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用交流輸配電系統,但在超長遠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中一路電源故障時,短時間內把另一路電源提供給該雙回線路的負載。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,自動重合閘技術解決的是如何保持電網的穩(wěn)定性,分辨不出是永久性或瞬時性故障。電網發(fā)生閃絡時,多數情況持續(xù)時間在0.5 s之內,備自投還未反應,而用戶的負載裝置已經發(fā)生跳停。在很多二級負荷用戶中,備自投的這一切換時間不能滿足要求[5]。因交流配電系統無法做到毫秒級的切換,對大多數二級負荷用戶來說,在這個切換過程中即便是備自投能夠切換成功,負載裝置已經跳?；蛟O備已經停運,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,備自投的結果是把另一個線路也跳閘了,就擴大了停電的范圍。在電網發(fā)生閃絡時,這種配電系統根本沒有反應。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的影響。本文研究的是構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,以解決諸如輸電線路電壓閃絡等對連續(xù)供電的影響。

1 雙回線路直流供電方案

1.1 問題分析

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

電網閃絡有以下幾種原因:

(1) 自然因素。雷電、大風、大霧。隨著自然災害頻發(fā)和嚴重,近些年來,電網閃絡的頻度和強度也越來越大。

(2) 設備因素。并聯用戶,由于各種設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閃絡。由此會對鄰近變配電的用戶造成影響,甚至引起設備斷電。同一用戶的并聯設備性能、運行狀況不良等,也會造成緊鄰配電網絡的閃絡。

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

系統受內外因素影響較多,對于一個用戶來說,外來因素引起的電網閃絡用戶是無法避免的,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。這樣的變配電系統無法克服電網閃絡對負載的影響。

某化纖企業(yè)雙回線路供電電網閃絡統計如表1所示。根據表1,從這8年的統計結果來看,雖然共發(fā)生電網閃絡70次左右,幾乎沒有兩個供電雙回線路同時發(fā)生閃絡的現象,并且所有的閃絡都是進戶線以上的故障造成的,即70次左右的電網閃絡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運行,只能單獨向自己所帶的負載供電,一旦發(fā)生電網閃絡,如果超過負載設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備停運,繼而引起生產裝置的斷電。

表1 某化纖企業(yè)雙回線路供電電網閃絡統計

1.2 解決方案

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

1.2.1 動力UPS方案

為了克服電網閃絡對用戶的影響,很多用戶在低壓端采用動力UPS來解決電網閃絡對電氣設備連續(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試和運行經驗。低壓直流供電解決化工等企業(yè)連續(xù)性生產裝置對電網連續(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閃絡及設備斷電次數的記錄與統計的結果來看,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,發(fā)生電網閃絡37次,引起生產裝置斷電8次。2013年下半年至2018年增加動力UPS裝置后,共發(fā)生電網閃絡37余次,未再引發(fā)生產裝置斷電,并且生產運行平穩(wěn),動力UPS方案起到了抗電網閃絡的有效作用,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,在不少應用中發(fā)生了火災事故,因而直流供電方案提高了供電系統及其本身的可靠性。雙回線路直流供電系統就可以不必配置大容量的儲能設備,從根本上消除這一隱患。低壓直流供配電系統如圖2所示。

低壓直流供配電設備包括從低壓變壓器輸出端開始依輸入輸出關系等依次為: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、直流負載單元、儲能單元和中央數據處理單元。

根據表1統計的數據,在2011～2018的8年間,兩條供電回路累計共發(fā)生電網閃絡70余次,兩條供電線路同時發(fā)生閃絡0次。由于兩條交流10 kV供電線路經過10/0.4 kV變壓器,再經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%的負荷向直流母線供電,當其中一條線路異常時,另一條線路都可以100%的負荷向直流母線供電。即當使用圖2所示的直流供電系統后,直流母線將不會受外部電網閃絡的影響。

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荷,需進行均流[11-13]。

(1) 均流控制。既然是變壓器產生的偏差,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。根據規(guī)范[14-15]對供電電壓的要求,當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。

(2) 故障保護。直流母線上至少并聯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。通過給整流單元的輸出串聯一個隔離二極管,就可以實現單向電氣隔離。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導電性,直流母線將不會受故障的整流單元的影響。

以上的技術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載,采用快速熔斷器后串聯斷路器的保護,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。根據需要的負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。直流母線的負載回路中,個別變頻器驅動負荷因起動/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。現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。產生再生過電壓主要有以下原因:當具有大的運動慣性負載減速時變頻器減速時間設定過短;電機受外力影響(風機、牽伸機)或位能負載(電梯、起重機)下放。由于這些原因,使電機實際轉速高于變頻器的指令轉速,即電機轉子轉速超過了同步轉速,這時電機的轉差率為負,轉子繞組切割旋轉磁場的方向與電動機狀態(tài)時相反,其產生的電磁轉矩為阻礙旋轉方向的制動轉矩。所以電動機實際上處于發(fā)電狀態(tài),負載的動能被“再生”成為電能。再生能量經逆變部分續(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生的轉矩與原轉矩相反,為制動轉矩,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,使用變頻器的負荷運行總功率為3 000 kW,其他負荷運行總功率為50 kW。其中,在一個大修期內一直連續(xù)運行的變頻器驅動負荷為1 500 kW,其他負荷為50 kW,并且,最大的單機負荷為315 kW。正常生產中很少有多臺負荷同時起停,即便有多臺負荷起停,其總功率也遠小于總運行負荷。應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,要根據負載的性質確定所需要再生過電壓釋放回路。對于各個負載功率相差不太懸殊,同時起停的設備比例不多時,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,大范圍內幾乎所有大負荷都在停止運行甚至異常斷電時產生過電壓,可能燒壞整流設備。從安全性考慮,最好設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就是在電網出現閃絡或雙回線路中某一回路斷供電時不間斷地對本系統中所有用電負載起到連續(xù)供電,維持這些設備正常運行,從而保證連續(xù)生產的穩(wěn)定進行,避免經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/雙電源并聯供電的方式,能夠解決電網閃絡對連續(xù)供電的影響。這是交流供電系統無法直接解決的。

因為絕大多數的連續(xù)化工生產企業(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。使用變頻器后,可以將電壓穩(wěn)定在380 V左右。絕大多數的電動機標稱額定電壓為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。根據在多臺電動機上的實驗,應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)。

電壓適應范圍寬,對于交流300～420 V范圍內的電壓波動,直流供配電系統都能夠保證負載的正常運行。

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,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/雙電源并聯供電的方式,配電系統更便于超級電容、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。

直流配電系統較交流配電系統損耗低,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,設置了濾波器[17-18],克服電網諧波和負載諧波的影響。

現以變頻器進線電源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載運行,交流側總諧波畸變率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。

雖然兩個回路并聯運行,并且兩個供電回路存在著電壓差,所帶負載的功率也不大,但兩個回路并聯供電不會產生環(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,不是本試驗裝置產生的。

該裝置已經運行6個月,期間雙回線路中某一回路發(fā)生電網閃絡3次,另一回線路發(fā)生電網閃絡1次。由于這幾次電網閃絡都不是同時發(fā)生的,所以電動機的運行沒有受到電網閃絡的影響。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閃絡對用戶的影響的設計方案。該系統的平穩(wěn)運行也驗證了本設計原理和選型的可靠性及安全性。

3 結 語

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

由于低壓直流供電系統是首先對低壓交流進行三相整流,然后并聯運行,對于TN接地型式的交流變配電系統,不會在兩個回路產生環(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載的120%負荷能夠長期安全運行設計的,也不會對低壓變配電系統產生不利的影響和危險,但總是希望雙回線路的變配電系統能夠各自分擔50%的負荷運行。這樣,在雙回線路設備的運行狀況、維護保養(yǎng)周期、使用壽命上都盡可能一致。