直流充电（精选八篇）
直流充电 篇1
电厂及电厂、变电站内的继电保护、自动装置、信号装置、事故照明和电气设备的远距离操作, 一般采取直流电源, 所以直流电源的输出质量及可靠性直接关系到电厂及电厂、变电站的安全可靠运行。
早期的电厂及电厂、变电站直流系统受当时技术条件的限制, 直流设备为硅整流电容补偿直流电源, 电池为开口式防酸蓄电池。有些投运较早、运行时间较长的电厂及电厂、变电站直流设备老化严重, 给电厂及电厂、变电站的安全、可靠运行带来了严重的威胁。如某110k V变电站就曾因直流系统故障, 造成保护设备误动, 导致全站失电的恶性事故。有的电厂、变电站虽未发生大的事故, 总因直流系统经常发生问题, 缺陷较多, 有的缺陷无法处理, 致使直流系统长期处于“带病”运行状态, 导致许多不安全隐患。
随着电力系统的迅速发展, 为提高电网的供电质量, 使电网安全、经济运行, 并实现电力系统的自动化, 从而对电力控制系统的关键设备-控制电源的要求也越来越高。而原来的直流设备均采取传统的相控电源, 效率低、纹波系数大, 在电磁辐射、热辐射、噪声等方面都不尽人意。另外, 监控系统不完善, 采取1+1备份方式, 对二次电路越来越先进的仪器仪表、控制、自动化设备很难满足其技术要求。此外由于相控电源浮充电压易波动, 会出现蓄电池脉动充放电现象, 对阀控密封免维护铅酸蓄电池损害极大, 影响电池寿命。加之其它设备改造和新设备的投入, 原来的相控电源已远远不能满足电力直流系统的需要, 进行改造更换, 才能保证电气设备的安全运行和平稳供电。而智能高频开关电源由于其体积小, 重量轻, 技术指标优越, 模块化设计, N+1热备份方式, 便于“四遥”等优点, 已在电力系统得到广泛应用。
2 电力直流系统的维护现状
电厂及变电站运行人员或维护人员定期对直流设备进行一般性的清扫、日常检查等工作, 对充电设备只进行巡检, 对蓄电池组进行日常维护和核对性充放电试验。
3 充电模块特性测试的必要性
目前电力系统中运行的直流电源设备达到的技术指标, 都是由生产厂家在设备出厂试验时提供的数据。现场检修维护人员因不具备相应的测试手段, 难以确认设备的技术指标是否满足要求。而运行实践证明, 随着运行时间的推移, 特别是投运1~3年后, 设备的元器件老化及老化积累引起元器件特性的变化和元器件的损坏, 造成技术指标会发生偏移。有些电厂、电厂、变电站直流室没有装空调, 温度与湿度对充电模块的指标也有影响。电子元器件在不同的温度与湿度下表现为不同的特性, 在某些情况下也会造成了电源指标的漂移。
电厂、变电站的直流系统正常供电时大都运行于“浮充”方式下。纹波系数是指输出中的交流电压与直流电压的比值, 交流成分属于高频范畴, 高频幅值过高会影响设备的寿命, 甚至造成逻辑错误或导致保护拒动。因此要求直流装置输出电压纹波系数不大于1%的技术要求。充电模块稳压精度、稳流精度过高会造成直流输出稳定性差和功率不足, 影响微机保护装置的正常工作, 造成蓄电池组的欠充电或过充电, 降低蓄电池组的使用寿命。
充电模块输出功率的不足会造成输出电压下降, 若电压下降过大会导致比较电路基准值的变化, 充电电路时间变短等一系列问题, 从而影响到微机保护的逻辑配合, 甚至逻辑功能判断失误。尤其是在事故发生时, 有出口继电器、信号继电器、重动继电器等相继动作;所以要求直流电源输出有足够的容量和稳定性。如果现场发生事故时, 微机保护有时无法给出后台信号或是重合闸无法实现等现象时, 应考虑电源的输出功率是否因元件老化而下降, 充电模块稳压精度、稳流精度是否超标。充电模块指标下降, 稳压精度、稳流精度及纹波系数超标, 所造成的后果就是蓄电池提前失效或损坏, 直接威胁电网的安全运行。特别是对于广泛采用的阀控密封铅酸蓄电池, 虽具有不需加酸加水、维护量小的优点, 但对于充电设备的指标具有严格的要求, 如不满足要求则会发生电解液干涸、热失控等故障, 很快失效报废。另外, 目前电厂、变电站多采用综合自动化技术, 蓄电池采用柜式安装, 与自动化设备同装一室, 充电机性能出现问题会造成蓄电池发热、溢酸等问题, 严重者甚至发生爆炸。
DL/T 724-2000《电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程》第5.3条中, GB/T19826-2005《电力工程直流电源设备通用技术条件和安全要求》第5.2条和6.3条中, 《国家电网十八项重大反事故措施》第13.2.1.1, 对充电模块的稳压精度、稳流精度、纹波系数、充电机效率、蓄电池容量等技术指标及试验方法有明确的规定及技术要求。所以, 《国家电网十八项重大反事故措施》第13.2.1.2及网公司反措中明确要求:应定期对充电、浮充电模块进行全面检查, 校验其稳压、稳流精度和纹波系数, 不符合要求的, 应及时对其进行调整, 以满足要求。
4 测试原理与计算方法
无论是国家标准还是电力行业标准对于直流系统充电模块的各项性能指标都有严格的要求, 其中包括:稳流精度指标、稳压精度指标、纹波系数指标、直流电源输出误差指标、限压限流特性指标、效率和功率因素指标、高频开关电源均流不平衡度指标。
4.1 稳流精度、稳压精度及纹波系数测试原理
注:2R-可调电阻器, 1PV-直流电压表, 2PV-交流电压表, 1PA-电流表, 3PV-交流毫伏表, 1PR-示波器
4.1.1 稳流精度试验
充电模块在恒流充电状态下, 充电电流设定为表2规定的整定范围内的任一点, 交流输入电压在 (85%-115%) 额定值 (电压表2PV所示值) 内变化, 调整充电电压在表2规定的变化范围内变化, 分别测量充电电流 (电流表1PA所示值) , 找出上述变化范围内充电电流的极限值IM。
稳流精度定义为:
注:δI-稳流精度, IM-充电电流的极限值, Iz-交流输入电压为额定值且充电电压在调整范围内的中间值时, 充电电流整定值。
4.1.2 稳压精度试验
充电模块在稳压状态下, 直流输出电压设定为表2规定范围内的任一点, 交流输入电压在 (85%-115%) 额定值 (电压表2PV所示值) 内变化, 调整负载电流为0-100%额定值 (电流表1PA所示值) , 分别测量其充电模块的输出电压 (电压表1PV所示值) , 找出上述变化范围内充电模块输出电压的极限值Um。
稳压精度定义为:
注:δu-稳压精度, UM-输出电压的极限值, UZ-交流输入电压为额定值且负载电流为50%额定电流时, 输出电压整定值。
4.1.3 纹波系数试验
在测量纹波系数的过程中需用到示波器1PR, 示波器选用的频带宽为20MHz, 水平扫描速度调整为0.5S/DIV, 以保证在观察过程中所看到的峰值为一条直线。
测试方法:充电模块在稳压状态下, 直流输出电压设定为表2规定范围内的任一点, 交流输入电压在 (85%-115%) 额定值 (电压表2PV所示值) 内变化, 调整负载电流为0-100%额定值 (电流表1PA所示值) , 分别测量其充电模块的输出电压Udc (电压表1PV所示值) 、输出电压的交流分量峰-峰值Upp (示波器1PR所示值) 和交流分量有效值Urms (电压表3PV所示值) 。
纹波有效值系数定义为:
纹波峰值系数定义为:
注:Xrms-纹波有效值系数, Xpp-纹波峰值系数, Urms-输出电压交流分量有效值, Upp-输出电压交流分量峰-峰值, Udc-直流输出电压平均值
4.2 直流电流电压输出误差试验
4.2.1 充电电流整定误差试验
充电模块在恒流充电状态下, 充电电流设定在表2规定的整定范围内, 交流输入电压为额定值 (电压表2PV) 所示值, 调整充电电压在表2规定变化范围内的中间值, 分别测量充电电流值Iz (电流表1PA所示值) 。
电流整定误差为:
注:△I-电流整定误差, Iz-交流输入电压为额定值且充电电压在调整范围内的中间值时, 充电电流整定值, Izo-充电电流的设定值。
4.2.2 稳定电压整定误差试验
充电模块在稳压状态下, 直流输出电压设定在表1规定的整定范围内, 交流输入电压为额定值 (电压表2PV所示值) , 调整负载电流为50%额定值 (电流表1PA所示值) , 分别测量其充电模块的输出电压Uz (电压表1PV所示值) 。
电压整定误差为:
注:△u-电压整定误差, Uz-交流输入电压为额定值且负载电流为50%额定电流时, 输出电压整定值, Uzo-充电电压的设定值。
4.3 限压特性、限流特性试验
4.3.1 限压特性试验
充电模块恒流充电状态下运行, 调整负载电阻, 使直流输出电压增加, 当输出电压超过限压整定值时, 应能自动限制输出直流电压的增加。
4.3.2 限流特性试验
充电模块在稳压状态下运行, 调整负载电阻, 使输出电流逐渐上升而超过限流整定值, 充电模块将自动限制直流输出电流。当输出电流减小到限制电流以下时, 能自动恢复工作。
4.4 效率和功率因数测试原理
按图2接线, 交流输入电压为额定电压, 在稳压充电状态, 直流输出为额定电流 (电阻性负载) 、直流输出电压为电压调节范围上限值, 测量交流输入有功功率P (功率表所示值) 、直流输出的电流值In (电流表2PA所示值) 和电压值Um (电压表2PV) 所示值。
1PV-交流电压表;2PV-直流电压表;1PA-交流电流表;2PA-直流电流;R-可调电阻器.
充电模块的效率定义为:
注:η-充电模块的功率, In-充电模块的功率, Um-直流输出的电压值, P-交流输入有功功率
充电模块的功率因数定义为:
4.5 高频开关电源模块均流不平衡度试验
充电模块在浮充电状态下, 调整高频开关电源模块总输出电流为50%In, 测量各模块输出电流值, 则均流不平衡度为:
均流不平衡= (模块输出电流极限值-模块输出电流平均值) /模块额定电流值×100%
调整高频开关电源的模块总电流值为100%In时, 重复上述实验。断开任意一个模块电源后重复上述试验。
5 结语
鉴于各电厂、变电站直流系统的运行、维护现状, 严格按照相关标准及反措要求积极开展直流系统充电模块特性测试, 对不满足要求的模块进行调整, 必要时进行更换, 是保证直流系统及电厂、电网安全稳定运行的有效手段。
参考文献
[1]GB/T19826-2005《电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求》
直流充电 篇2
随着电动汽车和混合动力汽车的发展，部分电动汽车直流转换器和电池充电器已经安装在整车上了，且极大部分是在前舱。由于整车前舱的环境恶劣，以及体积和重量的限制，采用风冷不能解决散热问题，催生了液体冷却技术的应用。电动汽车直流转换器和电池充电器的液体冷却回路如图 1所示。
由图 1可见，电动汽车上的设备使用液体冷却，不需要额外的水箱、泵和冷却器，产品的成本和体积更小，散热性能更好，产品更有竞争力。
一、SolidWorks Flow Simulation 3D模型及仿真结果
电动汽车直流转换器和电池充电器的功率不是特别大，采用液体冷却时，U型流道就可以有效的解决产品的散热问题。我们使用 SolidWorks对结构进行了 3D建模，并在此基础上使用 SolidWorks Flow simulation对 U型流道压力损失进行了仿真分析。
U型流道水压损失几大因素从图 2可知：U型流道的折弯半径（ R）；U型流道的间距（ W）；U型流道的长度（ L）；U型流道的直径（ Φ）和 U型流的流速。因此，U型流道的优化主要从这些因素入手，利用仿真软件可以方便、快捷、准确的实现 U型流道的优化设计。
1.U型流道的折弯半径（ R）对流道压力损失的仿真结果
经过一系列的仿真运算，其结果如表 1所示。
仿真结果表明：同样的条件下，流道中的直角压力损失比圆角压力损失要大。当流道中的拐角处越多，直角的压力损失越大。在条件允许的情况下，圆角尽可能地大，液体的压力损失会减少。
2. U型流道的间距（ W）对流道压力损失的影响
经过一系列的仿真运算，U型流道的间距（ W）对流道压力损失的仿真结果如表 2所示。
仿真结果表明：同样的条件下，流道的宽度对 U型流道液压损失的影响可以忽略不记。
3. U型流道的长度（ L）对流道压力损失的影响
经过一系列的仿真运算，U型流道的长度（ L）对流道压力损失的仿真结果如表 3所示。
仿真结果表明：同样的条件下，流道的长度越长，液体的压力损失越大。
4. U型流道的直径（ Φ）对流道压力损失的影响
经过一系列的仿真运算，U型流道的直径（ Φ）对流道压力损失的仿真结果如表 4所示。
仿真结果表明：同样的条件下，流道的直径越大，液体的压力损失越少。
二、结语
以上 CFD仿真分析结果表明：同样的条件下，流道中的直角压力损失比圆角压力损失要大 ；同样的条件下，流道的长度越长，液体的压力损失越大 ；同样的条件下，流道的直径越小，水的压力损失越大。
根据伯努利方程，对于水平流道上的任意一点 ：
P+ 21 ρv2=常量
电动汽车双直流充电装置系统 篇3
充电装置可以为电动汽车提供有效的能源补给, 其快速发展对电动汽车的发展起到促进作用, 是推动电动汽车快速发展的重要因素。电动汽车充电时电池管理系统的低压供电主要三种, 一为原车蓄电池供电, 二为车载充电机供电, 三为充电桩辅助供电。原车蓄电池供电需要消耗原车电能, 车载充电机低压供电, 用在交流充电上, 充电功率较小, 一般不足10Kw, 充电时间较长。为缩短充电时间, 电动汽车常常设计可采用功率可达上百千瓦的直流充电桩进行充电, 这种充电桩根据国标GB/T20234规定要求, 低压辅助供电有两种模式:24V和12V供电模式, 对于某个充电桩低压供电模式常常采用其中一种, 而电动汽车的低压电气系统电压也只有一种, 12V系统或者24V系统, 所以目前电动汽车低压电气系统和充电桩电压常常出现不匹配现象, 导致无法充电, 电动汽车需要一种充电装置来同时兼容不同充电桩的24V和12V辅助供电。本文通过直流斩波器及驱动电路对充电桩的电压进行升或降, 以达到实现电动汽车对充电桩低压供电模式的完全兼容的目的。
1系统组成
参考现有公共场所提供的电动车充电桩装置, 本文所设计的12V/24V电动汽车双直流兼容充电装置主要包括:充电桩 (1) 、继电器 (2) 、匹配电阻 (3) 、直流斩波器 (4) 、电池管理模块 (5) 、动力电池包 (6) 和二极管 (7, 8) 等。
2系统工作原理
2.1 12V电动汽车电气系统兼容充电桩工作原理
如图1所示, 对于12V电动汽车电气系统:当充电桩供电12V时, 12V电压经过继电器经电阻分压后小于12V, 无法使24V继电器触点吸合, 继电器保持常态 (图1状态) , 充电桩直接给电池管理模块提供电源, 电池管理模块开始工作, 与充电桩进行通信, 完成充电;当充电桩供电24V时, 在继电器触点动作之前, 电池管理模块供电电压为24V, 无法工作, 不能与充电桩进行通信、充电。24V电压通过继电器经电阻分压后小于24V, 但是可以使24V继电器触点吸合, 使常闭触点断开、常开触点闭合, 直流斩波器将24V电压降为12V之后再给电池管理模块提供电源, 电池管理模块开始工作, 与充电桩进行通信、完成充电。二级管可以有效的防止充电桩的24V电源并入12V电动汽车的12V电气系统, 以避免造成破坏。
2.2 24V电动汽车电气系统兼容充电桩工作原理
如图2所示, 对于24V电动汽车电气系统:当充电桩供电12V时, 12V电压通过继电器经电阻分压后小于12V, 无法使24V继电器触点吸合, 保持图2状态, 充电桩的12V电压, 经过直流斩波器将12V升压为24V后, 给电池管理模块提供电源, 电池管理模块开始工作, 与充电桩进行通信、充电。二级管可以有效的防止电动汽车的24V电源并入充电桩的12V电源系统。当充电桩供电24V时, 继电器经电阻分压后仍能使触点动作, 使常闭触点断开、常开触点闭合, 充电桩的24V电源经过继电器2、二级管7, 给电池管理模块提供电源, 电池管理模块开始工作, 与充电桩进行通信、充电。
匹配电阻的大小可以根据继电器的参数进行匹配, 还可以现加电阻或不加电阻。
3系统的具体实施
此充电装置的继电器参数根据电动汽车电气系统的电压确定;继电器可以布置在动力电池包内部或外部;匹配电阻根据继电器参数确定电阻大小及是否需要;匹配电阻可以布置在动力电池包内部或外部;直流斩波器参数 (升压或降压等) 根据电动汽车的电气系统电压确定;直流斩波器可以布置在动力电池包内部或外部;二极管参数根据电动汽车的电气系统电压确定;二极管可以布置在动力电池包内部或外部;电池管理模块可以布置在动力电池包内部或外部;继电器可以布置在直流斩波器内部或外部;匹配电阻可以布置在直流斩波器内部或外部;二极管可以布置直流斩波器内部或外部;直流斩波器升压或降压功能根据车辆电气系统的电源电压确定。
4结语
本文主要设计研究一种电动汽车的直流充电装置。该充电装置涉及的继电器、匹配电阻、直流斩波器、二极管和电池管理模块可单独一个、几个或者全部布置在电池包内部, 也可以全部布置在电池包外部。电动汽车通过继电器、匹配电阻、直流斩波器及设计电路来实现对12V充电模式和24V充电模式的兼容, 可以在公共场所的国标充电桩下进行充电。
摘要：电动汽车双直流充电装置可以同时在12V充电桩和24V充电桩上进行充电, 实现对12V充电模式和24V充电模式兼容, 满足电动汽车对国内标准充电桩的选择。
关键词：电动汽车,充电桩,兼容
参考文献
[1]胡超, 张华, 罗伟明, 包海龙.电动汽车直流充电系统研究[J].华东电力, 2009 (10) .
大功率直流充电桩多路输出模式研究 篇4
直流充电桩主要由人机交互单元、功率单元、控制单元及充电接口组成。人机交互单元由触摸屏和电源开关组成, 用于设置充电方式和充电参数。功率单元是指交直流变换模块。控制单元由主控板、控制保护单元、通信单元组成, 完成充电过程的启动、运行、实时监控以及关闭。充电接口由充电插座和充电插头 (充电枪) 组成。直流充电桩输入电压是三相四线AC380V, 频率为50Hz, 输出是可调的直流电, 直接为电动汽车的动力电池充电。因直流充电桩供电采用三相四线制, 能提供足够大的功率且输出的电压及电流调整范围大, 可以实现快充的要求。
直流充电桩的功率模块有两种实现方式, 一种是采用大功率交直流转换电路进行交直流变换, 另一种是采用多组功率较小的充电模块进行并联输出。前者集成度高, 维护成本高, 不易扩展, 不适合大规模生产;后者由单个模块并联组成, 便于扩展, 适合大规模生产。以目前我司生产的单台充电模块15k W为例, 如果用户需要60k W直流充电桩, 采用4台充电模块进行并联即可实现, 该模块互换性强, 维护成本较低。
2 直流充电桩多路输出设计
2.1 多路轮流输出充电模式
多路轮流输出充电模式是指在充电桩为电动汽车充电时, 按照一定的顺序逐辆电动汽车充电, 不存在两辆及以上同时充电的情况。该模式系统配置简单, 以我司设计的120k W充电桩为例进行介绍。
充电桩在4枪轮流输出模式时, 直流回路接触器KM1和接触器KM2处于导通状态, 单枪可以实现120k W满功率输出。
(1) 在控制器内为A1枪、A2枪、B1枪、B2枪, 设计四路独立的模拟量监测通道, 以供枪状态检测需要。 (2) 4路直流回路独立输出, 每条回路从直流母线正负两端通过2个直流接触器输出, 在直流接触器下端配置直流熔断器, 隔离直流回路外部短路故障。 (3) 在充电枪与电动汽车连接后, 充电桩自动进行充电。
2.2 多路同时输出充电模式
多路同时输出充电模式是指充电桩可以实现对两辆及以上电动汽车同时充电。此类充电桩在设计时, 接触器配置较多, 需要将充电桩内部功率模块进行划分, 划分后可以实现多路同时输出, 但在同时输出时各回路不能实现满功率输出。
我司自主设计了双路同时输出的120k W直流充电桩, 可以实现双枪最大60k W同时输出, 单枪可以实现120k W满功率输出。
充电桩在双枪同时输出模式时, 直流回路接触器KM1和接触器KM2处于断开状态, 将功率模块部分划分为两个60k W功率单元。每个60k W单元分别对应两路直流输出, 系统默认A1枪和A2枪为一个单元, B1枪和B2枪为一个单元。两个单元中各取一路可以实现同时输出, 例如A1枪和B1枪可以同时输出, A1枪和B2枪也可以同时输出。若需要4枪同时输出, 则可将功率模块划分为4个单元, 每个单元最大输出功率30k W, 也可以不均等分配。划分越多系统配置与复杂, 会降低系统的可靠性和安全性。
3 输出切换安全和可靠性研究
3.1 输出切换的安全隐患
在直流输出回路切换时, 如果直流回路存在较大的电流 (大于2A) 或者接触器两端存在较大的压差 (大于20V) , 会造成接触器触点拉弧, 长时间带载运行会损坏接触器触点, 造成触点粘连或接触器爆炸等安全隐患。
3.2 采用无载切换防止接触器损坏
无载切换技术是指通过对直流回路电压电流检测, 在控制逻辑中做到输出回路无功率时进行切换。在无功率的情况下控制直流接触器的吸合和断开, 可保证直流回路无电流冲击, 减少冲击电流对接触器触点和直流回路无损害, 保证了系统安全和接触器的使用寿命。此外, 在电气元件配置时, 直流回路正负极分别配置直流接触器, 防止只有一极配置接触器发生短路的情况。
3.3 接触器故障带来的安全隐患
在多路同时输出工作模式时, 直流输出回路配置的接触器较多, 如果某个接触器出现故障, 不能够正常断开或吸合, 会导致充电回路短路或者过压, 将造成不可估量的损失。
3.4 采用通断反馈技术防止接触器故障安全隐患
通断反馈技术是指控制单元通过检测直流接触器的辅助触点状态, 间接测量直流接触器主触点的通断状态。监控单元对条支路接触器的辅助触点进行检测, 可以有效排除接触器触点不动作和触点粘连的故障, 在确定接触器通断状态后进行回路控制, 能够保证控制系统的可靠性。
4 结束语
直流充电 篇5
CAN全称为Controller Area Network,即控制器局域网。CAN总线最早应用在汽车行业环境中的微控制器通信,在车载各电子控制装置之间交换信息,形成汽车电子控制网络,目前已经形成了相关的行业国际标准。随着CAN总线的不断发展,CAN总线以其独特的设计思想,优良的性能和极高的可靠性越来越受到工业界的青睐[1]。基于CAN总线的工业应用系统也大量涌现,各行业对CAN总线应用层进行开发,制定出适合本行业的应用层通信协议,运行效果得到了肯定。目前CAN总线在电力、石化、冶金、自动化仪表以及工业化现场得到了越来越多的应用[2,3,4]。利用CAN报文在通信传输过程中的报文滤波技术,不需要专门的调度,即可实现点对点、一点对多点以及全局广播等多种通信方式,减少了系统软件运行的实时负担。直流充电站系统中存在两条CAN网络,CAN1网络用于各直流充电桩的监控装置与后台系统之间的通信。CAN2网络用于直流充电桩和车载BMS(电池管理系统)以及监控装置之间的通信。本文结合直流充电站系统中的两条CAN网络的实际应用,对CAN总线应用层进行开发,制定符合实际应用的通信协议。
1 CAN总线介绍
1.1 CAN总线的特点
CAN总线以多主机方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活,且无需站地址等节点信息。利用这一特点可方便地构成多级备份系统。CAN网络上的节点信息分成不同的优先等级,可满足不同的实时要求,高优先级的数据最快可在134μs内传输完毕[1]。CAN总线采用非破坏性总线仲裁技术,当CAN网络上各节点同时向总线上发送信息时,优先级较低的节点会主动退出发送,而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。
1.2 CAN的分层结构
CAN遵从ISO/OSI标准模型,按照该标准模型,CAN结构可以划分为:物理层、数据链路层和应用层。在广泛应用的CAN2.0B标准中,数据链路层的逻辑链路控制子层LLC和媒体访问控制子层MAC的服务及功能被描述为“对象层”和“传送层”。MAC子层的功能,主要是传送规则,即控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。LLC子层的功能包括:验收滤波、超载通知、恢复管理[5]。
1.3 CAN的报文帧结构
CAN报文的传送由4个不同的帧类型表示和控制:数据帧、远程帧、错误帧以及超载帧。CAN数据帧是由7个不同的位场组成,即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。其中仲裁场的长度可以为CAN2.0B标准中存在的两种不同的帧格式,其主要区别在于标识符的长度。具有11位标识符的帧称为标准帧,具有29位标识符的帧称为扩展帧。在充电站系统中CAN总线报文采用扩展帧,其格式如图1所示[5]。其中SOF为帧起始位,SRR为代替远程请求位,IDE为扩展位标识符,RTR为远程发送请求位,DLC为数据长度控制位。
2 直流充电站系统的设计
2.1 直流充电站系统框架
在直流充电站系统中,每一套独立的直流充电系统主要由直流充电桩、监控装置、智能电表和直流充电模块组成。直流充电模块采用多模块并联使用原则,这样可以很好解决大功率模块的散热问题。系统中各直流充电模块和智能电表通过RS485总线与监控装置通信。每一套独立的直流充电系统中的CAN2网络均由监控装置、直流充电桩以及BMS电池管理系统组成。而整个直流充电站系统所有的数据通过另外一条CAN1网络与后台管理系统进行交互。该网络由各个独立的直流充电系统通过各自监控装置的CAN接口与后台管理系统组成。通过后台管理系统能够方便、系统地采集充电过程中的各种数据,同时还能够通过后台管理系统实时地控制充电过程中的各装置。在实际的直流充电站建设中,直流充电模块、监控装置、后台系统分布在室内,直流充电桩分布在室外。直流充电站系统框图如图2所示。
2.2 直流充电模块设计
直流充电模块的原理框图如图3所示。
直流充电模块是一种新型的智能充电模块。充电模块采用全桥移相软开关技术,其工作原理是:四个主功率开关管的驱动脉冲为占空比不变(D=50%)的固定频率脉冲。其中一个桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位固定不变,另一个桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位是可调的。通过调节该桥臂功率开关管的驱动脉冲的相位,即调节对角桥臂功率开关管在该周期内同时导通时间,来调节直流输出电压。在对角桥臂功率开关管在该周期内同时导通时,全桥逆变部分对后一级输出功率。在全桥逆变电路内部存在环流,该环流创造了功率开关管的零电压、零电流开关条件,实现了整个模块的软开关。从而极大地减少了功率开关管的电压、电流应力以及损耗。极大地减少了功率开关管在开关状态下产生的EMI噪声,进而提高了整机的可靠性、使用寿命和效率。
2.3 直流充电站充电流程
整个充电过程包括四个阶段:充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段和充电结束阶段。在各个阶段,充电机和BMS如果在规定的时间内没有收到对方报文或没有收到正确的报文,即判定为超时。当出现超时后,BMS或充电机发送错误报文,并进入错误处理阶段。各个阶段的每个报文完全按照上述制定的标识符分配表进行定义。充电总体框图如图4所示[6]。
直流充电站系统充电可以由后台管理系统发起也可由充电机发起,针对后台系统发起充电的情况,后台系统发送标识符为0x180370A0的报文给监控装置发起充电,监控装置将相关信息通过标识符为0x18033070的报文给直流充电桩,直流充电桩通过标识符为0x18037030的报文回复充电机监控装置。同样,充电机监控装置发送标识符为0x1803A070的报文回复后台系统。
这里由后台系统发起充电的整个流程框图如图5所示。
3 直流充电站充电系统CAN总线通信协议的制定
系统中各设备使用CAN扩展帧报文,标识符为29位。结合直流充电站系统报文特点,参考相应的标准,对29位标识符进行了如下的分配与定义[6],分配的各位具体的含义与作用在表中都已给出详细的说明,见表1。本系统中所有报文ID都完全按照此表进行定义。
4 直流充电站系统CAN总线通信协议的实现与验收滤波
4.1 通信协议的实现
在定义的直流充电站系统CAN总线通信协议的基础上,进行应用程序的开发。在本系统中,将通信协议功能设计成接口函数,可以很方便地直接调用。
在监控装置中,使用CSM100串口转CAN数据功能芯片。该芯片是基于内置混合电路,集成有一路UART通道,一路CAN通道,很灵活地嵌入到了监控装置电路中。该芯片还有一个配置软件,通过该配置软件对相关通信参数进行配置,即可满足通信要求,无需再通过复杂的程序对CAN控制器芯片进行编程。CSM100芯片配置流程图如图6所示。
监控装置发送数据与接收数据程序流程图如图7所示。
在后台管理系统PC机上,安装PCI-CAN接口卡,使后台PC机能够接收CAN数据,同样,通过配置软件对通信参数进行配置,可以灵活地实现了与各监控装置组网通信。后台系统程序流程图如图8所示。
4.2 报文滤波
在整个充电过程中,各个装置都将把要发送的报文发送到CAN总线上,同时也需要从CAN总线上接收自己需要的报文。CAN总线传输报文的默认模式为广播通信。因此总线上节点将会对总线上所有的报文都进行接收,这样,往往会增加总线上各个节点的软件负担。这时可以利用CAN总线的最有特色的报文滤波功能,通过报文滤波[7],在系统中可以很方便地实现点对点和广播通信,从而满足系统的需要。
在系统中,报文的滤波是通过监控装置中CAN控制器的3个32位寄存器实现的,分别为验收屏蔽寄存器(AMR)、验收代码寄存器0(ACR0)、验收代码寄存器1(ACR1)。验收代码寄存器及屏蔽寄存器用来确定报文集成缓冲器中的报文是否应该被载入到接收缓冲器,一旦接收到有效报文,报文中的标识符(帧ID)字段将与验收寄存器中的值进行比较。如果两者匹配,该报文将会被载入相应的接收缓冲器。屏蔽寄存器用来确定验收寄存器对标识符中的哪些位进行校验。
该CAN控制器中三个寄存器的逻辑真值表如表2所示。
按照上表,对其中的对时报文进行滤波说明。在制定的通信协议中,0x A0～0x BF为后台系统的地址范围,0x70～0x7F为监控装置的地址范围,0x30～0x4F为直流充电桩的地址范围。并且,在本系统点对点通信中,只对报文标识符中表示目的地址的8位进行滤波。在本直流充电站系统中,每当后台系统重新启动,或者每隔30 min,或者后台系统对下恢复通信时,后台系统都会向监控系统发送对时报文,用于统一后台与监控装置以及充电桩之间的绝对时间。
在此过程中,监控装置在收到后台系统的对时报文后,在修改本地时间的同时将该条报文转发给直流充电桩。比如,地址为0x A0的后台系统将对时报文0x18 0x02 0x70 0xA0 0x0C 0x08 0x080x08 0x08 0x08发送到总线上,由表2可知,AMR相当于是否滤波的开关,置1就是需要将对应的ID位进行验收滤波。由于本系统只需对标识符中表示目的地址的8位进行滤波,故将该监控装置中的屏蔽寄存器(AMR)设置为0x0000FF00,验收代码寄存器(ACR1)为0x00007000,这样只有地址为0x70的监控装置能够接收到该对时报文,也即实现了点对点的通信。
同理,在直流充电站系统中,后台往往需要对所有的监控装置进行广播通信。这时就用到了该CAN控制器的双滤波的功能,只需将所有监控装置的验收代码寄存器(ACR0)设置为0x00000000,同时广播通信的报文中的标识符表示目的地址的8位全设为0,这样便实现了广播通信。
5 结语
按照本文中制定通信协议的规则,在直流充电站系统中,各装置之间需要交互的各种信息报文通过CAN总线都能够快速准确的进行传送。同时,利用CAN最有特色的报文滤波功能有效地减少了系统软件运行时的负担,这样也确保了系统的实时性、可靠性。
对本系统实时性能进行试验,当系统的屏蔽电缆长度为35 m的时候,数据延迟为6 ns/m,完全符合标准。目前该系统已正式投入使用,运行结果表明,系统能够达到预期要求且具有易于维护,具有很好的可扩展性。
参考文献
[1]杜尚丰,曹晓钟,徐津.CAN总线测控技术及其应用[M].北京:电子工业出版社,2006.
[2]戴星华,郭金葆.CAN总线在变电站自动化系统中的应用[J].有色冶金设计与研究,2006,27(6):25-35.
[3]李汝智.国产石油测井平台系统的技术发展趋势分析[J].硅谷,2012,9(9):7-8.
[4]施雅婷.基于CAN总线的多电机分布式控制系统研究[D].南京:南京邮电大学,2011.
[5]饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[6]GB/T27930-2011电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议[S].
直流充电 篇6
直流系统的可靠性是保障变电站安全运行的决定性条件之一［1 － 2］。目前变电站直流系统主要采用高频开关直流电源系统, 其核心组成是充电电源和蓄电池组。充电电源由充电电源模块、 交流配电、直流馈电、配电监控、监控模块、绝缘检测仪、电池监测仪等组成。蓄电池组则是利用蓄电池单体串联形成大容量的储能设备。蓄电池是直流系统的心脏,对蓄电池进行科学的维护是直流系统的核心工作。本文针对某无人值守智能变电站的直流系统设计了一种高可靠性和高性能的充电电源模块,该模块具有功率变换效率高,供电质量高等优点。同时,为了提高电源可靠性,从蓄电池充电策略和故障保护等方面进行了优化。
1充电电源模块设计
充电电源模块是把交流电变换成直流电的功率单元,模块输出电压为110 V或220 V,电流大小为2 A、5 A、10 A和20 A等。 模块自身有较为完善的各种保护功能,经常是多台并联使用,实现了N + 1冗余［3］。
电源模块技术指标为: 380 V ± 10% 交流输入,220 V、10 A直流输出,1% 的稳压精度和稳流精度,以及2% 的纹波系数。该电源模块的系统框图如图1所示,监控系统控制每个模块的运行状况,管理蓄电池的充放电,并且通过RS485协议与上级监控系统通信,实现变电站直流系统的自动化控制。
1. 1主电路拓扑及工作原理
本方案的主电路拓扑结构如图2所示,该拓扑由前端三相不控整流和后端DC/DC变换器两部分构成。其中,DC/DC变换器拓扑采用的是在中小功率场合得到广泛应用的LLC谐振变换器［4 － 5］。其中DC/DC变换器部分的主要工作波形如图3所示。
该拓扑的基本工作原理为: t1- t2: Q1管导通,变压器两端电压被输出电压嵌位,励磁电流im线性上升。谐振腔内发生LC二元件谐振。
t2-t3:ir和im相同,二极管电流过零,实现零电流关断。此时变压器不再向副边传送能量,谐振腔内Lr,Cr和Lm发生三元件谐振,由于励磁电感值Lm远大于谐振电感值Lr,因此这段时间内ir和im变化平缓。
t3- t4: 这段时间内,需要完成MOSFET寄生结电容的充放电,并且MOSFET寄生二极管反向导通,从而实现零电压开通。
t4- t6这段时间,Q2管导通,分析方法与t1- t4一样。
1. 2关键参数设计
LLC谐振变换器中重要的变量定义［6］:
品质因数Q定义为:
式中Ro为输出负载; n为变压器原边与副边的匝数比。 二元件谐振频率fr定义为:
LLC谐振变换器的设计主要是励磁电感Lm和品质因数Q的设计。其中励磁电感值的大小关系到软开关的实现和变换器效率,励磁电感值取大,变压器损耗越小,铜损也越小,变换器效率越高,但供给给开关管结电容充放电的电荷量也随之减小,软开关越难实现。反之,如果取小,则软开关实现容易但变换效率降低。而品质因数值则关系到变换器的启动电流的大小。
1. 2. 1变压器匝比n
变压器匝比n的设计原则为:
计算得到n = 1. 16。
1. 2. 2励磁电感Lm
最佳励磁电感公式可以表述为［6］:
本设计中,fr= 100 k Hz,kθ 取为2,Tdead= 300 ns,计算得到Lm_opt= 119 u H。
1. 2. 3品质因数Q
启动时刻,LLC谐振变换器的输出电容两端压降为零,可以等效为输出短路。因此启动时刻谐振腔等效模型是二元件谐振电路,初始条件为零,可以推导出启动电流的解析式。
对于我们设计的变换器,kf设计为3,启动电流限制在36 A ( 选用的MOSFET为FQA9N90C,其允许脉冲电流为36 A) ,计算得到品质因数Q为0. 512。
1. 2. 4高频变压器Tx
利用AP面积法( AP = Ae* Aw,Ae为磁芯截面积,Aw为窗口面积) 计算得到所需的AP面积为9. 4 cm4,选用TDG公司的PQ50 / 50磁芯,其AP面积为10. 24 cm4。计算得到变压器原边匝数为20匝,采用500股0. 1 mm2的利兹线绕制; 副边匝数为17匝,采用400股的利兹线绕制。
1. 2. 5谐振电感Lr
根据公式( 1) 可以计算得到Lr为19. 6 u H。同样采用AP面积法计算得到所需的AP面积为1. 9 cm4,选用TDG公司的PQ32 /30磁芯,其AP面积为1. 9 cm4。计算得到变压器原边匝数为18匝,采用500股的利兹线绕制。
2提高电源可靠性的若干策略
2. 1蓄电池智能充电策略
本直流系统由蓄电池组的浮充电压值为220 V。采用两段式充电策略,即先恒流充电至浮充电压值,再以浮充电压值进行恒压充电。这种充电方式的优点是蓄电池的电流应力小,而且充电速度较快。本文采用Allegro公司的电流检测专用芯片ACS712实现该充电策略,电路如图4所示。
智能充电模式下,当蓄电池电压低于浮充电压时,电源模块等效为恒流源; 当蓄电池电压高于浮充电压时,电源模块等效为电压源。 恒流状态下,通过调节输出电压,以保证输出电流恒定,输出电压可以表示为Vo= Vb+ Io* Rs( Rs为采样电阻,对于ACS712芯片,该阻值为1.2 mΩ) ,单片机同时使能vfv和vfi这两路反馈信号。恒压状态下, 输出电压不调节,Vo= Vb,单片机仅仅使能vfv。
2. 2故障保护策略
对于本方案,变换器的短路模型如图5所示,发生短路时,开关频率在100 k Hz附近,此时短路阻抗( 短路阻抗Zr表示为( Lr/ Cr)1 /2) 很小,从而产生很大的短路冲击电流。短路保护的原则就是提高短路故障下的短路阻抗。首先可以通过快速加大开关频率实现短路阻抗的提高。除此之外,本方案还采用了文献[7]中提到的辅助绕组的方法,其原理是发生短路时,通过辅助绕组将Cr短路,因此短路模型中只有Lr,极大地提高了短路阻抗。
3实验结果与分析
根据上述的设计方法,设计了一台2 200 W的充电电源模块,其谐振腔参数为: 励磁电感Lm为119 μH( TP4A磁芯,PQ50 / 50骨架,原边20匝,副边17匝) ,品质因数为0. 512,谐振电感为19. 6 μH ( TP4A磁芯,PQ32 / 30骨架,18匝) ,谐振电容为133 n F( 100 n F + 33 n F) 。主要开关元件: 原边开关管为FQA9N90C( 900 V,9 A ) ,副边整流管为SPP11N60C3 ( 650 V,11A) 。
样机额定运行时的主要实验波形如图6所示,图上分别为开关管驱动电压vgs( 20 V格) 、漏源电压vds( 250 V/格) 和谐振腔电流ir( 10A/格) 。从实验结果来看,样机已经实现软开关。
4结束语
直流充电 篇7
换流变压器对于直流输电来说可以说保证系统运行可靠安全的重要基础, 因此变压器的运行至关重要, 所以, 在整个换流站的建设中, 变压器在投资上比例占得很大。但是变压器会受到多放因素的影响从而出现一些不利于运行安全的问题, 因此, 对于其运行的安全性保护就在整个直流输电的系统运行中凸显。文章在下面专门就换流变压器在运行特点上进行了介绍, 并结合了直流输电在系统的运行中各个情况对于变压器造成的或者可能造成的影响, 提出了一些合理化的方案。
1 换流变压器优势以及自身特点对保护的影响
1.1 换流变压器的优势
目前的输电系统都是采用了超高压式的直流输电系统, 这种系统的应用的广泛度其实也是由于其自身所具有的高适应性的有点决定的。具体说来主要有以下几点优势: (1) 无需对稳定性进行考虑; (2) 在恢复故障的能力上较强; (3) 交流系统的稳定性调节能力较强; (4) 可以有效的对互联交流的电路系统出现的短路容量现象进行降低; (5) 在建设投资上更为的经济。
在直流输电的系统中, 换流变压器是作为必要设备存在的。换流变压器的主要作用就是通过提供交流电压对系统中的谐波电流进行降低, 这种电流主要会集中在交流侧, 换句话说就是通过作为一种电气隔离在直流以及交流系统中进行换相电抗, 在最大的程度下对交流电压进行调节, 从而保证直流输电在系统的运行状态可以保持最佳。
1.2 换流变压器自身特点对保护的影响
(1) 变压器的短路阻抗。阀的换相本质上就是直流输电的两相短路, 由于直流电在换相的过程中需要对电流进行限制, 保证电流可以处在规定的范围中, 因此会将换流变压器的短路阻抗进行调整, 一般都会大于普通的变压器。但是, 短路的阻抗变大就会令换流变压器相对于普通的变压器在二次侧的故障电流相对减小, 这些问题就需要在进行保护配置以及整定上需要考虑在内的因素。
(2) 直流的偏磁。大地回线的使用在直流输电的系统中经常会用奥, 但是不可避免的会在运行中有一些直流电会流入大地, 这种现象就会影响到地电位值使之发生改变, 如此一来直流电就会进入到变压器的缘边绕组, 原边绕组的改变会对变压器的直流绕组磁场进行影响, 从而产生了直流偏磁现象, 因此就会出现偏移的工作点。假如直流电超过了一定程度, 就会使得变压器的铁芯出现饱和现象, 如此一来损耗同时会增加, 变压器的温升也随之升高。而保护措施就是为了防止此类现象的出现对变压器造成损害。
(3) 谐波。谐波电流以及谐波电压的出现实则是由于换流器在直流和交流系统中的非线性特点造成的。谐波电流的出现是换流变压的主要特征。在电路系统的运行时, 谐波电流的危害非常大, 会导致交流电网的电容器以及发电机出现过热现象, 并且还会干扰通信设备。在对换流变压器进行保护装置的安装时就需要避免谐波电流对其影响, 这些需要进行考虑。
(4) 调压分接头。交流电压的扰动会对直流系统产生一些不利影响, 以此为了保证直流系统的稳定以及最佳的工作环境, 换流变压器在分接头的电压调整能力都较强, 这也是会对保护设计造成一定的影响, 像是在运行状态下的变比出现的变化等等。
(5) 特殊的运行状态。直流系统在控制中的调节上具有特殊的作用, 因此, 换流变压器也不同于普通的变压器, 在出现故障时的情况也会特殊一些。主要的不同包括:
(1) 直流系统短路由于都是出现在系统的变压器区外, 以此出现的电流不会过大。但是, 对于整流侧, 电流在穿越变压器的时候会增大, 这种增大会受到直流控制的系统保护的快速反应, 在此作用下会很快的降低。而逆变侧, 由于故障会使得直流系统的直流电流转变交流侧的过程发生故障, 因此穿越电流相应的会减小。
(2) 整流侧的阀短路故障在直流系统中是比较严重的故障, 和换流变出口的相间短路一样, 很可能造成严重的后果。不过因为存在直流保护, 出现的相间短路不会是全波, 只会出现半周波短路。同时, 阀短路的时候, 由于逆变触发角比较大, 相比较于整流侧流入换流变压器的电流会很小。
(3) 当换流变压器出现区内故障的时候, 由于直流控制系统, 正常不会提供短路电流。
(4) 直流控制系统具有快速调节作用, 能够迅速转换功率传输方向, 这时候换流变压器就会出现迅速的潮流反向。
(5) 当换流变压器区内出现接地故障的时候, 即阀短路, 因为阀具有单向导电性, 会出现故障电流周期内不均衡, 半周期较大, 半周期较小, 这样二次谐波会比较大。
(6) 当换流变压器逆变侧出现故障的时候, 可能会造成换相的不成功, 这样比较大的谐波会产生在穿越电流中。
2 换流变压器保护的实现
2.1 保护的配置原则
在对换流变压器进行保护的时候既要考虑安全问题, 有需要对经济问题进行考虑, 在简单经济以及安全可靠的情况下, 通过配置上的设置进行变压器的保护工作。通过对变压器设置两个保护设备对每台的电源以及输入设备进行保护。使得每个设备在输出上都于断路器上的跳闸相连, 并且同时也连接直流控制系统。并且装置本身还要采取一些防治故障的拒动作。
2.2 稳态比率差动保护
在变化比以及联结组的动作上具有不同性, 所以比那氩气的运行状态包括了相位和电流的大小也是不相同的。所以, 对于继电器的影响消除需要做的就是在绕组上安装TA, 对于绕组的电流进行相同保持, 由于这里的电流相同, 所以只需要对变化度进行补偿即可。以下的叙述的前提均为已消除了变压器各侧幅值和相位的差异。
2.3 后备保护
比如过流保护、过电压保护、零序过压保护都是属于换流变压器后备保护范畴之内。可以不用复合电压闭锁与方向闭锁, 这是由于其灵敏度很容易达到标准。
零序过流保护, 是换流变压器接地故障后备保护。主要是为了防止变压器和应涌流对零序过流保护的影响, 应具有二次谐波制动闭锁措施
3 换流变压器的充电试验
3.1 充电试验的目的
作为直流系统调试的重要环节, 测试换流变压器的充电试验尤为重要。一般情况下, 在直流功率的传输方向上, 符合一切接线方式以及运行控制模式。如果出现故障, 直流保护动作, 使设备避免受到伤害。所谓系统的调试就是对主回路设备 (变压器、断路器、滤波器、开关、输电线路等) 进行检测, 再对整个直流控制系统的性能进行测评。在测试过程中主要考虑电网的安全性和稳定性, 是否符合设计规范。
换流变压器的充电试验的主要目的, 就是测试换流变压器空载投切的时候承受的励磁涌流冲击能力和过电压水平, 还在于继电保护设备投切时的动作行为。由于环流变压器涉及到直流侧和交流侧, 相当于桥梁连接关系, 对于这一块检测会直接决定换流变压器是否能够稳定运行, 以及这个系统对否可以顺利投运。
3.2 充电试验步骤
总共进行三次充电试验, 后两次通过开路试验进行。
(1) 通过手动来控制换流变压器分接开关, 把换流变压器二次侧电压设置为最低;
(2) 闭合断路器, 首次给极I低端换流变压器充电;
(3) 再次手动控制换流变压器分接开关, 设置为空载档位;
(4) 将换流变压器分接开关控制的手动换成自动;
(5) 换流变压器首次充电后, 使其运行1h;
(6) 在换流变压器带电运行过程中, 检查并记录数据;
(7) 切断断路器, 停止给换流变压器充电;
(8) 过5min, 再次闭合断路器, 再次给换流变压器充电;完成换流变压器充电后, 继续使之运行15min;与此同时, 对换流变压器、交流母线和阀厅进行检测, 检测是否会出现电晕放电等其它事故出现, 并给与记录;
(9) 断开断路器, 换流变压器再次断电;
(10) 过5min, 闭合断路器, 第三次给换流变压器充电;同上步骤, 充电之后继续保持运行15min;重复步骤 (9) ;
(11) 断开断路器, 换流变压器最后一次断电;最后将断路器转冷备用, 结束极I低端换流变压器带换流器投切及带电试验。
4 结束语
综上所述, 在特高压电网这样一个新型领域内, 做好直流输电换流变压器的保护具有很重要的意义。本文就直流换流变压器的保护做了简要的讨论, 突出其重要性, 提出一些保护措施, 并介绍充电试验解决部分故障问题。希望可以给与对换流变压器系统调试的研究提供帮助。
参考文献
[1]浙江大学发电教研组直流输电科研组直流输电[J].2015 (08) :29~30.
[2]韩晓东, 翟亚东.高压直流输电用换流变压器[J].高压电器, 2014 (03) :39~40.
直流充电 篇8
换流变压器充电试验所检验的设备,主要包括换流变压器、相关的极控制系统、换流器晶闸管元件监测系统和阀触发系统,以及运行人员控制系统。因此,它是直流输电[1]系统带电的一项重要的换流站调试试验,圆满完成该项试验亦将为直流输电工程端对端系统调试奠定重要基础。
2010年6月13日,向家坝—上海(简称向—上)特高压直流输电工程复龙换流站(简称复龙站)进行了极Ⅰ高端换流变压器充电试验[2]。在14:35和15:06进行的前2次充电均告失败,直流控制系统[3]事件均报出多个晶闸管触发监测板(TFM)无回报信号,阀基电子设备(VBE)跳闸;在对TFM排查后,复龙站于15:21进行极Ⅰ高端换流变压器第3次充电,充电失败,直流控制系统事件报出极Ⅰ和极Ⅱ阀内水冷的主冷却回路流量低,保护跳闸,安全稳定装置的A, B系统均动作,跳开泸州—复龙(简称泸—复)三回500 kV交流线路。
本文针对复龙站极Ⅰ高端换流变压器[4]充电过程中的异常情况,基于晶闸管监控系统、阀内水冷主回路的水泵切换逻辑及换流变压器充电过程中的励磁涌流情况,详细分析了换流变压器3次充电失败原因,并给出相应建议,为直流工程运行和其他直流系统换流变压器充电等站系统调试提供技术参考。
1极Ⅰ高端换流变压器前2次充电失败分析
1.1 试验过程及现象
14:35时,极Ⅰ高端换流变压器第1次充电失败,直流控制系统事件报出“多个TFM没有回报信号”,据此立即对相应换流阀TFM及相关设备进行了详细检查,但未发现异常。
15:06时,极Ⅰ高端换流变压器第2次充电失败,直流控制系统事件再次报出“多个TFM没有回报信号”。经过进一步分析,认为充电失败很可能与换流阀在换流变压器充电后,VBE立即启动的阀预检运行模式有关。
1.2 换流阀控制主要部件工作原理
1.2.1 VBE及TFM
VBE是一个基于微处理器的、冗余的免维护晶闸管阀触发和监控系统,也是阀与其他控制和保护系统的一个接口。VBE 的基本功能为:产生所有晶闸管的触发脉冲;监测晶闸管及其相关设备的状态;在反向恢复期保护晶闸管;产生阀电流过零关断信号(EOC);执行自检等。VBE接收由极控制系统发来的触发控制信号和由TFM发来的回报信号,并由VBE中的晶闸管控制和监控单元(TCM)处理。
TFM负责监控晶闸管两端的电压并向VBE 发出各自的回报信号。
1.2.2 VBE预检运行模式(自检功能)
VBE在预检模式下可以检验阀阻断能力和阀控制功能。当VBE中的TCM接收到极控制系统发来的换流变压器进线断路器闭合信号(即换流变压器带电),且无欠压信号出现时,在一定延时后启动预检模式。在晶闸管不触发的情况下,测试晶闸管的阻断能力和TFM的性能。如果晶闸管、对应的TFM 和光缆正常,当VBE 发出查询脉冲且晶闸管电压达到TFM的正向或负向电压门槛值时(向—上工程复龙侧TFM电压门槛值的厂家数据为120 V±20 V),则周期性地产生从TFM到VBE的回报脉冲,相关的光接收板接收TFM的回报信号,供TCM读取。
1.3 充电失败原因分析及解决方案
极Ⅰ高端换流变压器前2次充电失败,直流控制系统均报出有多个TFM没有回报信号。经过排查,确定TFM本身没有故障,原因可能是在换流变压器充电后最初一段时间内晶闸管正向电压没有达到门槛值,即120 V±20 V。试验录波图见图1和图2(整个过程完整录波图见附录A图A1和图A2)。图中,Uac为换流变压器网侧电压,Iac,Y和Iac,D分别为二次侧星形侧和三角形侧对应的电流。
1经核实,向—上特高压直流输电工程复龙侧换流变压器进线断路器均装设了合闸电阻而并未装设选相合闸装置。由图1和图2可见,2次充电的励磁涌流峰值分别达到了3 378.7 A和3 231.2 A;换流母线交流电压畸变较严重,正负半轴不对称,电压下降较为严重,最低时约下降到额定电压的0.88。经现场分析,在换流变压器充电过程中,由于进线断路器合闸电阻没有正常投入或投入时间不够,导致换流变压器充电过程中产生较大的励磁涌流[5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20],且因送端系统较弱,导致换流母线交流电压畸变、下降严重,当VBE接收到极控制系统发来的换流变压器进线断路器闭合信号(即换流变压器带电),延时200 ms后启动预检功能。此时,由于交流电压畸变、下降严重,致使晶闸管两端电压降低且波动较大,未达到TFM的正向电压门槛值,故当VBE发出查询脉冲后,因无法收到TFM的回报信号,VBE误判晶闸管故障而发出换流变压器进线断路器跳闸信号,导致换流变压器充电失败。
针对这一情况,将阀控系统预检功能启动延时由200 ms改为1 s,待晶闸管两端电压稳定后再启动此项功能。修改延时后,上述问题得到解决。
2极Ⅰ高端换流变压器第3次充电失败分析
2.1 试验过程及现象
15:21时,复龙站极Ⅰ高端换流变压器第3次充电失败,直流控制系统事件显示“阀冷却的主冷却回路流量低”。同时,极Ⅰ高端阀组跳闸,极Ⅱ低端阀组跳闸,安全稳定装置的A,B系统均动作,泸—复三回线均跳闸。
2.2 充电失败原因分析及解决方案
经深入分析,此次换流变压器充电失败起因仍然是换流变压器充电过程中励磁涌流过大。由录波图3(整个过程的完整录波图见附录A图A3)可知,Y, y和Y, d换流变压器组中各有一相励磁涌流较高且衰减很慢,引起换流母线交流电压畸变,导致站用电源长时间畸变且幅值下降(最低约为额定电压的0.89),在此过程中,电源电压下降致使水冷系统的水泵电机过流(根据现场仪器记录,此电流由正常的130 A增大到了250 A),从而导致水冷系统主水泵切换;当主水泵切除后,备用水泵才投入运行。由于水泵切换时间较长,且备用泵启动速度较慢,致使切换过程中阀冷却主回路中的水流量下降,超出设定值(目前,流量低保护定值为35 L/s,0.5 s时跳闸),流量低保护跳闸闭锁极Ⅱ低端系统。安全稳定装置检测到换流器闭锁,动作跳开泸—复三回500 kV交流线路(3回进线均跳闸),致使极Ⅰ高端换流变压器跳闸,导致复龙站全站失去站用电,引起站用电自动切换到站外110 kV电源。
另外,在系统调试前单独做过的阀冷却回路主水泵失电切换试验中,在极Ⅰ低端、极Ⅱ低端投运的情况下,主水泵失电自动切换均不成功,会造成直流系统停运。
由此表明,复龙站阀冷却主回路的主水泵本身及切换逻辑存在隐患。一方面,主水泵电机及变频器本身抗干扰能力差,当交流电压幅值波动下降时,会造成电机工作异常而切换,即使能够切换成功,投入的备用水泵同样会因为交流电压异常而跳闸;另一方面,主水泵和备用水泵切换时间过长,配合不当,也会造成冷却水流量降低而导致换流器冷却水的流量低保护动作而闭锁换流器。
针对这一问题,提出如下修改建议:首先增加阀冷却主水泵及变频器在电压短时异常情况下的抗干扰措施,使得在电压畸变或降低的情况下水泵不会异常切换,且能够满足冷却要求;另外,减少主、备用水泵切换的时间间隔,缩短备用水泵启动时间,确保在冷却水流量下降到设定值之前使备用水泵能够正常运行。
3 极Ⅰ高端换流变压器充电成功分析及建议
17:33时,复龙站进行极Ⅰ高端换流变压器第4次充电,试验成功。录波图如图4所示(整个过程的完整录波图见附录A图A4),此时励磁涌流峰值为360.5 A,交流电压畸变情况也大大改善。由此说明,极Ⅱ停运对于极Ⅰ高端换流变压器充电有一定影响,在送端系统较弱的情况下,负荷越小,对于稳定交流电压越有利。
根据上述分析结果,经过现场调试单位和厂家协调,已将阀自检功能延时延长为1 s,并且要求厂家改进了变频器及水泵的运行特性,提高其抗干扰能力,优化切换配合时间。目前问题已经基本解决。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
摘要：向家坝—上海(简称向-上)±800kV特高压直流输电工程第3阶段系统调试初期,复龙换流站极Ⅰ高端换流变压器前3次充电均未成功。文中基于换流阀阀基电子设备(VBE)在换流变压器充电后启动的自检功能及其原理,结合换流阀冷却主回路的主副水泵切换逻辑与换流变压器在充电过程中产生的励磁涌流情况,深入分析了换流变压器充电失败原因,并得出结论:在换流变压器充电过程中,由于励磁涌流较大、送端系统较弱,导致换流母线交流电压畸变严重,使得换流阀自检功能误判认为阀出现故障,以及阀内水冷回路主循环泵异常切换,从而导致充电失败。根据分析结论,对相应问题提出了修改建议,为直流工程运行和以后的相应试验项目提供技术参考依据。