50 MWp集中式地面光伏電站直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

鄧衛(wèi)梅

(國能龍?jiān)措娏夹g(shù)工程有限責(zé)任公司，北京 100039)

“十四五”規(guī)劃要求加快推動(dòng)綠色低碳發(fā)展、能源清潔低碳安全高效利用；2020年中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議提出“3060碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)。與此同時(shí)，各個(gè)地方積極響應(yīng)國家號(hào)召，出臺(tái)了各類鼓勵(lì)政策，為光伏項(xiàng)目的大力推廣提供了重要保障[1]。為保證光伏電站的供電可靠性，提高電站精益運(yùn)維水平[2]，確保事故停電等狀態(tài)下各類重要設(shè)備均能可靠供電[3]，光伏變電站必須配置直流電源系統(tǒng)。

正常運(yùn)行狀態(tài)下，保護(hù)、控制、應(yīng)急照明、自動(dòng)化設(shè)備等均由站內(nèi)的廠用電系統(tǒng)供電，但當(dāng)廠用電系統(tǒng)斷電后，需切換至直流系統(tǒng)以保證一定時(shí)間內(nèi)設(shè)備的正常運(yùn)行。以此為出發(fā)點(diǎn)，本文重點(diǎn)研究50 MWp集中式地面光伏電站的直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并形成一套完整的設(shè)計(jì)思路和方案。

1 直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

直流電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需在滿足直流用電需求的同時(shí)保證其安全、可靠性，主要包括系統(tǒng)電壓、接線方式、充電裝置、畜電池容量[4]、系統(tǒng)布置及接地防護(hù)等模塊，如圖1所示為直流電源系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。

對(duì)于1座50 MWp的集中式地面光伏電站，已知：光伏場(chǎng)區(qū)箱變/集電線路電壓等級(jí)為35 kV，無人值班光伏升壓站的電壓等級(jí)為110/35 kV，主變?nèi)萘?×50 MVA，站用變?nèi)萘?15 kVA(電壓37±2×2.5%/0.4 kV，接線組別Dyn11)，為此光伏升壓站研究設(shè)計(jì)一套直流電源系統(tǒng)。

圖1 直流電源系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

1.1 直流電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1)系統(tǒng)持續(xù)時(shí)間和運(yùn)行方式?？紤]到集中式中、大容量光伏電站一般地處偏遠(yuǎn)，多為“少人值班、無人值守”或者“無人值班”變電站，因此要求全站交流事故停電時(shí)間宜按2 h計(jì)算[5]。在此事故停電時(shí)間內(nèi)，蓄電池容量需滿足光伏電站內(nèi)的繼電保護(hù)、信號(hào)、自動(dòng)裝置等控制負(fù)荷和交流不間斷電源裝置、斷路器合閘機(jī)構(gòu)及直流事故照明等動(dòng)力負(fù)荷供電，且蓄電池組應(yīng)以全浮充電方式運(yùn)行[6]。

2)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓。根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)定[5]：①專供控制負(fù)荷的直流系統(tǒng)電壓宜采用110 V，也可采用220 V；②專供動(dòng)力負(fù)荷的直流電源系統(tǒng)電壓宜采用220 V；③控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電的直流電源系統(tǒng)電壓可采用220 V或110 V。實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要綜合考量直流電源系統(tǒng)標(biāo)稱電壓對(duì)蓄電池個(gè)數(shù)、充電裝置容量、電纜截面大小及相關(guān)設(shè)備的影響，同時(shí)結(jié)合運(yùn)行、維護(hù)和管理等各方面因素。鑒于110 V直流電源系統(tǒng)供電系統(tǒng)電纜壓降較大、供電距離較短。因此，本文110 kV、50 MVA容量的光伏升壓站宜選擇標(biāo)稱電壓220 V的直流系統(tǒng)來為全廠的動(dòng)力、控制負(fù)荷供電。

3)系統(tǒng)蓄電池選型、個(gè)數(shù)研究。直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求110 kV及以下變電站宜裝設(shè)1組蓄電池，對(duì)于重要的110 kV變電站也可裝設(shè)2組蓄電池。在滿足規(guī)范要求的基礎(chǔ)上考慮經(jīng)濟(jì)性，本文50 MWp集中式地面光伏升壓站設(shè)置1組蓄電池。

常用蓄電池有鉛酸蓄電池和鎘鑷堿性蓄電池兩類，鉛酸蓄電池又分固定型排氣式和閥控式兩類，各自優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 鉛酸蓄電池與鎘鑷堿性蓄電池優(yōu)缺點(diǎn)比較

基于閥控式鉛酸蓄電池的良好性能，本文所述的常規(guī)變電站選用1組閥控式鉛酸蓄電池，單體電壓2 V。其中，單體浮充電電壓宜取2.23 V，從而得到蓄電池的個(gè)數(shù)為104只，放電終止電壓1.87 V。具體要求和計(jì)算過程如下：

1)蓄電池應(yīng)滿足在浮充電運(yùn)行時(shí)直流母線電壓為1.05Un，則：

(1)

2)對(duì)于控制負(fù)荷和動(dòng)力負(fù)荷合并供電的，單體蓄電池均衡充電電壓不應(yīng)大于下式：

(2)

3)單體蓄電池事故放電末期終止電壓應(yīng)滿足下式：

(3)

1.2 直流電源系統(tǒng)蓄電池組詳細(xì)設(shè)計(jì)

蓄電池組是直流電源系統(tǒng)的核心，蓄電池容量選擇過大不僅電池成本大幅增加并且運(yùn)營維護(hù)難度提高；而蓄電池容量選擇較小則無法保證各類直流系統(tǒng)的可靠供電[7]，因此蓄電池容量必須基于變電站的實(shí)際需要并考慮一定裕量[4]。目前，蓄電池容量計(jì)算主要有簡(jiǎn)化計(jì)算法與階梯計(jì)算法。前者以容量換算，后者用電流換算，二者使用的系數(shù)可以互換，本質(zhì)相同。因階梯計(jì)算法結(jié)果更加準(zhǔn)確，此處選擇階梯計(jì)算法作為蓄電池容量選擇的依據(jù)。

1.2.1 負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

負(fù)荷統(tǒng)計(jì)是蓄電池容量計(jì)算的基礎(chǔ)，對(duì)50 MWp的大型集中式地面光伏升壓站的直流負(fù)荷進(jìn)行分類、統(tǒng)計(jì)，計(jì)算各類負(fù)荷的計(jì)算電流、經(jīng)常電流，并將事故放電時(shí)間分為初期0～1 min，持續(xù)時(shí)間1～60 min和末期60～120 min三個(gè)階段，分別統(tǒng)計(jì)各階段電流[8]并計(jì)及隨機(jī)負(fù)荷，得到結(jié)果如表2所示。

表2 直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表(按1臺(tái)主變終期考慮)

1.2.2 蓄電池組容量計(jì)算

根據(jù)前述的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)和各階段電流，通過查現(xiàn)行直流電源系統(tǒng)規(guī)范[5]的附錄C引入各階段的容量換算系數(shù)Kk、Kc1、Kc2、Kc3，即可利用階梯計(jì)算法得到各階段的計(jì)算容量，具體過程如下：

第一階段計(jì)算容量：

(4)

第二階段計(jì)算容量：

(5)

第三階段計(jì)算容量：

(6)

隨機(jī)負(fù)荷計(jì)算容量：

(7)

經(jīng)計(jì)算，第一階段計(jì)算容量為130.02 Ah，第二階段計(jì)算容量為256.73 Ah，第三階段計(jì)算容量為212.68 Ah，隨機(jī)負(fù)荷計(jì)算容量為4.33 Ah；經(jīng)比較得知，第二階段計(jì)算容量256.73 Ah為最大容量。將隨機(jī)負(fù)荷計(jì)算容量疊加在最大的階段，然后與第一階段計(jì)算容量比較取其大者作為蓄電池組的最終計(jì)算容量，如式(8)所示：

Cc2+Cr=256.73+4.33=261.06>C1=130.02

(8)

故經(jīng)過階梯計(jì)算，最終得到蓄電池的計(jì)算容量為261.06 Ah。實(shí)際工程中，考慮一定的裕量，選用標(biāo)稱容量為300 Ah的閥控式鉛酸蓄電池即可滿足要求。

1.2.3 蓄電池組充電裝置

蓄電池充電裝置主要有高頻開關(guān)電源模塊和相控式充電裝置。相比較而言，相控式充電裝置需要整套備用，而高頻開關(guān)電源模塊僅需備用個(gè)別模塊，且高頻開關(guān)電源模塊精度高、輸出穩(wěn)定、更加可靠智能。因此，目前蓄電池充電裝置一般都選擇高頻開關(guān)電源。同時(shí)，當(dāng)1組蓄電池配置一套充電裝置時(shí)，采用簡(jiǎn)單的單母線接線形式即可滿足要求。

2 直流電源系統(tǒng)布置及接地防護(hù)

2.1 直流電源系統(tǒng)布置

直流電源系統(tǒng)布置主要圍繞蓄電池組展開，而蓄電池的布置是升壓站總圖布置中需要考慮的重要部分。根據(jù)相關(guān)規(guī)定[5]，閥控式密封鉛酸蓄電池容量在300 Ah及以上時(shí)，應(yīng)設(shè)專用蓄電池室，且專用蓄電池室宜布置在0 m層；同時(shí)，蓄電池室的布置位置應(yīng)選在無高溫、無潮濕、無震動(dòng)、少灰塵、避免陽光直射，并宜靠近直流配電間。此外，對(duì)蓄電池室的玻璃及內(nèi)部照明、開關(guān)等均有嚴(yán)格要求，實(shí)際設(shè)計(jì)需嚴(yán)格依據(jù)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行。同時(shí)，在進(jìn)入蓄電池室前應(yīng)注意通風(fēng)；蓄電池室內(nèi)禁止煙火及安裝能發(fā)生電氣火花的器具；當(dāng)需在室內(nèi)動(dòng)火時(shí)應(yīng)采取安全措施，加強(qiáng)室內(nèi)通風(fēng)。

2.2 直流電源系統(tǒng)接地防護(hù)

區(qū)別于交流電源系統(tǒng)，直流電源系統(tǒng)要求采用不接地方式。因?yàn)橹绷飨到y(tǒng)一旦發(fā)生接地后,可能會(huì)造成繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置或開關(guān)控制回路誤動(dòng)或拒動(dòng)，嚴(yán)重影響變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[9]。但在實(shí)際工程中，直流系統(tǒng)設(shè)備受潮后會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)絕緣下降或者直接接地的情況。為了預(yù)防這類情況，實(shí)際設(shè)計(jì)中需加強(qiáng)絕緣、提高直流系統(tǒng)對(duì)地電阻告警值并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，將接地隱患防范于未然。

3 結(jié) 語

本文以50 MWp集中式地面光伏電站為例，全方位的探討了直流電源系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)；詳細(xì)研究了蓄電池組的個(gè)數(shù)、容量計(jì)算；并對(duì)直流電源系統(tǒng)的布置、接地防護(hù)等進(jìn)行分析、提供了防范措施，具有很強(qiáng)的工程設(shè)計(jì)指導(dǎo)意義，為大中型地面集中式光伏電站升壓站直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了充實(shí)的理論基礎(chǔ)。