光伏电站直流系统调试方法研究

王思聪

(中国大唐集团科学技术研究院有限公司西北电力试验研究院，陕西 西安 710021)

1 概述

直流系统作为光伏电站的重要组成部分，为断路器操作回路、继电保护装置、信号设备、事故照明、应急电源等提供直流电源。光伏电站直流系统由充电屏、馈线屏、事故照明单元、逆变屏及蓄电池组构成。为了保证直流系统安全、可靠、稳定运行，在光伏电站投运前，必须针对直流系统的特点对蓄电池组、直流充电装置、直流空开等设备进行调试，具体内容包括：蓄电池组充放电试验、直流系统充电模块特性试验及直流系统级差配合试验。对不满足要求的直流系统设备或元件要及时进行更换。

2 蓄电池组充放电试验

电厂和变电站经常选用的蓄电池类型包括防酸隔爆铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、阀控式密封铅酸蓄电池。其中，绝大多数光伏电站的蓄电池组会选择阀控式密封铅酸蓄电池，因为相比于其他类型的蓄电池，阀控式密封铅酸蓄电池具备安全性能高、运行维护工作量少等优势，更加适合运行值班人员较少的光伏电站。

阀控式密封铅酸蓄电池组通常采用浮充电方式运行，为了检查蓄电池的实际容量是否满足要求、内部是否存在失水或干裂情况，对于新安装的蓄电池组，需进行充放电试验。具体的试验方法为：将蓄电池充满容量后，用10 h率放电电流I10对蓄电池组恒流放电，当蓄电池组中有1节蓄电池放到了终止电压Uz或者放电10 h后所有蓄电池的电压均高于Uz时，停止放电，放电容量应达到额定容量的100 %；静置1～2 h后，再用I10电流对蓄电池组进行充电；反复进行3次充放电，如果蓄电池容量达不到额定容量的100 %，则此组蓄电池不合格，应安排更换。

阀控式密封铅酸蓄电池的放电终止电压值Uz应符合表1的规定。

表1 阀控式密封铅酸蓄电池放电终止电压 V

某光伏电站110 kV二次舱蓄电池屏安装有1组蓄电池，共104节，蓄电池组容量为200 Ah，每节蓄电池的额定电压为2 V。本次蓄电池组恒流放电电流I10为20 A，放电终止电压为1.8 V。对蓄电池组进行充放电试验，放电10 h后，所有蓄电池中第45节蓄电池端电压最低，其充放电数据如表2所示。

表2 第45节蓄电池充放电数据

由试验结果可知，蓄电池组以10 h率放电电流20 A完成10 h放电后，放电容量达到了额定容量的100 %，蓄电池端电压最低为1.872 V，未达到终止电压，试验结果满足要求，该组蓄电池可以投入运行。

3 直流系统充电模块特性试验

光伏电站通常只配备1组直流充电装置，其中包括若干个直流充电模块。由于光伏电站采用的阀控式密封铅酸蓄电池多为贫液式或胶体式结构，承受过充电能力较差，因此对直流系统充电模块的技术指标有严格的要求。直流系统充电模块特性试验包括纹波系数、稳压精度及稳流精度测试三部分。充电模块纹波系数是指输出中的交流电压与直流电压的比值，交流成分属于高频范畴，高频幅值过高会影响设备的寿命，甚至造成逻辑错误或导致保护拒动；充电模块稳压精度、稳流精度过低会造成直流输出稳定性差，影响微机保护的正常工作，造成蓄电池组的欠充电或过充电，降低蓄电池组的使用寿命。因此在投运前需要实际测量直流装置输出电压的纹波系数、稳压精度及稳流精度，以确保直流系统能够安全稳定运行。

试验接线如图1所示，测试仪器为专用的直流电源综合特性测试仪。试验前做好充电模块的隔离，并且需要核对充电模块的过电压和低电压定值，确保三相调压器的调压范围不超过电压定值，如果超出定值范围则需要对调压范围进行修改。

图1 直流系统充电模块特性试验接线

稳压精度测试是在充电装置稳压状态下，直流输出电压设定为充电模块浮充电压，在交流输入电压分别为90 %～110 %额定标称电压时，调整负载电流值，测量其充电装置的输出电压。找出上述变化范围内充电装置输出电压的极限值UM，按公式(1)计算稳压精度δU。

式中：UZ为当交流输入电压为100 %额定值且负载电流为50 %额定电流时，输出电压的测量值；UM为充电装置输出电压的极限值；δU为稳压精度值。

纹波系数测试是在充电装置稳压状态下，将直流输出电压设定为充电模块浮充电压，在交流输入电压分别为90 %～110 %额定标称电压时，调整负载电流值，分别测量充电装置的输出电压UDC，输出电压的交流分量峰峰值UPP，按公式(2)计算纹波系数。

式中：XPP为纹波系数；UDC为充电装置的输出电压；UPP为输出电压的交流分量峰峰值。

稳流精度测试是在充电装置恒流充电状态下，将充电电流设定为模块限流值，在交流输入电压分别为90 %～110 %额定标称电压时，调整充电模块直流输出电压，测量充电电流，找出上述变化范围内充电电流的极限值IM，按公式(3)计算稳流精度δI。

式中：IZ为当交流输入电压为100 %额定值且充电电压在调整范围内的中间时，充电电流的测量值；IM为充电电流的极限值；δI为稳流精度。

某光伏电站配备1组直流充电装置，其交流输入电压为380 V，额定输出电压为220 V，浮充电压值为232 V，输出电流等级及限流给定值为20 A。充电装置包括4个直流充电模块，3号充电模块试验结果如表3所示。由试验数据可知，3号直流充电模块的稳压精度、稳流精度及纹波系数均满足标准要求，可以投入运行。

表3 3号充电模块试验结果

4 直流系统级差配合试验

在以往的光伏电站检修过程中，检修及试验人员发现站内存在大量交直流空开混用、上下级直流空开保护动作特性不匹配等问题，这些问题会经常引发越级跳闸，扩大失电范围。因此，在直流系统投运前，必须结合直流系统接线图和空开配置、额定电流等资料，对站内直流系统级差配合进行试验，验证直流系统级差配合是否满足要求。

试验需要选取不同厂家、不同型号、不同额定容量且具有上下级配合关系的直流空开、熔断器分别进行试验。试验开始前要断开与被试空开相关的刀闸或控制电源，与直流馈线段隔离。试验原理如图2所示。

图2 直流系统级差配合试验原理

如图2所示，试验回路由测试回路和直流开关安秒特性测试仪组成。测试回路由现场选取不同厂家、不同型号、不同额定电流的各级空开、熔断器(ZK1，SK1)组成。解开待测直流空开SK1下口负荷，并将其下口正负极短接后与上级空开ZK1的下口进行串联构成测试回路；解开ZK1上口回路，将直流开关安秒特性测试仪电流输出接口的正、负极分别接入ZK1的上口正、负极。合上ZK1和SK1。在大功率直流发生器中设置输出电流值，使其输出大于上级空开ZK1的动作电流。正常情况下，试验时下级空开SK1跳开，上级空开ZK1不动作；如果ZK1跳开，则说明其不满足下级空开同时出现多点短路时的级差配合要求。

某光伏电站现场选取2个具有上下级配合关系的直流空开进行试验，空开参数如表4所示。

表4 试验空开参数

在上级空开的上端口通入50 A短路电流，重复进行3次试验，每次间隔10 min，观察其动作情况。试验结果：下级空开跳开，上级空开未动作，满足级差配合要求。

5 结论

对于新建的光伏电站，调试期间必须着重对直流系统进行试验及检查梳理，具体的步骤包括：

(1) 通过蓄电池组充放电试验检查蓄电池容量是否与铭牌一致，同时可以验证蓄电池是否存在质量缺陷。

(2) 开展直流系统充电模块特性试验，检查直流装置输出电压的纹波系数、稳压精度及稳流精度是否满足规程要求。

(3) 进行直流系统级差配合试验，检查直流回路中是否存在交直流空开混用、上下级直流空开保护动作特性不匹配的情况的情况，避免投运后引发直流空开越级跳闸，扩大失电范围。