基于新技术的水力发电厂直流系统

刘 坚

（广东粤电流溪河发电有限责任公司，广东 从化 510956）

流溪河发电厂位于广州市东北部90km处，是国家第一个五年计划建设重点工程、新中国成立后广东省兴建的第一座主力水力发电厂。作为调峰调频公司广州抽水蓄能电站的保安电源，直流系统的稳定运行尤为重要。发电厂的直流电源是一个独立的电源，不受发电机、厂用电、站用变以及系统运行方式改变的影响，为电力系统的控制回路、信号回路、继电保护、自动装置及事故照明等提供不间断电源，它还为断路器的分、合闸提供操作电源。流溪河发电厂原来使用的带有铅酸蓄电池的硅整流直流电源已运行了10年，而且直流设备均采取传统的相控电源，效率低、纹波系数大，并由于相控电源浮充电压易波动，会出现蓄电池脉动充放电现象，对免维护蓄电池损害极大，影响电厂的安全可靠运行。为此，流溪河发电厂采用智能控制等新技术对直流电源实施了成功改造。本文介绍改造后的新直流系统，为同类工程提供参考。

1 直流系统的工作原理

流溪河发电公司的新直流系统采用总线控制方式，对所监测的模拟量、数字量无数量限制，即通道数可任意扩展，由于采用智能控制技术，具有较强的容错能力，在控制过程中自动监测电压、电流变送器的状态。而当变送器故障时，会以其它的相关变送器和各个模块的参数为控制依据，而不会中断对直流系统的控制。当监控器故障时，还有声光报警和空接点输出。直流系统的原理如图1所示。

交流配电监测：直流系统的交流输入设有交流配电单元或交流状态监测单元，当出现交流失电、缺相故障时，通过无源接点将报警信号送到监控系统并发出交流故障信号；系统配有交流电压、电流变送器，监控面板可显示交流电压、电流，并判断交流输入是否过压、欠压、三相不平衡等并发出报警信号。

直流配电检测：电源系统设有母线和蓄电池的电压、电流监测表计及变送器，这些表计能直接显示母线和蓄电池的电压、电流，变送器则将检测到的电压、电流数据通过串行总线显示到监控器上，系统据此判断母线及蓄电池是否过压、欠压，故障时发出告警信号；重要回路（蓄电池、充电机）的熔断器设有熔断器故障模块，故障时发出告警信号；馈线回路设有馈线脱扣故障报警触点，故障时发出报警信号；电源系统配有馈线状态检测模块，该模块通过串行总线将检测到的馈线开关分合状态传送到监控器。充电机、蓄电池的输出开关及母联开关状态由辅助接点直接送到后台并在历史记录中显示。

2 直流系统的绝缘监测

由于直流电源在二次系统所处的重要地位，直流系统自身的可靠性直接影响到整个系统的安全，尽管直流电源十分稳定可靠，但实际应用中，由于电力系统应用直流电源的特殊性，特别是控制回路和保护回路的应用，使直流系统的故障成为电力系统更大故障的事故隐患，这就是我们常说的直流系统接地故障危害。发电厂由于直流系统所接设备多、回路复杂，在长期运行过程中会由于环境的改变、气候的变化、电缆及接头的老化、以及设备本身的问题等，都可能导致直流系统接地；另外，直流系统与继电保护、自动装置、操作机构等相连接，直流系统比较复杂，也容易发生接地故障。当发生一点接地时，系统可继续运行。但如果发生两点接地，就会引起信号回路、控制回路、继电保护等的不正确动作。因此，为了防止直流系统两点接地引起误动或拒动，必须装设连续工作的绝缘监测装置。

改造后的直流系统绝缘监测装置可直接监测直流系统电压及其绝缘情况。装置采用非平衡电桥原理，内置带支路的绝缘监测仪，可以实时监测直流母线电压、正负直流母线对地电压及正负直流母线对地绝缘电阻，当直流电压过高、过低或直流系统绝缘强度降低等异常情况发生时，发出相应的报警信号。由于支路巡检采用直流有源CT，不需要向母线发出信号，每个CT都通过CPU直接在CT内部转换为数字信号。支路监测的优点是：直流传感器有较好的抗电流冲击后的剩磁影响，能保证传感器长期的稳定性，且传感器与主机采用数字信号传输，传感器与主机的接线少、连接方便，抗干扰能力强。

3 直流系统的电池管理

由于阀控式密封蓄电池的密封程度高、自放电系数小、大电流放电的特性好等特点，已在电力系统得到广泛应用，但由于其结构特殊，它对周围环境和温度较为敏感。

本直流系统通过对阀控式密封蓄电池的管理，选择最佳的充电方式或充电规律，对周围环境温度进行监视和控制，提高了蓄电池的使用寿命。管理功能主要有：

1）显示蓄电池电压和充放电电流，当出现过压、欠压时进行报警。

2）设有温度变送器测量蓄电池环境温度，变送器通过串行总线将测量到的蓄电池环境温度传送至监控器，当温度偏离设定值时，由监控器发出调压命令到充电模块，调节充电模块的输出电压，实现浮充电压温度补偿。

3）当选择手动定时均充时，可通过监控器预先设置均充电压和均充时间。如图2所示，系统以整定的充电电流进行稳流充电，当电压逐渐上升到均充电压整定值时，自动转为稳压充电。

4）当系统连续浮充运行超过设定时间或交流电源故障，或者蓄电池放电超过10分钟后电源恢复，系统均可自动启动均充。而当充电电流小于C10A后,自动均充电程序会延时1小时后自动转为浮充运行。自动均衡充电曲线如图3所示。

4 智能高频开关电源系统

4.1 工作原理

智能高频开关电源系统工作原理如图4所示。通过系统的检测控制电路来监视电源交流输入的电网电压，从而实现了电源输入过压、欠压、缺相保护等功能及软启动的控制；辅助电源为整个模块的控制电路及监控电路提供工作电源；EMI输入滤波电路实现对输入电源的净化处理，滤除高频干扰，吸收瞬间冲击；软启动部分用作消除开机浪涌电流；三相交流输入电源经输入三相整流、滤波输出直流后，通过全桥变换电路再将直流变换为高频交流，而高频交流经变压器隔离、全桥整流、滤波后，再转换成稳定的直流输出；信号调节、PWM控制电路实现输出电压、电流的控制及调节，确保输出电源的稳定及可调整性；输出测量、故障保护及微机管理监测输出电压、电流及系统的状况，并将它们显示到面板上，实现故障判断及保护，协调管理模块的各项操作，并与系统通信，实现电源模块的高度智能化。

4.2 软开关的应用

充电模块采用移相全桥零电压脉宽控制软开关技术，由于使用了功率场效应管，实现了零电压、零电流开关的功能，防止了过冲或尖峰。与硬开关相比，软开关技术使充电模块损耗降低了40%，整机效率提高到96%，而温升则大幅降低；由于电压及电流变化率的减少，使充电模块的电磁干扰明显降低，提高了电磁兼容性能。另外，功率开关器件由于没有了电压及电流过冲及尖峰的影响，承受的电应力较少，所以其可靠性也有较大提高。

4.3 智能化模块的应用

由于充电模块内置CPU，可协调管理模块各项操作及保护，并以电气隔离的数字通信方式接受上位机的控制，充分发挥了智能化模块的作用。其特点是：

1）设有光电隔离的数字通信接口具有电气隔离能力，可承受2000V电压冲击；

2）模块接受的指令是数字信号，只有在接到符合通讯协议的指令时，才执行相应的操作，对于非法的干扰指令均不接受；

3）模块故障时，能自动退出，不影响系统正常运行；

4）智能化模块在集中控制单元发生故障时，也可手动控制各个充电模块，实现均/浮充转换等的设置。

5 采用IGBT器件的逆变器

为了能提供不间断交流电源，电力系统一般采用逆变器供电的电源。这不仅能满足长时间供电要求，还可以消除电网冲击、浪涌等干扰。采用IGBT器件的逆变器原理如图5所示。

图5中功率处理元件IGBT就是大功率的开关器件，它是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式电力半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。改造后的KOX正弦波逆变电源采用了完全隔离型逆变技术，输出无噪音正弦交流电压；逆变单元采用微处理器控制的SPWM技术，波形纯净；独有的动态电流环控制技术确保逆变器可靠运行。

6 结语

改造后的直流系统响应速度快、噪音小，输出稳定，而且由于智能化的实现，减少了误操作，为监控系统提供了可靠的电源。系统采用阀控式免维护蓄电池，并对电池实施有效管理，减少了维护工作量，也减少了环境污染，并降低了成本，达到了环保、节能的目的。

[1]杨冠城.电力系统自动装置原理[M].北京：中国电力出版社出版，2003.

[2]韩安荣.通用变频器及其应用 [M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]李启荣.水电站机电设备运行与检修技术问答[M].北京：中国电力出版社，1996.

[4]刘进锋.电子技术[M].北京：人民邮电出版社，2010.

[5]黄家善.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2005.