大功率中压直流负载的优化设计方案「大功率直流升压」

今天带来大功率中压直流负载的优化设计方案「大功率直流升压」，关于大功率中压直流负载的优化设计方案「大功率直流升压」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

为了提高大功率中压直流负载的运行可靠性，中国船舶重工集团公司第七〇三研究所无锡分部的研究人员陆彬、俞希学、张嵩彪，在2019年《电气技术》增刊中在撰文，在现有中压直流负载技术条件的基础上，提出了中压直流负载的优化设计方案。介绍了中压直流发电系统的系统结构，并给出了中压直流负载的系统组成。针对现有中压直流负载存在的问题，在中压直流负载的设备选型、在线绝缘监测、故障诊断等方面提出了优化设计思路和实现方法。经过优化设计，中压直流负载的运行可靠性和可维护性得到提高和增强，具有设备结构简单、运行可靠的突出特点，使其具有很好的工程应用价值。

近年来，随着高压电、大功率变流器等技术的发展，采用中压直流配电的综合电力系统逐渐成为船舶综合电力系统的发展趋势。随着时间的推移，大功率中压直流发电技术也得到快速推广。为了对大功率的中高压直流发电机组进行质量和安全方面的检测，需要利用配套的中压直流负载。

目前，国内测试中高压直流发电机组性能的中压直流负载方案主要是干式电阻负载方案，通过直流接触器的合闸/分闸功能，实现若干电阻负载回路的投入/切除，从而进行中压直流负载的功率调节，满足负载的使用需求。

在发电机组的性能测试方面，我单位积累了大量的工程经验。在使用过程中，发现发电机组对中压直流负载提出了越来越高的要求，具体体现在：①在恶劣的户外环境下运行时，能够实现对中压直流负载绝缘情况的实时在线监测，保障运行安全；②在现有直流接触器额定工作电压不高的客观条件下，进一步提高直流接触器的使用寿命，保障中压直流负载的连续可靠运行。

市场上的主流设计思路均为干式电阻负载方案，该方案的显著特点在于采用“多组负载回路并联运行，通过直流接触器实现相应负载回路的投入/切除，实现负载功率的调节功能”。目前，该干式电阻负载方案属于较为成熟的产品，已经能够基本满足使用需求。

但是该方案的弊端在于：①负载回路接触器的额定电压必须等同于发电机组的“ ”“”之间电压，当发电机组的输出电压较高时，直流接触器的设备选型变得很困难；②电阻回路发生单极对地短路时，设备不具备故障报警功能；③无法对主回路进行绝缘情况的实时监测。

基于上述情况，本文提出了大功率中压直流负载的优化设计方案，该方案不仅具有主流干式电阻负载方案的所有功能，还具有如下突出特点：①具有独创性的电阻负载回路，使得关键开关设备的选型变得更加简单；②具有负载回路在线绝缘监测和报警功能，保障中压直流负载的运行可靠性；③具有故障诊断功能，能够对自身运行状态进行自我诊断，提高设备运行的可维护性、可靠性。

2.1 基本组成

中压直流负载主要由主回路、控制系统、监测系统、散热装置及辅助控制等部分组成，所有设备均集成在集装箱内，主要包括集装箱、干式电阻器、直流接触器、熔断器、冷却风机、可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）、电量传感器及其他附件等硬件设备。

负载主回路共有若干个并联运行的负载回路（负载回路包括干式电阻器、直流接触器、熔断器）组成，负载回路数可根据实际使用情况进行针对性设计。每个负载回路均通过对应直流接触器的分闸、合闸，选择性地投入到主回路中，实现中压直流负载的功率控制，从而满足大功率发电机组对直流负载的功率要求。

2.2 基本功能

中压直流负载的主回路接入发电机组的输出端，对发电机组的功率进行消耗；控制系统对中压直流负载内的开关设备进行控制，实现加减载操作以及相关参数的采集等功能；监测系统主要通过监测中压直流负载内的运行状态等参数，实现实时监测功能；散热装置主要利用风机将主回路上产生的焦耳热散发出去，从而保证主回路能够在额定温度下正常工作。

1）控制系统

通过工业以太网，人机界面（human machine interface，HMI）向PLC发出接触器的合闸、分闸命令，完成接触器的合闸、分闸，从而实现对负载功率的控制。同时，HMI接收PLC返回的数据，完成系统运行过程中相关数据的显示、计算等功能，控制系统框图如图1所示。

图1 中压直流负载的控制系统示意图

2）监测系统

在中压直流负载运行过程中，实时监测散热装置的运行状态量、风道的风压指示量、风道的温度信号以及主回路接触器的合分闸状态等开关量信号。当状态信号出现异常时，由HMI界面提示报警，等待操作员的下一步指令。当紧急情况出现时，监测系统向PLC控制装置发出保护指令，由PLC控制装置发出保护动作指令。

根据通用中压直流发电机组的运行特性，发电机组的输出端均引出三个接线端子，分别为“ ”、“0”和“-”；并且“0”输出端经电阻接地，为发电机组提供参考零电位，同时起到限制单相接地短路电流的作用，如图2所示。

图2 船用中压直流发电机组电气一次系统示意图

基于中压直流发电机组的运行特性，对现有大功率中压直流负载进行了优化设计，优化后中压直流负载的电气回路如图3所示。

图3 中压直流负载的电气主回路图

如图3所示，该直流负载共由若干个负载支路并联组成，每一个负载回路由两组干式电阻器单元串联运行，由高压熔断器、直流接触器、干式电阻器构成。同时，在负载的直流母线“ ”、“-”上安装高精度电压传感器、电流传感器，分别用于测量直流母线“ ”、“-”极的对地电压和母线电流。

该中压直流负载的突出特点：

1）采用双极式直流接触器、负载支路由两组干式电阻器串联构成，并且能够测量直流母线的对地电压和母线电流，实现负载回路的关键状态监视功能。

2）通过集成于设备面板上的HMI实现负载的所有测控功能，即通过HMI向PLC控制装置发出控制指令，完成设备的自检、负载功率的调节等功能；并借助于监测系统实现设备的状态监测、自我保护等功能。

3.1 主回路的设计

目前中高压直流发电机组的输出电压已经达到数kV，而较为成熟的直流接触器的额定工作电压最大只能到DC 3.6kV，明显低于直流发电机组的额定功率。面对这一突出问题，中压直流负载生产厂家的解决办法是在现有直流接触器额定电压只有DC 3.6kV的情况下，选用更高电流等级的直流接触器，以换取直流接触器较为可靠的运行。经实践证明，该解决办法极大影响了直流接触器的使用寿命，直接影响中压直流负载的运行安全。

为此，本文设计了如图3所示的电气主回路，提出采用双极直流接触器进行分压的方式实现负载回路的合、分闸操作，使DC 3.6kV电压等级的双极直流接触器可直接应用于DC 7.2kV及以下的直流发电系统，极大地拓宽了中压直流负载的应用范围。依靠该创新性的主回路设计，简化了关键开关设备的选型，极大地提高了中压直流负载的运行可靠性。

3.2 在线绝缘监测的设计

在现有制造工艺的条件下，一台MW级的中压直流负载，在一个狭小的标准集装箱内安装多达两千根左右的干式电阻器，每根干式电阻器在运行中均存在着对地放电的风险，因此对设备的在线绝缘监测显得尤为重要。

同时，由于中压直流负载发热量巨大，且其往往在恶劣的户外环境下运行，使得设备的冷态和热态绝缘水平均随着环境的变化而急剧变化；恶劣天气条件下，中压直流负载的冷态和热态对地绝缘急剧下降，使得干式电阻器的对地放电风险进一步增加。

此外，目前没有专门用于中压直流负载设备的在线绝缘监测装置，无法实时监测该设备的运行状态，从而极大增加了设备运行的安全风险。

为此，本文基于图2所示的电气系统，设计了专门用于中压直流负载的在线绝缘监测系统。用于该系统的监测信号包括“ ”、“-”母线的对地电压和母线电流以及接地电阻的漏电流，分别标识为U 、U-、I 、I-、I0，为保证测量信号的精度，U 、U-、I 、I-、I0的测量传感器均采用精度不低于0.3的闭环式传感器。

在正常运行时，可将图2、图3所示的电气回路等效为图4所示的电气回路等效图。

图4 电气回路等效图

如图4所示，不难发现：①在中压直流负载正常运行时，U =U-、II-=I0=0；②在中压直流负载“ ”或“-”绝缘异常，发生对地故障时，U ≠U-、II-=I0≠0。

如上所述，本文所设计的中压直流负载在线绝缘监测系统，对电压电流传感器的输出信号进行采集，并通过滤波计算得出实时准确的U 、U-、I 、I-、I0；再根据电压电流的对应关系，实时监测中压直流负载运行时的在线绝缘情况。

3.3 故障诊断功能的设计

本文深入市场调研，发现大多数中压直流负载厂家在设备的设计、制造和生产过程中，往往只考虑完成既定的出厂指标，完全忽略了中压直流负载在后期使用过程中的状态监测、故障预警和记忆分析等功能。根据实际运行经验，发现中压直流负载的严重故障往往是未被发现的局部故障引起的连锁反应，为此，对设备的关键运行状态进行实时监控和自我诊断就显得异常重要。

本文设计的中压直流负载，基于记忆功能的自我诊断功能，运用PLC装置成熟的存储技术，实时采集并存储设备初次正常运行时的各项状态数据，并将该数据作为故障诊断的原始数据。在中压直流负载设备的使用过程中，PLC装置将根据实时采集的关键数据与原始数据进行状态比对，进而确保中压直流负载装置的运行可靠性。

以某个负载回路的额定功率为例，PLC装置根据该负载回路的投切状态和母线回路的电流，可得出该负载回路的实时功率；将该数据与存储的该负载回路额定功率进行比对，一旦发现数据间的差值超过误差值，即给出该负载回路的干式电阻器存在部分熔断的故障诊断信号，从而避免该负载回路的其余干式电阻器因分压不均导致的异常发热而接连损坏的恶劣后果。

通过这种运行数据与原始数据的比较和分析，极大提高了设备运行的可靠性和可维护性；同时，也极大减少了运行人员的工作量，具有很高的工程应用价值。

本文设计的基于直流发电机组的中压直流负载，具有设备结构简单、运行可靠性高、工程应用价值高以及能够故障预警等突出优点。经实际工作验证，系统稳定、操作简单、可靠；系统的实时监测功能和自我诊断功能极大提高了设备运行的可靠性，降低了设备故障率；同时，该系统的设备选型简单，工程应用价值高。基于直流发电机组的中压直流负载，在直流负载的工程应用领域具有广泛的应用前景。