孫立寧 孫 想 張夢瑤

蓄電池組容量計(jì)算在斐濟(jì)南德瑞瓦圖水電站中的應(yīng)用

孫立寧 孫 想 張夢瑤

斐濟(jì)南德瑞瓦圖水電站廠房直流系統(tǒng)蓄電池容量選擇按滿足全廠事故停電時(shí)間48 h計(jì)算，無相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)中對各類負(fù)荷進(jìn)行了詳細(xì)分析，并合理劃分了直流蓄電池事故放電階段，對今后國外項(xiàng)目類似的直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

水電站 直流系統(tǒng) 蓄電池 容量計(jì)算

1 工程概況

南德瑞瓦圖水電站位于斐濟(jì)Vitilevu島中南部，設(shè)計(jì)安裝2臺單機(jī)容量22 MW的立軸沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量44 MW，電站按 “無人值班”原則設(shè)計(jì)。本電站為峽谷電站，庫容小，汛期水量較大時(shí)采用堰頂過水泄洪，電站進(jìn)場道路可能被淹沒，運(yùn)行管理人員無法在短期內(nèi)到達(dá)電站廠房，基于以上特點(diǎn)，電站直流系統(tǒng)事故停電時(shí)間需按48 h設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。本工程直流系統(tǒng)包括廠房、開關(guān)站、大壩及隔離閥等幾部分。本文以廠房直流系統(tǒng)為例，介紹蓄電池組容量的計(jì)算選擇 （以下所稱直流系統(tǒng)均為廠房直流系統(tǒng)）。

本工程咨詢工程師為新西蘭MWH公司，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要執(zhí)行澳新標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)查閱澳洲、美國、英國及國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中美國標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IEEE Std 485及國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5044—2004中均給出了一般電站直流系統(tǒng)蓄電池容量的計(jì)算方法，在蓄電池容量計(jì)算舉例中給出的最大事故放電時(shí)間為3 h。澳洲標(biāo)準(zhǔn)AS 3011.2及AS 2676.2中也無對較長時(shí)間蓄電池容量計(jì)算及負(fù)荷統(tǒng)計(jì)的具體規(guī)定。若按常規(guī)的負(fù)荷統(tǒng)計(jì)并計(jì)算直流蓄電池組容量，將需要設(shè)置相當(dāng)大容量的蓄電池組，這樣不但會(huì)大大增加投資，在蓄電池組的布置上也較困難；因此，既要考慮電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，又要滿足48 h的事故供電要求情況下，經(jīng)與咨詢工程師溝通后，并參照美國及國內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，本工程直流系統(tǒng)蓄電池容量計(jì)算主要從以下2個(gè)方面來解決此問題。

首先，多次與監(jiān)控、勵(lì)磁、保護(hù)及開關(guān)柜等廠家進(jìn)行溝通，更加準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)每套設(shè)備的用電量。同時(shí)更細(xì)化在事故48 h下電站各設(shè)備需要直流供電的負(fù)荷，考慮到事故停電48 h的概率較小，有些設(shè)備較以往統(tǒng)計(jì)直流負(fù)荷時(shí)取較低的負(fù)荷系數(shù)，詳見表1。

其次，廠房直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求1套冗余的直流110 V供電系統(tǒng)，配置2組蓄電池組，滿足廠房內(nèi)控制、保護(hù)、監(jiān)控及通訊等系統(tǒng)在事故停電時(shí)的直流供電需求。本直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單母線分段運(yùn)行方式，以確保所有保護(hù)及控制裝置的直流供電為冗余配置。每段直流母線配備1組蓄電池和1組高頻開關(guān)充電裝置。通常情況下，在無人值班電站，每段母線應(yīng)按承擔(dān)100%負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，而本工程每段母線按50%直流負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，2段母線之間設(shè)計(jì)1個(gè)母線聯(lián)絡(luò)開關(guān)。在必要時(shí)，可合上母聯(lián)開關(guān)，直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為單母線運(yùn)行方式，可為電站提供100%用電負(fù)荷。同時(shí)，在實(shí)際接線中也充分考慮2臺機(jī)組用電的均衡，從而確保電站的安全運(yùn)行。

2 直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

依據(jù)DL/T 5044—2004《電力工程直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》，直流負(fù)荷按照性質(zhì)分為經(jīng)常負(fù)荷、事故負(fù)荷和沖擊負(fù)荷。裝設(shè)2組動(dòng)力和控制合并供電蓄電池組時(shí)，每組負(fù)荷應(yīng)按全部控制負(fù)荷統(tǒng)計(jì)，動(dòng)力負(fù)荷宜平均分配在2組蓄電池上。根據(jù)本工程廠房內(nèi)設(shè)備的配置情況，對廠房內(nèi)需要直流供電的負(fù)荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別列出每個(gè)部分的直流峰值負(fù)荷及連續(xù)負(fù)荷（按48 h供電）。

表1 直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表(DC110 V)

3 蓄電池容量計(jì)算

參照美國標(biāo)準(zhǔn)ANSI/IEEE STD 485，本工程采用階梯法計(jì)算蓄電池組容量。蓄電池組放電分為幾個(gè)周期，在整個(gè)放電周期內(nèi)，可按照不同放電階段分別計(jì)算每個(gè)階段所需蓄電池組的容量，將計(jì)算的幾個(gè)階段蓄電池組容量進(jìn)行比較，取最大者來確定工程的蓄電池組容量。在本工程中，共分2個(gè)放電周期，第一放電周期為30 s，即S1=30 s，第二放電周期為48 h，即S2=48 h。根據(jù)蓄電池在不同的放電周期的放電電流繪制其放電曲線，本工程2個(gè)放電周期的放電曲線圖如圖1所示。

圖1 蓄電池放電曲線圖

按照階梯法，分別對30 s及48 h的放電周期計(jì)算蓄電池容量。由圖1可知

P1=30 s，P2=47 h59 min30 s；

S1=30 s，S2=48 h。

階梯法計(jì)算公式如下

式中 F1——第1階段蓄電池容量；

F2——第2階段蓄電池容量；

Ks——壽命補(bǔ)償系數(shù)，取1.25(由于蓄電池的實(shí)際容量最低降至額定容量的80%時(shí)，蓄電池應(yīng)更換，因此，選擇的蓄電池容量應(yīng)為使用壽命末端時(shí)其實(shí)際容量的125%)；

Kk——設(shè)計(jì)安全裕度，取0.9（考慮溫度因素，負(fù)荷沖擊，未充電完成時(shí)的放電等因素）；

P——放電階段；

A——放電電流；

C——容量計(jì)算因數(shù)（根據(jù)廠家提供蓄電池放電數(shù)據(jù)表得出）。

本工程中CP21為所選蓄電池48 h放電周期的容量計(jì)算因數(shù)， CP22為所選蓄電池47 h 59 min 30 s放電周期的容量計(jì)算因數(shù)。由于CP21與CP22相似,因此取CP21=CP22。即有

根據(jù)式（1）和式（3），計(jì)算直流蓄電池組的容量如下：

由直流負(fù)荷表可以得到30 s放電周期時(shí)50%的負(fù)荷電流為

CP1為30 s容量計(jì)算因數(shù)，由表2推算，CP1取0.4，可得

由直流負(fù)荷表可以得到48 h放電周期時(shí)50%的負(fù)荷電流為

CP21為48 h容量計(jì)算因數(shù) （由于廠家無法提供48 h放電數(shù)據(jù)，只有50 h放電數(shù)據(jù)，而50 h與48 h容量計(jì)算因數(shù)非常接近，且采用50 h容量計(jì)算因數(shù)計(jì)算容量會(huì)更滿足要求，故本計(jì)算采用50 h容量計(jì)算因數(shù)代替），由表2可推算出CP21取0.023，可得

由以上計(jì)算結(jié)果很明顯可以看出F2>F1。根據(jù)取最大值原則及蓄電池規(guī)格，選擇廠房直流蓄電池每組容量為1 500 Ah。

4 小結(jié)

直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)是水電站設(shè)計(jì)工作的重要組成部分，蓄電池容量的選擇既要滿足電站安全運(yùn)行的要求，又要綜合考慮經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，本文總結(jié)了斐濟(jì)南德瑞瓦圖水電站廠房直流蓄電池組容量的計(jì)算過程，為今后類似工程尤其是國外工程的設(shè)計(jì)提供參考。

表2 蓄電池放電數(shù)據(jù)表

孫立寧 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

孫 想 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

張夢瑤 女 助理工程師 國網(wǎng)天津電力公司物資公司天津 300304

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