直流系統(tǒng)等裝置。

2 工程直流電源系統(tǒng)基本資料

直流電源采用膠體閥控式密封鉛酸蓄電池，接線方式采用無(wú)端電池方式，供電方式采用控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電方式，額定電壓采用220 V，單體蓄電池額定電壓采用2 V。運(yùn)行方式為蓄電池投入運(yùn)行前，進(jìn)行初充電，初充電完成后即轉(zhuǎn)入正常運(yùn)行連續(xù)浮充電，事故放電后或發(fā)現(xiàn)電池不均衡時(shí)，進(jìn)行均衡充電或補(bǔ)充電，蓄電池初充電、均衡充電、補(bǔ)充電充電方式采用二段定電流、定電壓充電方式。

3 直流電源系統(tǒng)計(jì)算

3.1 交流不間斷電源（UPS）輸出容量計(jì)算

計(jì)算公式：

將上述各影響系數(shù)歸總為可靠系數(shù)，并根據(jù)相應(yīng)取值得出：

取平均值：

經(jīng)交流不間斷電源（UPS）負(fù)荷統(tǒng)計(jì)得：

則由容量計(jì)算公式得到：

故工程交流不間斷電源（UPS）標(biāo)稱輸出容量選擇30 kVA。

3.2 逆變電源（INV）輸出容量計(jì)算

電力用逆變電源（INV）是一種不含整流器的電力用交流不間斷電源。其計(jì)算公式和過(guò)程與交流不間斷電源（UPS）相同，不在贅述。故工程交流不間斷電源（UPS）標(biāo)稱輸出容量選擇40 kVA。

3.3 直流蓄電池輸出容量計(jì)算

3.3.1 蓄電池參數(shù)選擇

3.3.1.1 蓄電池個(gè)數(shù)選擇

按滿足在浮充電運(yùn)行時(shí)直流母線電壓的1.05倍計(jì)算。

故計(jì)算公式：n=1.05 Un/Uf

閥控式密封鉛酸蓄電池的單體浮充電電壓值宜取2.23～2.27 V。

工程Uf=2.23V，則由蓄電池個(gè)數(shù)計(jì)算公式得到：

n=1.05 Un/Uf=1.05 220/2.23=103.59≈104只

3.3.1.2 蓄電池均衡充電壓選擇

根據(jù)規(guī)范要求：蓄電池連接負(fù)荷進(jìn)行均衡充電時(shí)，蓄電池均衡充電電壓應(yīng)根據(jù)蓄電池個(gè)數(shù)及直流母線電壓允許的最高值選擇單體蓄電池均衡充電電壓值，對(duì)于控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電，單體蓄電池均衡充電電壓值≤1.lO Un/n。

工程蓄電池均衡充電電壓取2.33 V。

計(jì)算公式：2.33≤1.lOUn/n=1.10 220/104=2.37。

3.3.2 單體蓄電池事故放電末期終止電壓選擇

按蓄電池個(gè)數(shù)及直流母線電壓允許的最低值選擇單體蓄電池事故放電未期終止電壓。

計(jì)算公式：Um≥0.88 Un/n。

得：Um≥0.88Un/n=0.88 220/104=1.85 V

工程單體蓄電池事故放電末期終止電壓取：1.87 V。

3.3.3 蓄電池容量的選擇

直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

容量換算系數(shù)計(jì)算公式：

滿足事故初期（1 min）沖擊放電電流容量的要求，初期（1min）沖擊蓄電池10 h放電率計(jì)算容量如下：

表1 直流負(fù)荷數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

計(jì)算公式：

滿足事故全停電狀態(tài)下持續(xù)放電容量要求，不包含初期1min沖擊放電電流，各個(gè)階段計(jì)算容量如下：

第一階段（1-30 min）計(jì)算容量：

第二階段（30-60 min）計(jì)算容量：

第三階段（60～120min）計(jì)算容量：

工程為無(wú)人值班、少人值守工程，事故狀態(tài)可在60 min內(nèi)解除，故工程直流負(fù)荷時(shí)間按1 h計(jì)算，不計(jì)算60 min之后階段的放電容量。

隨機(jī)負(fù)荷計(jì)算容量計(jì)算公式：

將r疊加在c1、c2……中最大的階段上，然后與cho比較，取較大值，計(jì)算容量為：1030.40 Ah，選擇容量為：1200 Ah。

3.4 充電裝置及整流模塊選擇

鉛酸蓄電池lO h放電率電流（A）：

充電裝置額定電流的選擇根據(jù)規(guī)范充電裝置額定電流的選擇應(yīng)滿足下列要求：

①滿足浮充電要求時(shí)計(jì)算公式為：

②滿足蓄電池充電要求時(shí)計(jì)算公式為：

③滿足蓄電池均衡充電要求時(shí)計(jì)算公式為：

故工程單組直流蓄電池充電裝置額定電流選擇為：315 A。

充電裝置額定電壓的選擇：

故選擇：250 V。

工程按照一組蓄電池配置兩組高頻開(kāi)關(guān)電源，其模塊選擇為：

經(jīng)計(jì)算每組蓄電池高頻開(kāi)關(guān)電源模塊選擇為：充電模塊額定電流60 A，充電模塊數(shù)量5個(gè)。

3.5 蓄電池回路設(shè)備及直流柜主母線選擇

工程蓄電池回路設(shè)備及直流柜主母線選擇如下：回路電流：660 A；電流測(cè)量范圍：i 800 A；放電試驗(yàn)回路電流：144 A；主母線銅導(dǎo)體截面：60 6 mm2。

3.6 蓄電池短路電流計(jì)算

工程單組蓄電池電阻及出口短路電流選擇如下：蓄電池電阻12.43 mΩ；蓄電池出口短路電流17.69 kA；直流電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓220 V；蓄電池個(gè)數(shù)：104只。

在蓄電池引出端子上短路，則短路電流計(jì)算為：

在蓄電池組連接的直流母線上短路，則短路電流計(jì)算為：

4 結(jié) 語(yǔ)

電站在直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)及規(guī)程規(guī)范，依據(jù)直流用電設(shè)備的特性對(duì)直流負(fù)荷進(jìn)行了嚴(yán)格的統(tǒng)計(jì)，在確定數(shù)據(jù)無(wú)誤的情況下以相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范為依據(jù)進(jìn)行直流電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和元器件參數(shù)選擇。針對(duì)計(jì)算結(jié)果的可靠性，選擇了三家國(guó)內(nèi)知名品牌的直流設(shè)備生產(chǎn)廠家進(jìn)行了復(fù)核計(jì)算和校驗(yàn)，結(jié)論一致。電站預(yù)計(jì)在2021年初投產(chǎn)運(yùn)行，屆時(shí)設(shè)計(jì)成果將會(huì)在工程中得到最終檢驗(yàn)。