一种集综合能源利用实现的快速响应电厂保安系统

摘要

本发明公开了一种集综合能源利用实现的快速响应电厂保安系统，包括硬件和软件控制两部分。其中，硬件部分包括储能电池组及其充、放电适配的电气设备和元器件；软件控制部分由两台工业控制器完成，包括储能电池组供电控制器和储能电池组充电控制器。在应急状态下，用储能电池组提供电能，通过逆变和输出控制，实现电厂保安系统快速响应功能。在正常情况下，通过太阳能和电网两种控制切换方式给储能电池组充电，以备应急。与现有技术相比，本发明显著提高了电厂保安系统的应急响应速度和安全性，减少了柴油机应用模式存在的烟气、高温、消防、环保问题，而且采用光伏充电模式可达到综合能源利用、节能环保的效果，具有很好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于火电厂应急电源技术领域，具体涉及一种集综合能源利用实现的快速响应电厂保安系统。

背景技术

保安电源是火电厂应对全厂停电引起锅炉、汽轮机、发电机损坏的应急反事故措施，其可靠性和响应速度直接关系到电厂主、辅机设备的安全和使用寿命。目前，保安电源主要通过柴油发电机实现。柴油发电机涉及到柴油、燃烧、机械、调速、调压、电气控制等多个工序，一方面其可靠性低、响应速度慢(通常需要3-5分钟提供额定电能)；另一方面，容易对厂房环境造成烟气和噪声影响，因此必须做好消防、环保、高温烫伤等安全防护措施。

发明内容

本发明旨在提供一种集综合能源利用实现的快速响应电厂保安系统，在应急状态下，该系统用电池组提供电能，通过逆变和输出控制，实现电厂保安系统的快速响应功能，一般需要10-20秒提供额定电能；在正常情况下，该系统通过太阳能和电网两种控制切换方式给电池组充电，以备应急。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种集综合能源利用实现的快速响应电厂保安系统，其特征在于：包括硬件和软件控制两部分，其中，

硬件部分包括电池组、直流电压变换器DC/DC-1、逆变器、滤波器-1、母线电池侧断路器CCTS、母线电网侧断路器ATS、保安段母线、无功补偿装置SVC/SVG、电池充电交流断路器Brk-1、滤波器-2、电池充电变压器T、三相桥式全控整流器Rtf、平波电抗器L、光伏侧充电断路器Brk-2、直流电压变换器DC/DC-2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电压互感器1、电压互感器2、电压反馈信号采集器1、电压反馈信号采集器2、电压反馈信号采集器3、电压反馈信号采集器4；

软件控制部分包括电池供电控制器和电池充电控制器。

进一步，电池组通过直流电压变换器DC/DC-1、二极管D3、逆变器、滤波器-1、母线电池侧断路器CCTS连接至保安系统母线作为应急电源，其用途是给厂用系统重要辅机设备提供应急电源，确保锅炉、汽轮机、发电机、易燃易爆系统平稳停机，避免发生安全事故。

进一步，电网通过母线电网侧断路器ATS连接至保安系统母线作为保安段正常运行的供电电源。

进一步，光伏端依次通过光伏侧充电断路器Brk-2、直流电压变换器DC/DC-2、二极管D2连接至电池组，作为电池组充电第一通道，实现了电厂占地空间光资源的能源利用。

进一步，电网侧通过保安段母线、电池充电交流断路器Brk-1、滤波器-2、电池充电变压器T、三相桥式全控整流器Rtf、平波电抗器L、二极管D1连接至电池组，作为电池组充电第二通道。

二极管D1、D2、D3起解耦作用，使电池组充电第一通道、第二通道和电池组提供应急电源三种运行方式互不影响，避免环流，提高系统运行的安全性、可靠性、自适应性。

进一步，所述电池供电控制器的采集器/互感器反馈信号输入端与电压互感器1的供电控制器端相连接以接收母线电压反馈信号；所述电池供电控制器的采集器/互感器反馈信号输入端与电压互感器2的供电控制器端相连接以接收电网侧电压反馈信号；所述电池供电控制器的采集器/互感器反馈信号输入端与电压反馈信号采集器4的供电控制器端相连接以接收逆变器输出电压反馈信号；所述电池供电控制器的采集器/互感器反馈信号输入端与电压反馈信号采集器3的供电控制器端相连接以接收直流电压变换器DC/DC-1输出电压反馈信号；所述电池供电控制器的采集器/互感器反馈信号输入端与电压反馈信号采集器2的供电控制器端相连接以接收电池组输出电压反馈信号；所述电池供电控制器与母线电池侧断路器CCTS相连接以接收CCTS状态信号，控制CCTS断路器分、合闸；所述电池供电控制器与母线电网侧断路器ATS相连接以接收ATS状态信号，控制ATS断路器分、合闸；所述电池充电控制器与逆变器相连接以控制逆变器的输出电压；所述电池充电控制器与电池充电直流电压变换器DC/DC-1相连接以控制DC/DC-1直流电压变比。

所述电池充电控制器的采集器/互感器反馈信号输入端与电压互感器1的充电控制器端相连接以接收母线电压反馈信号；所述电池充电控制器的采集器/互感器反馈信号输入端与电压反馈信号采集器1的充电控制器端相连接以接收光伏侧电压反馈信号；所述电池充电控制器的采集器/互感器反馈信号输入端与电压反馈信号采集器2的充电控制器端相连接以接收电池组输出电压反馈信号；所述电池充电控制器与电池充电直流电压变换器DC/DC-2相连接以控制DC/DC-2直流电压变比；所述电池充电控制器与三相桥式全控整流器Rtf相连接以控制Rtf输出电压；所述电池充电控制器与电池充电交流断路器Brk-1相连接以接收Brk-1状态信号，控制Brk-1分、合闸；所述电池充电控制器与光伏充电断路器Brk-2相连接以接收Brk-2状态信号，控制Brk-2分、合闸。

所述电池供电、充电控制器与无功补偿装置SVC/SVG相连接以控制SVG无功功率补偿度，维持供电或充电运行方式下保安段母线的电压水平。

本发明涉及的电压反馈信号和各电气设备和元器件状态反馈信号通过控制器软件进行自动跟踪计算，形成控制器的输出，控制保安系统的运行工作。

本发明所述的保安系统的运行状态为：(1)正常情况下，保安段母线由电网侧供电，ATS合位，CTTS侧断位。(2)应急状态下，当电网侧失电，ATS瞬时断开，逆变器迅速建立逆变输出电压，然后CTTS侧合上，母线由电池供电；当电网侧电压恢复，控制器捕捉电网和保安段母线电压同期点瞬时合上ATS，然后CTTS断开，母线恢复电网供电。(3)电池充电状态：电池经电池充电控制器控制，自动控制Brk-1、BRK-2补充能量，或由电网充电、或由光伏充电，或两者并联充电。电池容量充满时，可选择自动断开Brk-1、Brk-2。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明采用专用大容量储能电池模式取代现有的柴油机应用模式，优化电厂保安系统现有的应用模式，显著提高电厂保安系统的应急响应速度和安全性，且减少柴油机应用模式存在的烟气、高温、消防、环保问题；

2、火电厂办公楼、厂房、车间具有构建光伏电站的空间，具备光伏利用的自然条件，通过光伏充电可达到综合能源利用、节能环保的效果，具有很好的应用前景；

3、本发明光伏和储能电池都是直流电，二者之间无须变压器，通过成熟的电力电子元器件DC/DC来实现充电储能，其大大节省了投资成本，提高了系统的可靠性；

4、本发明储能电池组供电控制器具备捕捉同期功能，当电网恢复时，可以通过不间断并联切换，恢复电网供电模式，退出储能电池供电模式；

5、本发明储能电池组供电控制器具备频率、电压调节功能，输出电能满足电能质量要求；

6、本发明不存在环网、环流问题。

综上所述，本发明具有快速、安全、可靠、环保、节能以及便于推广使用的运行效果。

附图说明

图1是本发明的集综合能源利用实现的快速响应电厂保安系统结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本发明提供的一种集综合能源利用实现的快速响应电厂保安系统包括硬件和软件控制两部分。

如图1所示，保安系统母线左侧为保安电源，包括电池组、直流电压变换器DC/DC-1、逆变器、滤波器-1、母线电池侧断路器CCTS、电压互感器1、无功补偿装置SVC/SVG、电池充电交流断路器Brk-1、滤波器-2、变压器T、三相桥式全控整流器Rtf、平波电抗器L、光伏侧充电断路器Brk-2、直流电压变换器DC/DC-2、二极管D1、二极管D2、二极管D3、电压反馈信号采集器1，电压反馈信号采集器2、电压反馈信号采集器3、电压反馈信号采集器4。

保安系统母线右侧为电网侧，包括母线电网侧断路器ATS、电压互感器2。

该保安系统由两个控制器控制工作。正常情况下，保安段母线由电网侧供电，ATS合位，CCTS侧断位。应急状态下，当电网侧失电，ATS瞬时断开，逆变器迅速建立逆变输出电压，然后CCTS侧合上，保安段母线由电池组供电；当电网侧电压恢复，控制器捕捉电网和保安段母线电压同期点瞬时合上ATS，然后CCTS断开，母线恢复电网供电。电池充电状态下，电池组经电池充电控制器控制，自动控制Brk-1、Brk-2补充能量，或由电网充电、或由光伏充电，或两者并联充电。电池容量充满时，可选择自动断开Brk-1、Brk-2。

本实施例中，所述保安系统直接安装在电厂保安段小室，无须设置专用厂房，实现方式简单可靠，安全环保，节约电缆连接成本。该保安系统可以采取如下组屏方式：

a.直流屏柜：包含储能电池组，Brk-2，DC/DC-1、DC/DC-2，电压反馈信号采集器，二极管D1、D2、D3；

b.交直流屏柜：包含三相桥式全控整流Rtf，平波电抗器L，逆变器，控制器，电压反馈信号采集器；

c.交流屏柜：包含CCTS，ATS，Brk-1，滤波器，变压器T，PT，SVC/SVG。

电厂正常运行时，电池供电控制器处于智能值守状态，负责电池供电控制和管理和应急输出。控制器开入、开出有两种形式：

一是硬接线方式，包括采集保安段母线电压、电网电压、电池电压、DC/DC-1输出电压、逆变器输出电压、ATS状态、CCTS状态、控制ATS、CCTS的合分闸。

二是点对点通讯方式，包括控制器之间、控制器与逆变器之间、控制器与DC/DC之间，通过实时监控DC/DC-1和逆变器输出，达到逆变器以保安母线电压为控制目标的闭环控制；通过液晶显示屏可以显示各部件的运行状态。

电厂正常运行时，电池充电控制器处于智能值守状态，负责电池充电控制和管理，具备电池容量管理功能。控制器开入、开出有两种形式：

一是硬接线方式，采集母线电压、光伏电站电压、Brk-1状态、Brk-2状态，通过控制Brk-1、Brk-2、DC/DC-2，控制电池的充电条件和充电方式，光伏优先。

二是点对点通讯方式，与三相桥式全控整流器连接，达到整流器以电池充电电压为控制目标的闭环控制；与SVG连接，控制SVG无功功率，保证储能电池组充电时保安段母线电压质量。通过液晶显示屏可以显示各部件的运行状态。

本实施例中，电源控制器和电池充电控制器均可以提供数据接口，与电厂ECS或DCS通讯，可以实现远程监控功能。

本实施例中，装置工作电源不依赖于外部提供，自给自足。