低壓直流供配電技術(shù)

宋 江 頌

(江蘇德力化纖有限公司,江蘇 宿遷 223800)

0 引 言

目前電力輸配廣泛應(yīng)用交流輸配電系統(tǒng),但在超長遠(yuǎn)距離和超大容量的電能輸送中,直流輸送更具有優(yōu)越性[1-2],在用戶雙電源/雙回線路供電中,低壓直流供電更為可靠。

在二級負(fù)荷以上的用戶中,要求雙電源/雙回線路供電。雙回線路交流配電系統(tǒng)中一路電源故障時,短時間內(nèi)把另一路電源提供給該雙回線路的負(fù)載。這一切換時間(備自投)目前只能做到1～2 s,甚至更長的時間。文獻[3-4]研究表明,對于回路本身的故障,自動重合閘技術(shù)解決的是如何保持電網(wǎng)的穩(wěn)定性,分辨不出是永久性或瞬時性故障。電網(wǎng)發(fā)生閃絡(luò)時,多數(shù)情況持續(xù)時間在0.5 s之內(nèi),備自投還未反應(yīng),而用戶的負(fù)載裝置已經(jīng)發(fā)生跳停。在很多二級負(fù)荷用戶中,備自投的這一切換時間不能滿足要求[5]。因交流配電系統(tǒng)無法做到毫秒級的切換,對大多數(shù)二級負(fù)荷用戶來說,在這個切換過程中即便是備自投能夠切換成功,負(fù)載裝置已經(jīng)跳?；蛟O(shè)備已經(jīng)停運,造成的損失是巨大的。在車間低壓配電裝置進行備自投還存在一定的風(fēng)險,如雙回線路其中一個回路突然無電,可能是該回線路存在短路故障,備自投的結(jié)果是把另一個線路也跳閘了,就擴大了停電的范圍。在電網(wǎng)發(fā)生閃絡(luò)時,這種配電系統(tǒng)根本沒有反應(yīng)。目前對交流低壓雙回線路備自投的研究比較少,交流低壓用戶即便是雙回線路供電,仍然受上級進線電壓閃絡(luò)的影響。本文研究的是構(gòu)建一種雙回線路交流中壓輸電,雙回線路低壓配電的車間級配電系統(tǒng),以解決諸如輸電線路電壓閃絡(luò)等對連續(xù)供電的影響。

1 雙回線路直流供電方案

1.1 問題分析

電網(wǎng)電壓閃絡(luò)是指電網(wǎng)電壓在短時間內(nèi)較大幅度波動或瞬時跌落及失電,在1 s左右又迅速恢復(fù)的現(xiàn)象,俗稱“晃電”。這種現(xiàn)象具有時間短、地點不確定、隨機性強等特點。受線路或電氣設(shè)備短路或大用電戶突甩負(fù)荷造成的局域電網(wǎng)系統(tǒng)電壓大幅度波動和電源瞬間消失,短時間內(nèi)又自動恢復(fù)。只是“晃”一下即過,但是如果設(shè)備和系統(tǒng)抵御閃絡(luò)的能力較差,將給生產(chǎn)帶來不應(yīng)有的損失,會直接導(dǎo)致生產(chǎn)線主要工藝設(shè)備停運。在連續(xù)化工生產(chǎn)中,只要有1臺設(shè)備停運,就可能會引起聯(lián)鎖反應(yīng),使整個工廠停運。這一方面給企業(yè)連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)帶來很大的影響,另一方面給這類企業(yè)造成的經(jīng)濟損失也是巨大的。

電網(wǎng)閃絡(luò)有以下幾種原因:

(1) 自然因素。雷電、大風(fēng)、大霧。隨著自然災(zāi)害頻發(fā)和嚴(yán)重,近些年來,電網(wǎng)閃絡(luò)的頻度和強度也越來越大。

(2) 設(shè)備因素。并聯(lián)用戶,由于各種設(shè)備運行年代參差不齊、污閃引起的線路短路,相鄰雙回線路故障、設(shè)備故障、大型電機起動、輸入電源異常等都有可能引起供電系統(tǒng)閃絡(luò)。由此會對鄰近變配電的用戶造成影響,甚至引起設(shè)備斷電。同一用戶的并聯(lián)設(shè)備性能、運行狀況不良等,也會造成緊鄰配電網(wǎng)絡(luò)的閃絡(luò)。

(3) 人為因素。對電力的不合理使用、調(diào)度,設(shè)備維護不到位,操作人員的誤操作等造成的瞬時短路等問題,都會導(dǎo)致緊鄰配電網(wǎng)的閃絡(luò)。

系統(tǒng)受內(nèi)外因素影響較多,對于一個用戶來說,外來因素引起的電網(wǎng)閃絡(luò)用戶是無法避免的,這也是發(fā)生供電異常的主要因素[6-7]。交流雙回線路配電單線圖如圖1所示。這樣的變配電系統(tǒng)無法克服電網(wǎng)閃絡(luò)對負(fù)載的影響。

某化纖企業(yè)雙回線路供電電網(wǎng)閃絡(luò)統(tǒng)計如表1所示。根據(jù)表1,從這8年的統(tǒng)計結(jié)果來看,雖然共發(fā)生電網(wǎng)閃絡(luò)70次左右,幾乎沒有兩個供電雙回線路同時發(fā)生閃絡(luò)的現(xiàn)象,并且所有的閃絡(luò)都是進戶線以上的故障造成的,即70次左右的電網(wǎng)閃絡(luò)都是外部因素造成的。由于兩個這樣的供電雙回線路不能長期并聯(lián)運行,只能單獨向自己所帶的負(fù)載供電,一旦發(fā)生電網(wǎng)閃絡(luò),如果超過負(fù)載設(shè)備能夠承受的電壓下降范圍和能夠承受的時間,就不可避免地會造成設(shè)備停運,繼而引起生產(chǎn)裝置的斷電。

表1 某化纖企業(yè)雙回線路供電電網(wǎng)閃絡(luò)統(tǒng)計

1.2 解決方案

由于很難發(fā)生兩個線路同時發(fā)生閃絡(luò),所以兩個供電回路能夠并聯(lián)運行,即使其中一個供電線路發(fā)生閃絡(luò),也不會影響負(fù)載設(shè)備的正常運行。雙回線路直流供電,就很容易實現(xiàn)多回線路長期并聯(lián)運行。

1.2.1 動力UPS方案

為了克服電網(wǎng)閃絡(luò)對用戶的影響,很多用戶在低壓端采用動力UPS來解決電網(wǎng)閃絡(luò)對電氣設(shè)備連續(xù)供電的影響[8]。

動力UPS的成功使用,為低壓直流供電的運用提供了豐富的調(diào)試和運行經(jīng)驗。低壓直流供電解決化工等企業(yè)連續(xù)性生產(chǎn)裝置對電網(wǎng)連續(xù)平穩(wěn)供電要求的問題。直流供電不受同步運行問題的制約,直流供電更容易多回線路并聯(lián)長期運行,提高了供電的穩(wěn)定性、可靠性和供電的連續(xù)性。

從該公司歷年來電網(wǎng)閃絡(luò)及設(shè)備斷電次數(shù)的記錄與統(tǒng)計的結(jié)果來看,2011年至2013年上半年,由于未增加動力UPS裝置,在不到3年的時間內(nèi),發(fā)生電網(wǎng)閃絡(luò)37次,引起生產(chǎn)裝置斷電8次。2013年下半年至2018年增加動力UPS裝置后,共發(fā)生電網(wǎng)閃絡(luò)37余次,未再引發(fā)生產(chǎn)裝置斷電,并且生產(chǎn)運行平穩(wěn),動力UPS方案起到了抗電網(wǎng)閃絡(luò)的有效作用,可靠性較高。

1.2.2 低壓直流供電方案

低壓直流供電同動力UPS方案相比具有更大的優(yōu)勢,可省去儲能單元的巨大投入,降低投資成本。儲能單元的故障率同整流單元相比較高,還存在一定的安全隱患,在不少應(yīng)用中發(fā)生了火災(zāi)事故,因而直流供電方案提高了供電系統(tǒng)及其本身的可靠性。雙回線路直流供電系統(tǒng)就可以不必配置大容量的儲能設(shè)備,從根本上消除這一隱患。低壓直流供配電系統(tǒng)如圖2所示。

低壓直流供配電設(shè)備包括從低壓變壓器輸出端開始依輸入輸出關(guān)系等依次為:均流單元、三相整流單元、止逆保護單元、電壓/電流檢測單元、直流濾波單元、雙回線路分配單元、直流負(fù)載單元、儲能單元和中央數(shù)據(jù)處理單元。

根據(jù)表1統(tǒng)計的數(shù)據(jù),在2011～2018的8年間,兩條供電回路累計共發(fā)生電網(wǎng)閃絡(luò)70余次,兩條供電線路同時發(fā)生閃絡(luò)0次。由于兩條交流10 kV供電線路經(jīng)過10/0.4 kV變壓器,再經(jīng)過整流后同時向直流母線供電,每條供電線路正常情況下可以50%的負(fù)荷向直流母線供電,當(dāng)其中一條線路異常時,另一條線路都可以100%的負(fù)荷向直流母線供電。即當(dāng)使用圖2所示的直流供電系統(tǒng)后,直流母線將不會受外部電網(wǎng)閃絡(luò)的影響。

需要解決的問題:2臺變壓器的進線來自于不同的輸電線路,存在電壓差;2臺變壓器的變比、短路電阻雖然比較接近,但不可能絕對一致[9]。這些都可能導(dǎo)致2臺變壓器之間存在輕載環(huán)流和輸出電流有較大的差異[10]。對應(yīng)不同變壓器的整流模塊的輸出電流也就不均,從而使整流模塊處于不同的運行負(fù)荷,需進行均流[11-13]。

(1) 均流控制。既然是變壓器產(chǎn)生的偏差,這個偏差同樣可以使用變壓器來補償。將來自于2臺供電變壓器的同一相分別串入補償變壓器的兩個線圈,均流控制原理圖如圖3所示。根據(jù)規(guī)范[14-15]對供電電壓的要求,當(dāng)兩個線圈的電流相等時,各自分壓各自供電變壓器最大AC 20 V左右的輸出電壓。當(dāng)其中一個線圈的電流大于另一個的電流時,將在另一個的線圈中產(chǎn)生同樣大小的感生電流,從而使兩邊線圈流過的電流再次相同,達到2臺供電變壓器負(fù)荷電流均流的目的。

同一個變壓器的2個整流模塊的均流問題,也采用2臺變壓器均流相同的均流原理來實現(xiàn)。

(2) 故障保護。直流母線上至少并聯(lián)4組整流單元。整流單元在長期的運行過程中,不可避免地會產(chǎn)生故障甚至短路。雖然這種情況可以有斷路器等自動把短路的整流單元從直流母線等回路中切除,但仍有一定的動作時間,會造成直流母線瞬間的低電壓,即直流母線閃絡(luò)。通過給整流單元的輸出串聯(lián)一個隔離二極管,就可以實現(xiàn)單向電氣隔離。在這種情況下,整流單元發(fā)生短路時,由于隔離二極管的單向?qū)щ娦?直流母線將不會受故障的整流單元的影響。

以上的技術(shù)可以充分地保證直流供電的可靠性、安全性及供電的連續(xù)性。但也要進一步考慮用戶負(fù)載故障可能對直流母線造成的影響。對于分配回路比較大的負(fù)載,采用快速熔斷器后串聯(lián)斷路器的保護,即利用快速熔斷器的快速切斷電路(熔斷)和斷路器的可操作性(正常情況下必要的閉合、拉閘操作),從而避免直流母線免受個別回路諸如短路等故障的影響。

儲能單元為用戶提供安保電源。根據(jù)需要的負(fù)荷和需要安保電源的時間,確定儲能單元容量的大小。

(3) 直流母線過電壓的問題。直流母線的負(fù)載回路中,個別變頻器驅(qū)動負(fù)荷因起動/停止造成的再生電壓,可能會造成直流母線過電壓。但這些電能有的會被其他的直流負(fù)荷吸收掉,在這種情況下,可以不考慮直流母線過電壓的能量吸收問題。對于有較大運動慣性的設(shè)備在停止時的制動能量的吸收,則需要特殊考慮。

正常工作時,變頻器直流部分電壓為三相全波整流后的平均值。若以400 V線電壓計算,則平均直流電壓為540 V左右。在過電壓發(fā)生時,直流母線上的儲能電容將被充電,當(dāng)電壓上升至700 V左右時(因機型而異),變頻器過電壓保護動作。

造成過電壓的原因主要有兩種:電源過電壓和再生過電壓。電源過電壓是指因電源電壓過高而使直流母線電壓超過額定值?，F(xiàn)在大部分變頻器的輸入電壓最高可達560 V,因此,電源引起的過電壓極為少見。

本文主要討論的問題是再生過電壓。產(chǎn)生再生過電壓主要有以下原因:當(dāng)具有大的運動慣性負(fù)載減速時變頻器減速時間設(shè)定過短;電機受外力影響(風(fēng)機、牽伸機)或位能負(fù)載(電梯、起重機)下放。由于這些原因,使電機實際轉(zhuǎn)速高于變頻器的指令轉(zhuǎn)速,即電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過了同步轉(zhuǎn)速,這時電機的轉(zhuǎn)差率為負(fù),轉(zhuǎn)子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場的方向與電動機狀態(tài)時相反,其產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為阻礙旋轉(zhuǎn)方向的制動轉(zhuǎn)矩。所以電動機實際上處于發(fā)電狀態(tài),負(fù)載的動能被“再生”成為電能。再生能量經(jīng)逆變部分續(xù)流二極管對變頻器直流儲能電容器充電,使直流母線電壓上升,就再生過電壓。因再生過電壓的過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩與原轉(zhuǎn)矩相反,為制動轉(zhuǎn)矩,因此再生過電壓的過程也就是再生制動的過程,消除再生能量,也就提高了制動轉(zhuǎn)矩。如果再生能量不大,因變頻器與電機本身具有20%左右的再生制動能力,這部分電能將被變頻器及電機消耗掉。若這部分能量超過變頻器與電機的消耗能力,直流雙回線路的電容將被過充電,變頻器的過電壓保護功能動作,使運行停止。

某熔體直接紡長絲裝置,使用變頻器的負(fù)荷運行總功率為3 000 kW,其他負(fù)荷運行總功率為50 kW。其中,在一個大修期內(nèi)一直連續(xù)運行的變頻器驅(qū)動負(fù)荷為1 500 kW,其他負(fù)荷為50 kW,并且,最大的單機負(fù)荷為315 kW。正常生產(chǎn)中很少有多臺負(fù)荷同時起停,即便有多臺負(fù)荷起停,其總功率也遠(yuǎn)小于總運行負(fù)荷。應(yīng)用直流母線供電則不會發(fā)生直流母線過電壓的問題。

因此,直流母線過電壓的問題,要根據(jù)負(fù)載的性質(zhì)確定所需要再生過電壓釋放回路。對于各個負(fù)載功率相差不太懸殊,同時起停的設(shè)備比例不多時,正常情況下是可以不考慮這個問題的,因為再生能量可以由其他負(fù)載吸收掉。但要考慮特殊情況下的過電壓,如計劃停工,大范圍內(nèi)幾乎所有大負(fù)荷都在停止運行甚至異常斷電時產(chǎn)生過電壓,可能燒壞整流設(shè)備。從安全性考慮,最好設(shè)計過電壓能量反饋回路。

1.2.3 低壓直流供配電的優(yōu)越性

雙回線路直流低壓供配電技術(shù)就是在電網(wǎng)出現(xiàn)閃絡(luò)或雙回線路中某一回路斷供電時不間斷地對本系統(tǒng)中所有用電負(fù)載起到連續(xù)供電,維持這些設(shè)備正常運行,從而保證連續(xù)生產(chǎn)的穩(wěn)定進行,避免經(jīng)濟損失或不影響社會活動。交流多回線路或多路電源供電的方案并不能真正保證供電的連續(xù)性,并且投資成本同直流供電相比大得多。

直流低壓供配電的優(yōu)點是:采用直流雙回線路/雙電源并聯(lián)供電的方式,能夠解決電網(wǎng)閃絡(luò)對連續(xù)供電的影響。這是交流供電系統(tǒng)無法直接解決的。

因為絕大多數(shù)的連續(xù)化工生產(chǎn)企業(yè)的低壓配電供電電壓為400 V,實際運行長期在395～415 V范圍內(nèi)。使用變頻器后,可以將電壓穩(wěn)定在380 V左右。絕大多數(shù)的電動機標(biāo)稱額定電壓為380 V,而實際運行電壓為400 V左右。這時就會使電機多消耗一定的電能。在使用變頻器輸出380 V的電壓后,實際對電動機負(fù)載做同樣的有用功時,可以降低電動機的實際運行功率,從而節(jié)約了電能。根據(jù)在多臺電動機上的實驗,應(yīng)用變頻器相對于不使用變頻器可以節(jié)約4%左右的電能(已去掉變頻器的功率消耗)。

電壓適應(yīng)范圍寬,對于交流300～420 V范圍內(nèi)的電壓波動,直流供配電系統(tǒng)都能夠保證負(fù)載的正常運行。

由于在達到同樣降低諧波水平時,采用直流濾波比采用交流濾波更為簡單和有效,大大降低了諧波治理的成本[16]。

交流供配電系統(tǒng)為了保證供電的連續(xù)性,目前只能加裝動力UPS裝置。相比于直流供電系統(tǒng),成本較高(包括初期投資成本、運行成本),故障率較高,占用空間較大,有一定的安全隱患。

采用直流雙回線路/雙電源并聯(lián)供電的方式,配電系統(tǒng)更便于超級電容、蓄電池等儲能裝置的接入,從而進一步提高其供電的可靠性及連續(xù)性。

直流配電系統(tǒng)較交流配電系統(tǒng)損耗低,傳輸效率高,節(jié)省線路走廊。一次性投資成本不會太大,大部分化工生產(chǎn)企業(yè)都能接受。

直流供電不受同步運行問題的制約,直流供電更容易添加供電冗余配置,提高了供電的穩(wěn)定性與可靠性。

減少了小型AC/DC整流器和DC/AC逆變器等單元的使用,降低了發(fā)生硬件故障的幾率。

2 試驗驗證

直流供電同交流供電諧波對比,設(shè)置了濾波器[17-18],克服電網(wǎng)諧波和負(fù)載諧波的影響。

現(xiàn)以變頻器進線電源400 V進行實驗,直流雙回路供電試驗原理如圖4所示。

2臺55 kW電動機一用一備,所帶負(fù)載是水泵,在多次的備臺起動運行后另一臺停機試驗,及脫開水泵進行空載試運的起停,直流母線電壓平穩(wěn)。圖4中QF1、QF2合閘前和合閘后帶負(fù)載運行,交流側(cè)總諧波畸變率THD未測到有明顯變化。單獨一個回路供電時,測得進線電流為30.5 A左右。

兩個回路同時供電時測得的進線電壓、電流如圖5所示。從圖5可以看出,雖然兩個回路存在著電壓差(6 V左右),運行負(fù)載功率也不太大,回路1的運行電流為19.6 A,回路2的運行電流為10.6 A。這同單獨一個回路供電時的運行電流基本相等。

雖然兩個回路并聯(lián)運行,并且兩個供電回路存在著電壓差,所帶負(fù)載的功率也不大,但兩個回路并聯(lián)供電不會產(chǎn)生環(huán)流。

需要說明的是,圖5中回路2的進線電壓高次諧波含量本就比較大,不是本試驗裝置產(chǎn)生的。

該裝置已經(jīng)運行6個月,期間雙回線路中某一回路發(fā)生電網(wǎng)閃絡(luò)3次,另一回線路發(fā)生電網(wǎng)閃絡(luò)1次。由于這幾次電網(wǎng)閃絡(luò)都不是同時發(fā)生的,所以電動機的運行沒有受到電網(wǎng)閃絡(luò)的影響。這就驗證了本文提出的對雙電源/雙回線路供電進行直流供電可以克服電網(wǎng)閃絡(luò)對用戶的影響的設(shè)計方案。該系統(tǒng)的平穩(wěn)運行也驗證了本設(shè)計原理和選型的可靠性及安全性。

3 結(jié) 語

根據(jù)試運行結(jié)果,該技術(shù)方案安全有效,達到了預(yù)期的目的,符合電網(wǎng)運行對用戶的要求。直流雙回線路供電相比交流供電系統(tǒng),更具有優(yōu)越性。

由于低壓直流供電系統(tǒng)是首先對低壓交流進行三相整流,然后并聯(lián)運行,對于TN接地型式的交流變配電系統(tǒng),不會在兩個回路產(chǎn)生環(huán)流。即使均流在特殊情況下失效,由于變壓器、整流模塊都是按全部負(fù)載的120%負(fù)荷能夠長期安全運行設(shè)計的,也不會對低壓變配電系統(tǒng)產(chǎn)生不利的影響和危險,但總是希望雙回線路的變配電系統(tǒng)能夠各自分擔(dān)50%的負(fù)荷運行。這樣,在雙回線路設(shè)備的運行狀況、維護保養(yǎng)周期、使用壽命上都盡可能一致。