50 MWp集中式地面光伏电站直流电源系统设计研究

2022-10-31邓卫梅

水电与新能源 2022年10期

邓卫梅

(国能龙源电力技术工程有限责任公司，北京 100039)

“十四五”规划要求加快推动绿色低碳发展、能源清洁低碳安全高效利用；2020年中央经济工作会议提出“3060碳达峰、碳中和”目标。与此同时，各个地方积极响应国家号召，出台了各类鼓励政策，为光伏项目的大力推广提供了重要保障[1]。为保证光伏电站的供电可靠性，提高电站精益运维水平[2]，确保事故停电等状态下各类重要设备均能可靠供电[3]，光伏变电站必须配置直流电源系统。

正常运行状态下，保护、控制、应急照明、自动化设备等均由站内的厂用电系统供电，但当厂用电系统断电后，需切换至直流系统以保证一定时间内设备的正常运行。以此为出发点，本文重点研究50 MWp集中式地面光伏电站的直流电源系统设计，并形成一套完整的设计思路和方案。

1 直流电源系统设计研究

直流电源系统的设计需在满足直流用电需求的同时保证其安全、可靠性，主要包括系统电压、接线方式、充电装置、畜电池容量[4]、系统布置及接地防护等模块，如图1所示为直流电源系统框架结构。

对于1座50 MWp的集中式地面光伏电站，已知：光伏场区箱变/集电线路电压等级为35 kV，无人值班光伏升压站的电压等级为110/35 kV，主变容量1×50 MVA，站用变容量315 kVA(电压37±2×2.5%/0.4 kV，接线组别Dyn11)，为此光伏升压站研究设计一套直流电源系统。

图1 直流电源系统框架结构图

1.1 直流电源系统总体设计

1)系统持续时间和运行方式。考虑到集中式中、大容量光伏电站一般地处偏远，多为“少人值班、无人值守”或者“无人值班”变电站，因此要求全站交流事故停电时间宜按2 h计算[5]。在此事故停电时间内，蓄电池容量需满足光伏电站内的继电保护、信号、自动装置等控制负荷和交流不间断电源装置、断路器合闸机构及直流事故照明等动力负荷供电，且蓄电池组应以全浮充电方式运行[6]。

2)系统标称电压。根据相关规程规定[5]：①专供控制负荷的直流系统电压宜采用110 V，也可采用220 V；②专供动力负荷的直流电源系统电压宜采用220 V；③控制负荷和动力负荷合并供电的直流电源系统电压可采用220 V或110 V。实际设计中，需要综合考量直流电源系统标称电压对蓄电池个数、充电装置容量、电缆截面大小及相关设备的影响，同时结合运行、维护和管理等各方面因素。鉴于110 V直流电源系统供电系统电缆压降较大、供电距离较短。因此，本文110 kV、50 MVA容量的光伏升压站宜选择标称电压220 V的直流系统来为全厂的动力、控制负荷供电。

3)系统蓄电池选型、个数研究。直流电源系统设计规范要求110 kV及以下变电站宜装设1组蓄电池，对于重要的110 kV变电站也可装设2组蓄电池。在满足规范要求的基础上考虑经济性，本文50 MWp集中式地面光伏升压站设置1组蓄电池。

常用蓄电池有铅酸蓄电池和镉镊碱性蓄电池两类，铅酸蓄电池又分固定型排气式和阀控式两类，各自优缺点如表1所示。

表1 铅酸蓄电池与镉镊碱性蓄电池优缺点比较

基于阀控式铅酸蓄电池的良好性能，本文所述的常规变电站选用1组阀控式铅酸蓄电池，单体电压2 V。其中，单体浮充电电压宜取2.23 V，从而得到蓄电池的个数为104只，放电终止电压1.87 V。具体要求和计算过程如下：

1)蓄电池应满足在浮充电运行时直流母线电压为1.05Un，则：

(1)

2)对于控制负荷和动力负荷合并供电的，单体蓄电池均衡充电电压不应大于下式：

(2)

3)单体蓄电池事故放电末期终止电压应满足下式：

(3)

1.2 直流电源系统蓄电池组详细设计

蓄电池组是直流电源系统的核心，蓄电池容量选择过大不仅电池成本大幅增加并且运营维护难度提高；而蓄电池容量选择较小则无法保证各类直流系统的可靠供电[7]，因此蓄电池容量必须基于变电站的实际需要并考虑一定裕量[4]。目前，蓄电池容量计算主要有简化计算法与阶梯计算法。前者以容量换算，后者用电流换算，二者使用的系数可以互换，本质相同。因阶梯计算法结果更加准确，此处选择阶梯计算法作为蓄电池容量选择的依据。

1.2.1 负荷统计

负荷统计是蓄电池容量计算的基础，对50 MWp的大型集中式地面光伏升压站的直流负荷进行分类、统计，计算各类负荷的计算电流、经常电流，并将事故放电时间分为初期0～1 min，持续时间1～60 min和末期60～120 min三个阶段，分别统计各阶段电流[8]并计及随机负荷，得到结果如表2所示。

表2 直流负荷统计表(按1台主变终期考虑)

1.2.2 蓄电池组容量计算

根据前述的负荷统计和各阶段电流，通过查现行直流电源系统规范[5]的附录C引入各阶段的容量换算系数Kk、Kc1、Kc2、Kc3，即可利用阶梯计算法得到各阶段的计算容量，具体过程如下：

第一阶段计算容量：

(4)

第二阶段计算容量：

(5)

第三阶段计算容量：

(6)

随机负荷计算容量：

(7)

经计算，第一阶段计算容量为130.02 Ah，第二阶段计算容量为256.73 Ah，第三阶段计算容量为212.68 Ah，随机负荷计算容量为4.33 Ah；经比较得知，第二阶段计算容量256.73 Ah为最大容量。将随机负荷计算容量叠加在最大的阶段，然后与第一阶段计算容量比较取其大者作为蓄电池组的最终计算容量，如式(8)所示：

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

(8)

故经过阶梯计算，最终得到蓄电池的计算容量为261.06 Ah。实际工程中，考虑一定的裕量，选用标称容量为300 Ah的阀控式铅酸蓄电池即可满足要求。

1.2.3 蓄电池组充电装置

蓄电池充电装置主要有高频开关电源模块和相控式充电装置。相比较而言，相控式充电装置需要整套备用，而高频开关电源模块仅需备用个别模块，且高频开关电源模块精度高、输出稳定、更加可靠智能。因此，目前蓄电池充电装置一般都选择高频开关电源。同时，当1组蓄电池配置一套充电装置时，采用简单的单母线接线形式即可满足要求。

2 直流电源系统布置及接地防护

2.1 直流电源系统布置

直流电源系统布置主要围绕蓄电池组展开，而蓄电池的布置是升压站总图布置中需要考虑的重要部分。根据相关规定[5]，阀控式密封铅酸蓄电池容量在300 Ah及以上时，应设专用蓄电池室，且专用蓄电池室宜布置在0 m层；同时，蓄电池室的布置位置应选在无高温、无潮湿、无震动、少灰尘、避免阳光直射，并宜靠近直流配电间。此外，对蓄电池室的玻璃及内部照明、开关等均有严格要求，实际设计需严格依据规程规范进行。同时，在进入蓄电池室前应注意通风；蓄电池室内禁止烟火及安装能发生电气火花的器具；当需在室内动火时应采取安全措施，加强室内通风。

2.2 直流电源系统接地防护

区别于交流电源系统，直流电源系统要求采用不接地方式。因为直流系统一旦发生接地后,可能会造成继电保护、自动装置或开关控制回路误动或拒动，严重影响变电站的安全稳定运行[9]。但在实际工程中，直流系统设备受潮后会导致系统绝缘下降或者直接接地的情况。为了预防这类情况，实际设计中需加强绝缘、提高直流系统对地电阻告警值并加强监测，将接地隐患防范于未然。