摘要：直流回路在工业配电行业比较少见，但在孤岛新能源机组组成的电站中采用直流母排汇集是比较合理的方式，这需要对汇集到母排的各机组的直流进行电力参数采集管控，工程设计上应充分考虑新能源机组斩波整流直流的工程特点及各种可能造成通讯干扰因素。结合实际案例对孤岛新能源机组电站的直流回路电力参数采集管控进行了一定的探讨。
关键词：新能源发电机组;直流电量表;霍尔传感器
中图分类号：TM727.1
Acquisition Design and Implementation of DC Circuit Power Parameters
LI Ling-yun , HE Jia-lin, HAO Fu-qiang , WANG Xing-jie
(Wellreach Automation Co., Ltd. of Shenzhen, Shenzhen 518057, Guangdong, China)
Abstract: The DC Circuit is relatively rare in the industrial distribution industry, but DC busbar collection is a more reasonable way in the power plant consisting of island new energy unit, which requires power parameter acquisition and control of the DC of each unit aggregated to busbars, and engineering acteristics and various factors that may cause communications jamming of the new energy unit rectified DC chopper should be take into full ac in the engineering design. Discusses power parameter acquisition and control of the DC circuit in the power plant consisting of island new energy units combined with practical case.
Keywords: new energy generator unites; DC Scale; Hall Sensor
0引言
“500kW 海洋能独立电力系统示范工程”是“海洋可再生能源专项资金”支持项目(项目编号：GHME2010GC02)。项目经过多次的调整，最终确定总功率 300KW潮流能发电机组4套、50KW太阳能发电1套、50KW风力发电机3套、蓄电单元96KW˙h 1套、电池充放电管理单元1套、应急柴油机AC/DC 1套、50KW直流母线负载4套、逆变单元1套，总计15个直流进出线回路，汇集到标称600VDC直流母线，直流母线悬空不接地，逆变后的交流未接入市网，设置了能源管理系统综合管理发电与负载的电力平衡。图1是直流母线设计的单线图。
图1 直流母线设计的单线图
直流进线回路电力参数的数据准确性和可靠性，直接影响到能源管理系统中控制策略的可靠性，其电量的采集、记录也是考核新能源机组发电指标以及作为调整机组本身取得更多的自然能源的依据。
本系统进线回路9个、馈电回路4个及2个备用回路，系统安装选用国内GCK型抽出式全封蔽开关柜，除柜体做了可靠安全接地，直流系统自身为浮地系统，与大地绝缘。每一回路的合分及保护采用ABB T3系列断路器，断路器采用传统的热磁式，对主回路的电力数据信息不作采集。在电力参数采集上将整个电力回路分为一次、二次、检测电路三回路，一次如前所述，二次回路主要有断路器的合分操作，此处略。本系统额定电压为600VDC,属直流低压范畴电压采集用直接式，既安全也可靠。作为电力参数采集的重点或关键点主要在电压、电流的采集检测电路，在主回路经熔断器后直接接入直流电量表，电压回路直接接入;当前工业应用领域直流电流的采集不多，大直流电流无法直接串联进入到采集回路，也无法通过二次感应耦合隔离，直流大电流采集常用的方式主要有串连电阻降压、霍尔传感器、光耦隔离等。
a)电阻采样：成本低,但目前市场对直流600V电流采样的电阻还没有一个成型产品。要用其采样电力参数电阻电路需做深度加工，如电阻的选择，首先要求温度系数要很小，分流器最好选用康铜作材料;放大器要选择失调电压小等，据了解失调电压小的运放常用OP07,且用于小信号放大,监控电路常用;不适合做电流环,因为带宽太小，如果是做电流环一般常用LM353,带宽够,但失调电压偏大。最后是滤波，次級整流后用PI型滤波器，在取样电阻到放大器的输入端接入一个0.1UF的贴片电容到大地。因此，选用电阻采集直流电力参数对电阻的制作工艺、选材要求高，针对采样电路的灵敏度、精确度的测试与调试等工作量比较大，在现场复杂的使用环境下测量的可靠性评估相对复杂;
b)霍尔传感器的原理：当一个导体通过与外磁场垂直的电流时，在导体的与磁场及电流方向均垂直的方向上，会产生一个电势差。这个电势差与外磁场的磁感应强度及电流大小成正比，固定电流大小，电势差与外磁场的磁感应强度成正比。利用一次线圈产生外磁场，那么电势差与一次电流成正比。从应用角度，两者相同之处在于都需要一次线圈产生磁场。不同之处之一在于互感器需要变化的磁场，而霍尔传感器可以是恒定的磁场，因此霍尔传感器可以用于交流和直流电流采集，从工程实施上，接入到直流电量表的信号为0VDC～5VDC信号，或者可选用4mA～20mA信号;
c)光耦合器以光为媒介传输电信号：它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，且具有很强的共模抑制能力。常用于逻辑电路、固体开关、触发电路等弱电低压直流电路方面，但在600VDC等级电流采样上还没有大量的推广应用。
综合比较，选用霍尔传感器电流采样方式，并选用国内某厂家的成熟产品，通过0VDC～5VDC信号直接接入到直流电量表，这个信号可直接由万用表测量，有利于直流电量表的量程和零点校正。
1 直流母线进线回路电力参数采集设计
影响直流多功能电量表数据精度主要有纹波电压干扰、共模电压干扰、接地等影响。
日常生活中，电网是交流母线，各个与电网连接的设备都会向电网内其他设备发出一定干扰，同时为了保障自身可靠运行，各个设备也具有一定抗干扰能力。此600VDC直流系统是一个以直流为公共母线的微电网，有多个设备与直流母线连接，存在干扰和抗干扰的问题。
电力参数采集只要进行直流母线电压和设备的直流输出电流的监测。电压的检测需要电能表与直流母线直接连接，如果抗干扰能力差就会造成测量值不准确。从目前系统看，直流母线电压为600VDC，且电压稳定，说明线路中差模干扰较小，共模干扰较大。因此，电能表的选择不但需要量程满足条件，而且需要一定的共模干扰抑制能力。图2是信号采集设计图。
图2是信号采集设计图
当电压、电流信号通过前述两种方式取得后，即由直流多功能表处理转换为可识别的数字信号，供值班人员监测之用。同时，所有直流多功能表的电力参数通过 MODBUS RTU通讯总线上传至PLC并最终上传至上位机，通讯链路均设计485防浪涌隔离器，通讯电缆屏蔽层单端接地。
2 工程实施过程中的问题和解决方法
a)纹波干扰：在工程实施调试过程中，某型号的直流电力表在检测电池回路数据准确，但在检测新能源机组进线回路出现数据不准确现象，尽管总体工程在设计上对各机组纹波电压有要求，直流电力表也是按此要求设计和选型，但实际各新能源机组纹波电压均远超过设计要求;最后部分直流电力表重新选型，放大纹波电压裕度，经连续运行监测数据采集显示正常;
b)电池组接地干扰，直流母线系统虽然悬空，但电池采用正负双极系统，为了实现对称电压，中点有接地，部分电量表和采集单元直接采用电池组模块供电，存在接地干扰情况，造成部分直流电量表数据不准确或者通讯不稳定，通过使用隔离的开关电源给直流电量表和采集单元供电，缩短设备通讯口与防浪涌隔离器之间的电缆距离，有效地解决了此类问题。
3 结语
本文以“500kW海洋能独立电力系统示范工程”项目为例，提出600VDC直流系统各直流回路的电力参数采集的设计和施工过程中重点需要考虑的事项，并给出了施工调试过程中的问题和解决办法。
通过本文介绍和分析，可以看出：新能源机组构成的孤岛电网系统，直流回路是其重要组成部分，对直流回路的检测在设计和工程实施上需要考虑的问题较多，主要有传感器选型、电气通讯设计、纹波和共模干扰等情况，本文提出和解决的部分问题对解决此类问题具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]中国新能源网.中国海流能资源[DB/OL].[2003-10-22]. http://www.newenergy.org.cn/html/00310/20031114.html.
[2] 邓重一.利用霍尔传感器芯片设计直流电流检测电路[J].传感器技术,2003,22(6):50-52.
原标题：直流回路电力参数采集设计和实施
