發(fā)電廠直流電源改造分析

1、發(fā)電廠直流電源改造分析孫國彬， 劉世杰（大唐淮北發(fā)電廠，安徽 淮北 235000）摘 要： 針對淮北發(fā)電廠一、二期直流電源系統(tǒng)運(yùn)行中長期存在的問題，該文分析了直流電源系統(tǒng)改造的必要性，詳細(xì)說明了高頻開關(guān)電源的性能特點(diǎn)、高頻開關(guān)電源模塊工作原理及PWM 工頻變換技術(shù)，并介紹了淮北發(fā)電廠利用高頻開關(guān)電源對原直流電源的典型改造方案。關(guān)鍵詞 ：直流電源；高頻開關(guān)；絕緣中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：BAnalysis of DC Power Supply Reform in Power PlantSUN Guo-bin, LIU Shi-jie（Huaibei Power Plant of Datang Po

2、wer Group, Huaibei Anhui 235000）Abstract: In allusion to the problems in the operation of the DC power supply systems of the first-stage and second-stage projects at Huaibei Power Plant, which have existed for a long time. This paper analyzes the necessity of transform for the DC power supply system

3、s, elaborates the performance characteristics of the high frequency switching power supply, working principle of the high frequency switching power supply module and PWM power frequency conversion technology with the introduction of the typical transform scheme for the original DC power supplies by

4、using the high frequency switching power supply at Huaibei Power Plant.Keywords: DC Power Supply; High Frequency Switch; Insulation1 概述淮北發(fā)電廠近幾年“上大壓小 ”工程快速上馬，原有發(fā)電機(jī)組相繼關(guān)停（一期2×50MW 二期2×125MW ），只保留220V 直流系統(tǒng)為220kV 升壓站、 110kV 升壓站、 35kV 升壓站所有出線線路開關(guān)保護(hù)及 #1、 #2、#3、 #4 主變保護(hù)提供操作、合閘電源。且220V 直流電源主要來自可控硅整

5、流系統(tǒng)，因全部為涉網(wǎng)設(shè)備，直流系統(tǒng)非常重要。該廠原采用的直流電源設(shè)備是上世紀(jì)90 年代可控硅整流設(shè)備，經(jīng)過近二十年運(yùn)行已存在較多問題，給日常生產(chǎn)、設(shè)備的安全運(yùn)行構(gòu)成了威脅。主要有： 1.直流設(shè)備嚴(yán)重老化。2.故障頻發(fā)，備品備件配置困難，維護(hù)量日益增加。3、直流電源系統(tǒng)穩(wěn)定性差、效率低、紋波系數(shù)大，抗干擾能力差，監(jiān)控系統(tǒng)不完善，不能滿足系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備的要求。 4、由于可控硅整流電源浮充電壓易波動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)蓄電池脈動(dòng)充放電現(xiàn)象，對免維護(hù)蓄電池?fù)p害極大，影響電池壽命。1針對上述存在的諸多問題，我廠經(jīng)過多方考察論證，決定先對二期220V 直流電源進(jìn)行改造，采用智能高頻開關(guān)電源改進(jìn)原可控硅整流裝置。2 發(fā)

6、電廠直流系統(tǒng)的重要性直流電源是電力系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)設(shè)備，其作用主要是在發(fā)電廠正常運(yùn)行時(shí)，對斷路器的控制回路、信號設(shè)備、自動(dòng)裝置等設(shè)備供電；在一次系統(tǒng)故障時(shí)，給繼電保護(hù)、信號設(shè)備、斷路器的控制回路供電，以保證它們能可靠動(dòng)作；在交流廠用電源中斷時(shí)，給事故、直流油泵及交流不停電電源等負(fù)荷供電，以保證事故保安負(fù)荷的工作。如果直流系統(tǒng)不能正常工作，一次系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，將會(huì)造成開關(guān)拒動(dòng)或者死開關(guān)，甚至?xí)l(fā)生越級跳閘，造成電網(wǎng)瓦解，這樣將會(huì)給發(fā)電廠及電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，直流電源在發(fā)電廠中十分重要，必須充分可靠，具有獨(dú)立性。3 智能高頻開關(guān)整流模塊性能特點(diǎn)及工作原理3.1 高頻開關(guān)技術(shù)性能高頻開

7、關(guān)頻率結(jié)合脈寬調(diào)制（PWM ）技術(shù)的研究和應(yīng)用，使開關(guān)電源迅速發(fā)展。目前，開關(guān)頻率提高到75-500kHz 左右，實(shí)現(xiàn)了電源設(shè)備小型化、輕量化、模塊化。其性能指標(biāo)比以往的可控硅整流器和磁飽和整流器等優(yōu)越，其主要性能指標(biāo)參數(shù)比較如表1。表 1高頻開關(guān)整流裝置與可控硅整流裝置主要參數(shù)比較電源類型高頻開關(guān)整流裝置可控硅整流裝置交流電源電壓380V±20%380V±10%直流輸出電壓220V ： 198 286V220V ： 193 256V工作頻率50Hz±10%50Hz紋波系統(tǒng)± 0.5%2%穩(wěn)壓精度± 0.5%12%穩(wěn)流精度± 0.5%

8、12%動(dòng)態(tài)響應(yīng)200s100ms噪音40 50dB50 60dB效率91%60 70%功率因數(shù)0.90.7輸出電流5300A5300A從表中具體數(shù)據(jù)表明，由高頻開關(guān)整流模塊組成的直流成套設(shè)備在各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)上有明顯的優(yōu)勢。3.2 智能高頻開關(guān)系統(tǒng)主要特點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，靈活可靠。高頻開關(guān)整流模塊系列化，根據(jù)容量需求實(shí)現(xiàn)高性價(jià)比的配置。采用軟開關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)的高頻開關(guān)整流模塊，高效長壽命。充電模塊N+1 熱備份，可帶電插拔，在線維護(hù)，方便快捷。2硬件低差自主均流技術(shù)，模塊間輸出電流最大不平衡度小?？蛇x絕緣檢測儀實(shí)時(shí)監(jiān)測母線及各支路對地絕緣狀況，確保系統(tǒng)和人身安全。監(jiān)控模塊采用大屏幕液晶顯示，系統(tǒng)所有運(yùn)

9、行參數(shù)都可以通過監(jiān)控模塊設(shè)定，全中文界面，操作方便。提供包括 RS-232/RS-485 三遙接口，實(shí)現(xiàn)對電源系統(tǒng)的 “遙測、遙控、遙信 ”以及實(shí)現(xiàn)無人值守。蓄電池自動(dòng)管理及保護(hù)，實(shí)時(shí)自動(dòng)檢測各蓄電池單體的端電壓，總電壓和溫度，充、放電電流，并控制蓄電池的均充和浮充狀態(tài)。3.3 智能高頻開關(guān)整流模塊工作原理高頻開關(guān)整流模塊在國內(nèi)外各控制電源領(lǐng)域里已得到應(yīng)用，在內(nèi)部執(zhí)行電路各有差異，但其工作原理及控制邏輯大經(jīng)相同。其原理框圖如圖1 所示。圖 1 高頻開關(guān)電源模塊原理框圖如圖 1，該系統(tǒng)由交流輸入單元、AC/DC 逆變單元、直流輸出單元和控制監(jiān)測單元等組成。交流輸入單元由兩路交流380V 輸入，經(jīng)

10、高壓沖擊的抑制尖峰電壓設(shè)備和濾波阻容保護(hù)器等組成，三相全橋整流器輸出電壓經(jīng)工頻濾波后變成直流；經(jīng)過DC/AC 高頻逆變單元，在PWM 脈寬調(diào)制電路作用下將直流變成交流高頻脈沖電壓；高頻變壓器將輸入的高頻交流脈沖電壓降壓處理，再經(jīng)過 LC 濾波、 EMI 濾波后輸出平穩(wěn)直流。PWM 脈寬調(diào)制電路及部分軟開關(guān)諧振回路，根據(jù)電網(wǎng)和負(fù)載的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)頻開關(guān)的脈沖寬度和移相角，使輸出電流、電壓在各種運(yùn)行情況下保持穩(wěn)定輸出。高頻開關(guān)模塊中的高頻變壓器鐵芯采用鐵氧體或非晶體制成，有很好的高頻傳遞特性，效率高、體積小、無噪音，變壓器輸出再經(jīng)整流橋和濾波器等組成的直流輸出單元后輸出平穩(wěn)直流。微機(jī)監(jiān)控模塊：是

11、系統(tǒng)控制靈魂環(huán)節(jié)，微處理器 CPU 為核心構(gòu)件，由液晶顯示器或 CRT 顯示。采集交流輸入電源、直流母線、充電裝置和蓄電池等信息，實(shí)現(xiàn)以下功能：3按蓄電池充放電程序自動(dòng)控制充放電過程，實(shí)現(xiàn)預(yù)定充電程序控制運(yùn)行；長期浮充電運(yùn)行后，自動(dòng)啟動(dòng)充電程序控制；交流失電恢復(fù)后，自動(dòng)啟動(dòng)充電程序方式控制。顯示直流系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及故障和異常信號報(bào)警。設(shè)運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信號的標(biāo)準(zhǔn)通訊接口RS485 等，實(shí)現(xiàn)遙信、遙測、遙控、遙調(diào)和自檢功能。實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)的電壓、電流監(jiān)測、絕緣故障監(jiān)測及蓄電池溫度補(bǔ)償和內(nèi)電勢測量等。微機(jī)監(jiān)控模塊滿足蓄電池充放電程序功能及保證模塊均流的功能是必要的，而直流母線絕緣監(jiān)察和電壓監(jiān)視功能是否

12、設(shè)置，目前有三種做法：充電裝置具備全部功能，直流系統(tǒng)仍保留原專用裝置。充電裝置具備全部功能，直流系統(tǒng)不另設(shè)專用裝置。充電裝置不設(shè)直流母線的絕緣、電壓和電流測量及蓄電池溫度補(bǔ)償和內(nèi)電勢測量功能，由原專用裝置完成。4 直流系統(tǒng)改造方案介紹我廠根據(jù)其配置的蓄電池容量和直流系統(tǒng)負(fù)荷的要求（直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)電流容量為180A ），采用雙屏獨(dú)立設(shè)計(jì)，互為備用；選用高頻開關(guān)模塊均為220V 、 20A ；采用 N+1 備份方式，故充電、浮充電裝置采用 9 個(gè)模塊并聯(lián)組成，自動(dòng)均流措施。當(dāng)其中有一個(gè)模塊故障時(shí)，裝置發(fā)出報(bào)警信號，這時(shí)負(fù)載由另外 N 個(gè)模塊均流負(fù)擔(dān)，不會(huì)影響正常供電；微機(jī)監(jiān)控模塊滿足蓄電池充放電程序

13、功能、保證模塊均流的功能和電壓監(jiān)視功能；根據(jù)直流負(fù)荷分配情況，先進(jìn)行二期直流系統(tǒng)改造，然后在進(jìn)行一期直流系統(tǒng)改造，使之互為備用，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不停電改造。本次二期直流系統(tǒng)改造拆除二期直流蓄電池組、二期浮充電裝置、二期短沖裝置，安裝新的蓄電池組和兩塊直流負(fù)荷屏，啟用老廠公用短沖裝置，作為新的二期蓄電池組浮充裝置使用；把原接入二期直流母線的所有負(fù)荷轉(zhuǎn)移到新安裝的兩塊直流負(fù)荷屏；改造完成后，一、二期直流系統(tǒng)母線經(jīng)過刀閘切換實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，保證了網(wǎng)控直流系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行。由圖 2 所示，改造后的高頻開關(guān)整流模塊裝置的直流系統(tǒng)框圖可以看出，交流電源分別由兩路引入，一投一備，互為備用，互為電氣閉鎖。直流輸出由9

14、個(gè)整流模塊并列輸出。蓄電池組與動(dòng)力母線通過一只斷路器接至直流輸出口，控制母線通過自動(dòng)調(diào)壓后，保證控制母線電壓在220V±5%范圍內(nèi)。在正常運(yùn)行情況下，由一路交流電源提供整流模擬輸入電源，另一路交流作為備用電源，當(dāng)投入的交流電源故障時(shí)，故障的交流電源自動(dòng)退出，備用交流電源自動(dòng)投入，保證了交流供電的連續(xù)性。高頻整流模塊將交流電源經(jīng)過高頻脈寬調(diào)制整流，提供穩(wěn)定可靠的直流電源，另一方面保證電池組的浮充電。當(dāng)兩路交流電源同時(shí)失電時(shí)，蓄電池組則作為備用電源提供 220V 操作電源，保證各控制、保護(hù)系統(tǒng)在交流電源故障時(shí)的操作電源和信號電源的供電連續(xù)性和可靠性。信息傳輸接口與 NCS 監(jiān)控系統(tǒng)通信，采用標(biāo)準(zhǔn)的通信規(guī)約 RS485。同時(shí)保留 4 點(diǎn)硬接線報(bào)警點(diǎn)。4圖 2高頻開關(guān)整流裝置直流系統(tǒng)框圖5 小