王思聰

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北電力試驗研究院，陜西 西安 710021)

1 概述

直流系統(tǒng)作為光伏電站的重要組成部分，為斷路器操作回路、繼電保護裝置、信號設備、事故照明、應急電源等提供直流電源。光伏電站直流系統(tǒng)由充電屏、饋線屏、事故照明單元、逆變屏及蓄電池組構成。為了保證直流系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運行，在光伏電站投運前，必須針對直流系統(tǒng)的特點對蓄電池組、直流充電裝置、直流空開等設備進行調(diào)試，具體內(nèi)容包括：蓄電池組充放電試驗、直流系統(tǒng)充電模塊特性試驗及直流系統(tǒng)級差配合試驗。對不滿足要求的直流系統(tǒng)設備或元件要及時進行更換。

2 蓄電池組充放電試驗

電廠和變電站經(jīng)常選用的蓄電池類型包括防酸隔爆鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、閥控式密封鉛酸蓄電池。其中，絕大多數(shù)光伏電站的蓄電池組會選擇閥控式密封鉛酸蓄電池，因為相比于其他類型的蓄電池，閥控式密封鉛酸蓄電池具備安全性能高、運行維護工作量少等優(yōu)勢，更加適合運行值班人員較少的光伏電站。

閥控式密封鉛酸蓄電池組通常采用浮充電方式運行，為了檢查蓄電池的實際容量是否滿足要求、內(nèi)部是否存在失水或干裂情況，對于新安裝的蓄電池組，需進行充放電試驗。具體的試驗方法為：將蓄電池充滿容量后，用10 h率放電電流I10對蓄電池組恒流放電，當蓄電池組中有1節(jié)蓄電池放到了終止電壓Uz或者放電10 h后所有蓄電池的電壓均高于Uz時，停止放電，放電容量應達到額定容量的100 %；靜置1～2 h后，再用I10電流對蓄電池組進行充電；反復進行3次充放電，如果蓄電池容量達不到額定容量的100 %，則此組蓄電池不合格，應安排更換。

閥控式密封鉛酸蓄電池的放電終止電壓值Uz應符合表1的規(guī)定。

表1 閥控式密封鉛酸蓄電池放電終止電壓 V

某光伏電站110 kV二次艙蓄電池屏安裝有1組蓄電池，共104節(jié)，蓄電池組容量為200 Ah，每節(jié)蓄電池的額定電壓為2 V。本次蓄電池組恒流放電電流I10為20 A，放電終止電壓為1.8 V。對蓄電池組進行充放電試驗，放電10 h后，所有蓄電池中第45節(jié)蓄電池端電壓最低，其充放電數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 第45節(jié)蓄電池充放電數(shù)據(jù)

由試驗結果可知，蓄電池組以10 h率放電電流20 A完成10 h放電后，放電容量達到了額定容量的100 %，蓄電池端電壓最低為1.872 V，未達到終止電壓，試驗結果滿足要求，該組蓄電池可以投入運行。

3 直流系統(tǒng)充電模塊特性試驗

光伏電站通常只配備1組直流充電裝置，其中包括若干個直流充電模塊。由于光伏電站采用的閥控式密封鉛酸蓄電池多為貧液式或膠體式結構，承受過充電能力較差，因此對直流系統(tǒng)充電模塊的技術指標有嚴格的要求。直流系統(tǒng)充電模塊特性試驗包括紋波系數(shù)、穩(wěn)壓精度及穩(wěn)流精度測試三部分。充電模塊紋波系數(shù)是指輸出中的交流電壓與直流電壓的比值，交流成分屬于高頻范疇，高頻幅值過高會影響設備的壽命，甚至造成邏輯錯誤或導致保護拒動；充電模塊穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度過低會造成直流輸出穩(wěn)定性差，影響微機保護的正常工作，造成蓄電池組的欠充電或過充電，降低蓄電池組的使用壽命。因此在投運前需要實際測量直流裝置輸出電壓的紋波系數(shù)、穩(wěn)壓精度及穩(wěn)流精度，以確保直流系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運行。

試驗接線如圖1所示，測試儀器為專用的直流電源綜合特性測試儀。試驗前做好充電模塊的隔離，并且需要核對充電模塊的過電壓和低電壓定值，確保三相調(diào)壓器的調(diào)壓范圍不超過電壓定值，如果超出定值范圍則需要對調(diào)壓范圍進行修改。

圖1 直流系統(tǒng)充電模塊特性試驗接線

穩(wěn)壓精度測試是在充電裝置穩(wěn)壓狀態(tài)下，直流輸出電壓設定為充電模塊浮充電壓，在交流輸入電壓分別為90 %～110 %額定標稱電壓時，調(diào)整負載電流值，測量其充電裝置的輸出電壓。找出上述變化范圍內(nèi)充電裝置輸出電壓的極限值UM，按公式(1)計算穩(wěn)壓精度δU。

式中：UZ為當交流輸入電壓為100 %額定值且負載電流為50 %額定電流時，輸出電壓的測量值；UM為充電裝置輸出電壓的極限值；δU為穩(wěn)壓精度值。

紋波系數(shù)測試是在充電裝置穩(wěn)壓狀態(tài)下，將直流輸出電壓設定為充電模塊浮充電壓，在交流輸入電壓分別為90 %～110 %額定標稱電壓時，調(diào)整負載電流值，分別測量充電裝置的輸出電壓UDC，輸出電壓的交流分量峰峰值UPP，按公式(2)計算紋波系數(shù)。

式中：XPP為紋波系數(shù)；UDC為充電裝置的輸出電壓；UPP為輸出電壓的交流分量峰峰值。

穩(wěn)流精度測試是在充電裝置恒流充電狀態(tài)下，將充電電流設定為模塊限流值，在交流輸入電壓分別為90 %～110 %額定標稱電壓時，調(diào)整充電模塊直流輸出電壓，測量充電電流，找出上述變化范圍內(nèi)充電電流的極限值IM，按公式(3)計算穩(wěn)流精度δI。

式中：IZ為當交流輸入電壓為100 %額定值且充電電壓在調(diào)整范圍內(nèi)的中間時，充電電流的測量值；IM為充電電流的極限值；δI為穩(wěn)流精度。

某光伏電站配備1組直流充電裝置，其交流輸入電壓為380 V，額定輸出電壓為220 V，浮充電壓值為232 V，輸出電流等級及限流給定值為20 A。充電裝置包括4個直流充電模塊，3號充電模塊試驗結果如表3所示。由試驗數(shù)據(jù)可知，3號直流充電模塊的穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度及紋波系數(shù)均滿足標準要求，可以投入運行。

表3 3號充電模塊試驗結果

4 直流系統(tǒng)級差配合試驗

在以往的光伏電站檢修過程中，檢修及試驗人員發(fā)現(xiàn)站內(nèi)存在大量交直流空開混用、上下級直流空開保護動作特性不匹配等問題，這些問題會經(jīng)常引發(fā)越級跳閘，擴大失電范圍。因此，在直流系統(tǒng)投運前，必須結合直流系統(tǒng)接線圖和空開配置、額定電流等資料，對站內(nèi)直流系統(tǒng)級差配合進行試驗，驗證直流系統(tǒng)級差配合是否滿足要求。

試驗需要選取不同廠家、不同型號、不同額定容量且具有上下級配合關系的直流空開、熔斷器分別進行試驗。試驗開始前要斷開與被試空開相關的刀閘或控制電源，與直流饋線段隔離。試驗原理如圖2所示。

圖2 直流系統(tǒng)級差配合試驗原理

如圖2所示，試驗回路由測試回路和直流開關安秒特性測試儀組成。測試回路由現(xiàn)場選取不同廠家、不同型號、不同額定電流的各級空開、熔斷器(ZK1，SK1)組成。解開待測直流空開SK1下口負荷，并將其下口正負極短接后與上級空開ZK1的下口進行串聯(lián)構成測試回路；解開ZK1上口回路，將直流開關安秒特性測試儀電流輸出接口的正、負極分別接入ZK1的上口正、負極。合上ZK1和SK1。在大功率直流發(fā)生器中設置輸出電流值，使其輸出大于上級空開ZK1的動作電流。正常情況下，試驗時下級空開SK1跳開，上級空開ZK1不動作；如果ZK1跳開，則說明其不滿足下級空開同時出現(xiàn)多點短路時的級差配合要求。

某光伏電站現(xiàn)場選取2個具有上下級配合關系的直流空開進行試驗，空開參數(shù)如表4所示。

表4 試驗空開參數(shù)

在上級空開的上端口通入50 A短路電流，重復進行3次試驗，每次間隔10 min，觀察其動作情況。試驗結果：下級空開跳開，上級空開未動作，滿足級差配合要求。

5 結論

對于新建的光伏電站，調(diào)試期間必須著重對直流系統(tǒng)進行試驗及檢查梳理，具體的步驟包括：

(1) 通過蓄電池組充放電試驗檢查蓄電池容量是否與銘牌一致，同時可以驗證蓄電池是否存在質(zhì)量缺陷。

(2) 開展直流系統(tǒng)充電模塊特性試驗，檢查直流裝置輸出電壓的紋波系數(shù)、穩(wěn)壓精度及穩(wěn)流精度是否滿足規(guī)程要求。

(3) 進行直流系統(tǒng)級差配合試驗，檢查直流回路中是否存在交直流空開混用、上下級直流空開保護動作特性不匹配的情況的情況，避免投運后引發(fā)直流空開越級跳閘，擴大失電范圍。