风电场升压变电站交直流一体化电源的研究与设计

陈亮亮，杨镇澴，刘孝鑫，杨丽薇

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安　710065)



风电场升压变电站交直流一体化电源的研究与设计

陈亮亮，杨镇澴，刘孝鑫，杨丽薇

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安710065)

摘要：分析了风电场升压变电站站用电源的现状及不足，介绍了交直流一体化电源的总体结构及设备配置，通过甘肃某风电场的实际案例，结合国家标准、电力标准以及国家电网公司相关条文的要求，详细阐述了风电场升压变电站交直流一体化电源的基本设计方案，并提出了几点注意事项，为相关设计提供了参考。

关键词：风电场升压变电站；交直流一体化电源；研究与设计

0前言

风电场升压变电站的站用电源分为：交流配电电源、交流不间断电源(UPS)、直流电源及通信电源等。各子系统一般采用分散设计，独立配置、独立组屏，由于缺乏整合机制，所以存在以下不足[1-4]：

(1) 资源配置浪费。直流电源、交流不间断电源(UPS)与通信电源分别配置独立的蓄电池及充电模块，浪费严重。

(2) 难以实现系统化管理。各子系统的通信规约五花八门，不能与升压变电站综合自动化系统兼容，难以实现信息共享和网络化管理。

(3) 运行维护不便。各子系统设备由不同的供货厂商生产、安装、调试及售后，工作中协调困难；同时受不同专业人员的运维，人力资源也不能总体调配。

为了解决上述问题，交直流一体化电源得到了广泛的应用。

1交直流一体化电源的基本特点

交直流一体化电源系统采用分层分布式组织结构，各组件的测控模块采用一体化设计、一体化配置；各组件的运行工况和信息数据能够通过一体化监控模块进行现场显示，并以标准的IEC61850格式接入当地综合自动化系统，甚至能够上传至远方调度监控中心，实现交直流一体化电源系统运行状态信息的实时监测。

交直流一体化电源的基本结构如图1所示，通信网络如图2所示。不难看出，与传统的站用电源方案相比，交直流一体化电源方案在结构上有以下几个明显的特点[5-7]：

(1) 将直流电源及交流不间断电源(UPS)的蓄电池合并为1组蓄电池。

(2) 取消了通信电源的蓄电池，使用直流变换电源(DC/DC)直接从直流母线上为通信负荷供电。

(3) 取消了各组件独立的防雷保护装置，从整体上统一进行防雷配置。

(4) 任意组件故障都不影响整个电源系统运行。

(5) 各组件的测控模块统一接入一体化监控器，一体化监控器再通过 “1个接口、1个规约”接入当地综合自动化系统。

图1　交直流一体化电源的基本结构图

图2　交直流一体化电源的通信网络图

2交直流一体化电源的设计实例

甘肃某风电场，配套建设一座110 kV升压变电站，按照“无人值班”(少人值守)的方式运行，采用交直流一体化电源方案进行设计[8-11]。

2.1系统方案设计

根据DL/T 5044-2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》[8]及DL/T 1074-2007《电力用直流和交流一体化不间断电源设备》[9]的要求，并结合通信专业的相关要求，交直流一体化电源各组件的配置如表1所示。

表1　组件配置表

通过对系统方案的分析不难看出，该方案的优缺点主要有以下几个方面：

(1) 优点

1) 电源变换组件采用冗余配置，能够保证任意模块的故障都不会造成相应馈电母线失压，更不会造成相应馈电系统全停，馈电可靠性较强。

2) 交直流馈线开关采用模块化设计，模块内的运行参数及采集信息的数字化处理、信息上传及下达都通过模块内部的集成电路完成，使检修维护更简单、更方便。

3) 一体化监控模块采用标准的IEC61850格式作为对外规约，能够满足目前所有主流厂商综合自动化系统的通信需要，并为以后数字化、智能化的升级改造预留了接口。

(2) 缺点

1) 由于交流进线只采用了1套ATS模块，所以整个系统是处于单电源供电的运行状态，但综合考虑本工程的电压等级以及对电网的重要程度，单电源供电也是合适的。

2) 由于直流变换电源(DC/DC)的使用，致使DC-48 V系统需加装储能电容，并同时选用B型脱扣曲线的馈线断路器，系统结构稍显复杂。

2.2主要设备关键参数选择

2.2.1蓄电池组

蓄电池组选用单体2 V的阀控式密封铅酸蓄电池(贫液)。根据文献[8]的推荐参数，蓄电池单体浮充电电压取2.23 V，单体放电终止电压取1.87 V。

根据统计，交流不间断电源(UPS)负荷为3.5 kW，直流变换电源(DC/DC)负荷为2.7 kW，则全站直流负荷如表2所示。

表2　直流负荷统计表

计算得到：

=178.5Ah

(1)

(2)

(3)

式中：Ccho为初期蓄电池10 h放电率计算容量；Icho为初期冲击放电电流；Kcho为初期冲击负荷的容量换算系数；Cc为蓄电池10 h放电率持续阶段的计算容量；Ic为持续阶段负荷电流；Kc为持续阶段全部放电时间的容量换算系数；Cr为随机负荷计算容量；Ir为随机负荷电流；Kr为随机冲击负荷的容量换算系数；Kk为可靠系数，取1.40。

需要注意的是，直流变换电源(DC/DC)的事故放电时间应参照《基建和生产标准差异协调统一条款(变电部分)》(国家电网科〔2011〕12号)的要求，按4 h计算。其余负荷的事故放电时间参照无人值班变电站的要求，按2 h计算。

根据计算结果，193.7+4.0=197.7≥178.9，所以蓄电池的计算容量应为197.7 Ah，最终选择标称容量C10为200 Ah的蓄电池。

2.2.2AC/DC模块

AC/DC模块选用高频开关电源模块型充电装置，且1组蓄电池配置了2套充电装置。充电装置额定电流的选择应满足浮充电、初充电和均衡充电的要求，充电装置的模块数也应满足公式要求

(4)

Ir=1.0I10～1.25I10=20～25A

(5)

(6)

(7)

式中：Ir为充电装置额定电流；n为充电装置的模块选择数量；Ijc为经常负荷电流；I10为蓄电池10 h放电率电流；Ime为单个模块额定电流。

根据计算结果，最终选择3个额定电流为10 A的高频开关电源模块组成的充电装置。

2.2.3DC/DC模块

DC/DC模块选用通信用直流变换电源装置。直流变换电源装置输出电流的选择应满足通信负荷的要求，同时还应与馈线开关的脱扣进行配合。根据统计，直流变换电源(DC/DC)负荷为2.7 kW，则根据计算得到

(7)

(8)

式中：Io为直流变换电源装置输出电流；P∑为全部负荷的计算功率；Un为系统额定电压，取48 V；Ifmax为馈线开关中的最大额定电流，取10 A。

根据计算结果，最终选择输出电流为60 A的直流变换电源装置。

2.2.4UPS模块

UPS模块选用电力用交流不间断电源装置。根据统计，交流不间断电源(UPS)负荷为3.5 kW，则根据计算得到：

(9)

式中：Sc为UPS装置计算容量；P∑为全部负荷的计算功率；Krel为可靠系数，取平均值1.43；cosφ为负荷功率因数，取平均值0.7。

根据计算结果，最终选择容量为8 kVA的交流不间断电源(UPS)装置。

2.2.5ATS模块

ATS模块选用可编程智能自动转换开关，可预设多种工作模式，实现站用电源多种运行方式的智能联动。

将全部站用电源的负荷折算到总交流进线侧，得到全站总负荷大约为16 kVA，考虑适当的裕度，最终选择额定电流为63 A的自动转换开关。

3交直流一体化电源的其他优点

从前文所述可以看出，交直流一体化电源在系统方案设计上相较传统的站用电源有着无可比拟的优势。除了这些明显的、可见的优势之外，在实际的工程应用中，交直流一体化电源还有其特有的优点。

首先，全部设备由唯一的一个供货厂商负责生产、安装和调试。可以使所有柜体的尺寸和形式保持一致；也可以在组屏时充分考虑柜内的空间利用率，有效地减少屏柜数量和占地空间；调试及后期维护时，能够减少协调工作量及维护费用。

其次，一体化监控器的存在使系统具备了智能化的基本功能。可以针对全系统自动进行运行方式的管理，以达到最佳的运行状态；可以统一进行波形优化处理，对各馈电系统的输出电压电流进行控制；根据各组件的工作状态和参数变化趋势，能够及时、准确判断异常或故障类型，并自动实施异常工况限制、故障保护和声光报警显示等功能。

4交直流一体化电源的下一步工作

总的来说，交直流一体化电源使用成熟的交流技术和直流技术，没有任何技术风险。但为了给通信负荷供电而引入的直流变换电源装置，却带来了新的问题[12-15]。

该问题主要是由于通信设备缺少了蓄电池的直接支持，会导致直流变换电源装置在大电流过载冲击或馈电回路发生短路故障，有可能造成馈电母线电压跌落，从而造成其他通信设备重启，目前还没有特别完善的解决办法。目前的解决办法主要是在工程设计中采取一定措施，以尽量提高馈线断路器可靠动作的概率。

如果通信设备能够实现DC110 V/220 V的高压直流供电，那么该问题就会迎刃而解，不过考虑到目前尚未有成熟的产品和应用的案例，还需要进一步的研究。

5结语

交直流一体化电源是站用电源设计和管理模式的创新与发展，其技术先进、维护方便、运行安全可靠，得到了广泛的现场推广及应用。随着电网公司数字化变电站相继建设投产及全国智能变电站试点项目的建设，交直流一体化电源的优势会更加凸显。

参考文献:

[1]苏纪臣,袁和刚,王波.交直流一体化电源在110 kV变电站中的应用[J].电子技术,2014(8)：37-39.

[2]焦国锋,雷宏.智能变电站交直流一体化电源系统的研究与应用[J].陕西电力,2010，38(10)：37-40.

[3]李淮海,张玉林,孙向东,庞红梅.智能交直流一体化站用电源系统的研究与应用[J].华东电力,2011，39(6)：919-922.

[4]陈巩.电力工程直流电源可靠性研究[J].电力设备,2005,6(9)：8-10.

[5]吴凤婷.变电站站用交直流一体化电源的解决方案[J].南方电网技术,2011,5(3)：87-89.

[6]刘成印,高峰,马金平,甄阳清.一体化的变电站电源系统[J].电力自动化设备,2010，30(9)：111-113.

[7]陈海登.变电站智能站用交直流一体化电源系统的应用[J].农村电工,2009，18(5)：31-32.

[8]国家能源局.DL/T 5044-2014,电力工程直流电源系统设计技术规程[S].北京：中国计划出版社，2015.

[9]DL/T 1074-2007,电力用直流和交流一体化不间断电源设备[S].北京：中国电力出版社，2007.

[10]能源部西北电力设计院.电力工程电气设计手册：电气二次部分[M].北京：中国电力出版社，1991.

[11]白忠敏,刘百震,於崇干.电力工程直流系统设计手册[M].北京：中国电力出版社,1999.

[12]谢尧,黄献军,叶萌,张飞,张斌.变电站DC/DC一体化电源技术研究[J].中国电机工程学报,2011，31(z1)：273-276.

[13]赵轶珏,樊冬梅.交直流电源一体化存在问题探讨[J].广西电力,2013，36(6)：76-78.

[14]王炳林,郭巍.变电站交直流一体化电源系统的设计与应用[J].冶金动力,2013，21(5)：6-10.

[15]周勇,卫成杰,陈忻磊,何燕洁,龚震东.交直流一体化电源系统在特高压练塘站的应用[J].华东电力,2014，42(9)：1766-1773.

Study and Design of AC/DC Integrated Power Supply of Step-up Station in Wind Farm

CHEN Liangliang, YANG Zhenhuan, LIU Xiaoxin, YANG Liwei

(Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an710065, China )

Abstract:The status and disadvantages of the service power supply of the step-up station of wind farm are analyzed. Accordingly, the general structure and equipment arrangement of the AC/DC integrated power supply are introduced. Based on one wind farm in Gansu Province and in combination with requirements of the national standards, electric power standards and terms of the State Power Grid, the basic design scheme of the AC/DC integrated power supply of the step-up station of wind farm are described in detail. Attentions are proposed. This provides the relevant design with reference.

Key words:step-up station; AC/DC integrated power supply; study and design

中图分类号：TM614

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.02.017

作者简介：陈亮亮(1984- )，男，陕西省西安市人，工程师，注册电气工程师(发输变电)，主要从事电气二次设计工作.

收稿日期：2015-11-02

文章编号：1006—2610(2016)02—0063—04