低压直流供配电技术

宋 江 颂

(江苏德力化纤有限公司,江苏 宿迁 223800)

0 引 言

目前电力输配广泛应用交流输配电系统,但在超长远距离和超大容量的电能输送中,直流输送更具有优越性[1-2],在用户双电源/双回线路供电中,低压直流供电更为可靠。

在二级负荷以上的用户中,要求双电源/双回线路供电。双回线路交流配电系统中一路电源故障时,短时间内把另一路电源提供给该双回线路的负载。这一切换时间(备自投)目前只能做到1～2 s,甚至更长的时间。文献[3-4]研究表明,对于回路本身的故障,自动重合闸技术解决的是如何保持电网的稳定性,分辨不出是永久性或瞬时性故障。电网发生闪络时,多数情况持续时间在0.5 s之内,备自投还未反应,而用户的负载装置已经发生跳停。在很多二级负荷用户中,备自投的这一切换时间不能满足要求[5]。因交流配电系统无法做到毫秒级的切换,对大多数二级负荷用户来说,在这个切换过程中即便是备自投能够切换成功,负载装置已经跳停或设备已经停运,造成的损失是巨大的。在车间低压配电装置进行备自投还存在一定的风险,如双回线路其中一个回路突然无电,可能是该回线路存在短路故障,备自投的结果是把另一个线路也跳闸了,就扩大了停电的范围。在电网发生闪络时,这种配电系统根本没有反应。目前对交流低压双回线路备自投的研究比较少,交流低压用户即便是双回线路供电,仍然受上级进线电压闪络的影响。本文研究的是构建一种双回线路交流中压输电,双回线路低压配电的车间级配电系统,以解决诸如输电线路电压闪络等对连续供电的影响。

1 双回线路直流供电方案

1.1 问题分析

电网电压闪络是指电网电压在短时间内较大幅度波动或瞬时跌落及失电,在1 s左右又迅速恢复的现象,俗称“晃电”。这种现象具有时间短、地点不确定、随机性强等特点。受线路或电气设备短路或大用电户突甩负荷造成的局域电网系统电压大幅度波动和电源瞬间消失,短时间内又自动恢复。只是“晃”一下即过,但是如果设备和系统抵御闪络的能力较差,将给生产带来不应有的损失,会直接导致生产线主要工艺设备停运。在连续化工生产中,只要有1台设备停运,就可能会引起联锁反应,使整个工厂停运。这一方面给企业连续稳定生产带来很大的影响,另一方面给这类企业造成的经济损失也是巨大的。

电网闪络有以下几种原因:

(1) 自然因素。雷电、大风、大雾。随着自然灾害频发和严重,近些年来,电网闪络的频度和强度也越来越大。

(2) 设备因素。并联用户,由于各种设备运行年代参差不齐、污闪引起的线路短路,相邻双回线路故障、设备故障、大型电机起动、输入电源异常等都有可能引起供电系统闪络。由此会对邻近变配电的用户造成影响,甚至引起设备断电。同一用户的并联设备性能、运行状况不良等,也会造成紧邻配电网络的闪络。

(3) 人为因素。对电力的不合理使用、调度,设备维护不到位,操作人员的误操作等造成的瞬时短路等问题,都会导致紧邻配电网的闪络。

系统受内外因素影响较多,对于一个用户来说,外来因素引起的电网闪络用户是无法避免的,这也是发生供电异常的主要因素[6-7]。交流双回线路配电单线图如图1所示。这样的变配电系统无法克服电网闪络对负载的影响。

某化纤企业双回线路供电电网闪络统计如表1所示。根据表1,从这8年的统计结果来看,虽然共发生电网闪络70次左右,几乎没有两个供电双回线路同时发生闪络的现象,并且所有的闪络都是进户线以上的故障造成的,即70次左右的电网闪络都是外部因素造成的。由于两个这样的供电双回线路不能长期并联运行,只能单独向自己所带的负载供电,一旦发生电网闪络,如果超过负载设备能够承受的电压下降范围和能够承受的时间,就不可避免地会造成设备停运,继而引起生产装置的断电。

表1 某化纤企业双回线路供电电网闪络统计

1.2 解决方案

由于很难发生两个线路同时发生闪络,所以两个供电回路能够并联运行,即使其中一个供电线路发生闪络,也不会影响负载设备的正常运行。双回线路直流供电,就很容易实现多回线路长期并联运行。

1.2.1 动力UPS方案

为了克服电网闪络对用户的影响,很多用户在低压端采用动力UPS来解决电网闪络对电气设备连续供电的影响[8]。

动力UPS的成功使用,为低压直流供电的运用提供了丰富的调试和运行经验。低压直流供电解决化工等企业连续性生产装置对电网连续平稳供电要求的问题。直流供电不受同步运行问题的制约,直流供电更容易多回线路并联长期运行,提高了供电的稳定性、可靠性和供电的连续性。

从该公司历年来电网闪络及设备断电次数的记录与统计的结果来看,2011年至2013年上半年,由于未增加动力UPS装置,在不到3年的时间内,发生电网闪络37次,引起生产装置断电8次。2013年下半年至2018年增加动力UPS装置后,共发生电网闪络37余次,未再引发生产装置断电,并且生产运行平稳,动力UPS方案起到了抗电网闪络的有效作用,可靠性较高。

1.2.2 低压直流供电方案

低压直流供电同动力UPS方案相比具有更大的优势,可省去储能单元的巨大投入,降低投资成本。储能单元的故障率同整流单元相比较高,还存在一定的安全隐患,在不少应用中发生了火灾事故,因而直流供电方案提高了供电系统及其本身的可靠性。双回线路直流供电系统就可以不必配置大容量的储能设备,从根本上消除这一隐患。低压直流供配电系统如图2所示。

低压直流供配电设备包括从低压变压器输出端开始依输入输出关系等依次为:均流单元、三相整流单元、止逆保护单元、电压/电流检测单元、直流滤波单元、双回线路分配单元、直流负载单元、储能单元和中央数据处理单元。

根据表1统计的数据,在2011～2018的8年间,两条供电回路累计共发生电网闪络70余次,两条供电线路同时发生闪络0次。由于两条交流10 kV供电线路经过10/0.4 kV变压器,再经过整流后同时向直流母线供电,每条供电线路正常情况下可以50%的负荷向直流母线供电,当其中一条线路异常时,另一条线路都可以100%的负荷向直流母线供电。即当使用图2所示的直流供电系统后,直流母线将不会受外部电网闪络的影响。

需要解决的问题:2台变压器的进线来自于不同的输电线路,存在电压差;2台变压器的变比、短路电阻虽然比较接近,但不可能绝对一致[9]。这些都可能导致2台变压器之间存在轻载环流和输出电流有较大的差异[10]。对应不同变压器的整流模块的输出电流也就不均,从而使整流模块处于不同的运行负荷,需进行均流[11-13]。

(1) 均流控制。既然是变压器产生的偏差,这个偏差同样可以使用变压器来补偿。将来自于2台供电变压器的同一相分别串入补偿变压器的两个线圈,均流控制原理图如图3所示。根据规范[14-15]对供电电压的要求,当两个线圈的电流相等时,各自分压各自供电变压器最大AC 20 V左右的输出电压。当其中一个线圈的电流大于另一个的电流时,将在另一个的线圈中产生同样大小的感生电流,从而使两边线圈流过的电流再次相同,达到2台供电变压器负荷电流均流的目的。

同一个变压器的2个整流模块的均流问题,也采用2台变压器均流相同的均流原理来实现。

(2) 故障保护。直流母线上至少并联4组整流单元。整流单元在长期的运行过程中,不可避免地会产生故障甚至短路。虽然这种情况可以有断路器等自动把短路的整流单元从直流母线等回路中切除,但仍有一定的动作时间,会造成直流母线瞬间的低电压,即直流母线闪络。通过给整流单元的输出串联一个隔离二极管,就可以实现单向电气隔离。在这种情况下,整流单元发生短路时,由于隔离二极管的单向导电性,直流母线将不会受故障的整流单元的影响。

以上的技术可以充分地保证直流供电的可靠性、安全性及供电的连续性。但也要进一步考虑用户负载故障可能对直流母线造成的影响。对于分配回路比较大的负载,采用快速熔断器后串联断路器的保护,即利用快速熔断器的快速切断电路(熔断)和断路器的可操作性(正常情况下必要的闭合、拉闸操作),从而避免直流母线免受个别回路诸如短路等故障的影响。

储能单元为用户提供安保电源。根据需要的负荷和需要安保电源的时间,确定储能单元容量的大小。

(3) 直流母线过电压的问题。直流母线的负载回路中,个别变频器驱动负荷因起动/停止造成的再生电压,可能会造成直流母线过电压。但这些电能有的会被其他的直流负荷吸收掉,在这种情况下,可以不考虑直流母线过电压的能量吸收问题。对于有较大运动惯性的设备在停止时的制动能量的吸收,则需要特殊考虑。

正常工作时,变频器直流部分电压为三相全波整流后的平均值。若以400 V线电压计算,则平均直流电压为540 V左右。在过电压发生时,直流母线上的储能电容将被充电,当电压上升至700 V左右时(因机型而异),变频器过电压保护动作。

造成过电压的原因主要有两种:电源过电压和再生过电压。电源过电压是指因电源电压过高而使直流母线电压超过额定值。现在大部分变频器的输入电压最高可达560 V,因此,电源引起的过电压极为少见。

本文主要讨论的问题是再生过电压。产生再生过电压主要有以下原因:当具有大的运动惯性负载减速时变频器减速时间设定过短;电机受外力影响(风机、牵伸机)或位能负载(电梯、起重机)下放。由于这些原因,使电机实际转速高于变频器的指令转速,即电机转子转速超过了同步转速,这时电机的转差率为负,转子绕组切割旋转磁场的方向与电动机状态时相反,其产生的电磁转矩为阻碍旋转方向的制动转矩。所以电动机实际上处于发电状态,负载的动能被“再生”成为电能。再生能量经逆变部分续流二极管对变频器直流储能电容器充电,使直流母线电压上升,就再生过电压。因再生过电压的过程中产生的转矩与原转矩相反,为制动转矩,因此再生过电压的过程也就是再生制动的过程,消除再生能量,也就提高了制动转矩。如果再生能量不大,因变频器与电机本身具有20%左右的再生制动能力,这部分电能将被变频器及电机消耗掉。若这部分能量超过变频器与电机的消耗能力,直流双回线路的电容将被过充电,变频器的过电压保护功能动作,使运行停止。

某熔体直接纺长丝装置,使用变频器的负荷运行总功率为3 000 kW,其他负荷运行总功率为50 kW。其中,在一个大修期内一直连续运行的变频器驱动负荷为1 500 kW,其他负荷为50 kW,并且,最大的单机负荷为315 kW。正常生产中很少有多台负荷同时起停,即便有多台负荷起停,其总功率也远小于总运行负荷。应用直流母线供电则不会发生直流母线过电压的问题。

因此,直流母线过电压的问题,要根据负载的性质确定所需要再生过电压释放回路。对于各个负载功率相差不太悬殊,同时起停的设备比例不多时,正常情况下是可以不考虑这个问题的,因为再生能量可以由其他负载吸收掉。但要考虑特殊情况下的过电压,如计划停工,大范围内几乎所有大负荷都在停止运行甚至异常断电时产生过电压,可能烧坏整流设备。从安全性考虑,最好设计过电压能量反馈回路。

1.2.3 低压直流供配电的优越性

双回线路直流低压供配电技术就是在电网出现闪络或双回线路中某一回路断供电时不间断地对本系统中所有用电负载起到连续供电,维持这些设备正常运行,从而保证连续生产的稳定进行,避免经济损失或不影响社会活动。交流多回线路或多路电源供电的方案并不能真正保证供电的连续性,并且投资成本同直流供电相比大得多。

直流低压供配电的优点是:采用直流双回线路/双电源并联供电的方式,能够解决电网闪络对连续供电的影响。这是交流供电系统无法直接解决的。

因为绝大多数的连续化工生产企业的低压配电供电电压为400 V,实际运行长期在395～415 V范围内。使用变频器后,可以将电压稳定在380 V左右。绝大多数的电动机标称额定电压为380 V,而实际运行电压为400 V左右。这时就会使电机多消耗一定的电能。在使用变频器输出380 V的电压后,实际对电动机负载做同样的有用功时,可以降低电动机的实际运行功率,从而节约了电能。根据在多台电动机上的实验,应用变频器相对于不使用变频器可以节约4%左右的电能(已去掉变频器的功率消耗)。

电压适应范围宽,对于交流300～420 V范围内的电压波动,直流供配电系统都能够保证负载的正常运行。

由于在达到同样降低谐波水平时,采用直流滤波比采用交流滤波更为简单和有效,大大降低了谐波治理的成本[16]。

交流供配电系统为了保证供电的连续性,目前只能加装动力UPS装置。相比于直流供电系统,成本较高(包括初期投资成本、运行成本),故障率较高,占用空间较大,有一定的安全隐患。

采用直流双回线路/双电源并联供电的方式,配电系统更便于超级电容、蓄电池等储能装置的接入,从而进一步提高其供电的可靠性及连续性。

直流配电系统较交流配电系统损耗低,传输效率高,节省线路走廊。一次性投资成本不会太大,大部分化工生产企业都能接受。

直流供电不受同步运行问题的制约,直流供电更容易添加供电冗余配置,提高了供电的稳定性与可靠性。

减少了小型AC/DC整流器和DC/AC逆变器等单元的使用,降低了发生硬件故障的几率。

2 试验验证

直流供电同交流供电谐波对比,设置了滤波器[17-18],克服电网谐波和负载谐波的影响。

现以变频器进线电源400 V进行实验,直流双回路供电试验原理如图4所示。

2台55 kW电动机一用一备,所带负载是水泵,在多次的备台起动运行后另一台停机试验,及脱开水泵进行空载试运的起停,直流母线电压平稳。图4中QF1、QF2合闸前和合闸后带负载运行,交流侧总谐波畸变率THD未测到有明显变化。单独一个回路供电时,测得进线电流为30.5 A左右。

两个回路同时供电时测得的进线电压、电流如图5所示。从图5可以看出,虽然两个回路存在着电压差(6 V左右),运行负载功率也不太大,回路1的运行电流为19.6 A,回路2的运行电流为10.6 A。这同单独一个回路供电时的运行电流基本相等。

虽然两个回路并联运行,并且两个供电回路存在着电压差,所带负载的功率也不大,但两个回路并联供电不会产生环流。

需要说明的是,图5中回路2的进线电压高次谐波含量本就比较大,不是本试验装置产生的。

该装置已经运行6个月,期间双回线路中某一回路发生电网闪络3次,另一回线路发生电网闪络1次。由于这几次电网闪络都不是同时发生的,所以电动机的运行没有受到电网闪络的影响。这就验证了本文提出的对双电源/双回线路供电进行直流供电可以克服电网闪络对用户的影响的设计方案。该系统的平稳运行也验证了本设计原理和选型的可靠性及安全性。

3 结 语

根据试运行结果,该技术方案安全有效,达到了预期的目的,符合电网运行对用户的要求。直流双回线路供电相比交流供电系统,更具有优越性。

由于低压直流供电系统是首先对低压交流进行三相整流,然后并联运行,对于TN接地型式的交流变配电系统,不会在两个回路产生环流。即使均流在特殊情况下失效,由于变压器、整流模块都是按全部负载的120%负荷能够长期安全运行设计的,也不会对低压变配电系统产生不利的影响和危险,但总是希望双回线路的变配电系统能够各自分担50%的负荷运行。这样,在双回线路设备的运行状况、维护保养周期、使用寿命上都尽可能一致。