低壓蓄電池下的電力系統(tǒng)直流操作電源

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摘要：傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)操作電源通常采用多節(jié)電池串聯(lián)組成的蓄電池組作為后備電源，技術(shù)成熟可靠，但電池的維護(hù)較為復(fù)雜，成本較高。鑒于此，提出了一種新的電力系統(tǒng)操作電源方案，不采用蓄電池串聯(lián)，而是由多組采用低壓蓄電池的供電模塊并聯(lián)構(gòu)成，每個(gè)供電模塊包括一臺(tái)將電網(wǎng)交流電變換為低壓直流電的電源變換器、一只單節(jié)低壓蓄電池和一臺(tái)將低壓直流電變換為操作母線電壓的供電變換器。該系統(tǒng)具有模塊化程度高、容量配置靈活、可在線視情維護(hù)電池等優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)首先簡要介紹傳統(tǒng)直流操作電源的基本要求和組成，分析其存在的問題，然后提出新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并分析其特點(diǎn)，最后介紹研制的系統(tǒng)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)情況，驗(yàn)證了新系統(tǒng)的可行性和優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：直流操作電源；低壓蓄電池；變換器；不停電電源

引言

直流操作電源是電力系統(tǒng)中重要的電工二次設(shè)備，廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠、變電站和其他場(chǎng)合，為開關(guān)分合閘、二次回路中的儀器儀表、繼電保護(hù)和故障照明設(shè)備等供電[1]。電力系統(tǒng)直流操作電源電壓等級(jí)主要為220V和110V。由于其工作的重要性，操作電源需實(shí)現(xiàn)不間斷供電。傳統(tǒng)的操作電源在直流母線上并接串聯(lián)的蓄電池組[2]。正常情況下由電池充電單元對(duì)蓄電池進(jìn)行充電并向負(fù)載供電，當(dāng)負(fù)載較大，如斷路器分合閘過程中出現(xiàn)電流沖擊時(shí)，充電單元和蓄電池共同提供負(fù)載電流；當(dāng)電網(wǎng)交流電中斷時(shí)，蓄電池組單獨(dú)為重要用電設(shè)備提供電能。為實(shí)現(xiàn)電力操作電源的不間斷供電，保證供電的可靠性和供電質(zhì)量，傳統(tǒng)的直流操作電源主要由以下部件構(gòu)成：交流配電單元、充電模塊單元、降壓硅鏈、直流饋電單元和監(jiān)控單元等。為對(duì)蓄電池進(jìn)行監(jiān)控和維護(hù)，系統(tǒng)中通常還要配置蓄電池監(jiān)測(cè)單元、電池容量檢測(cè)單元等設(shè)備。上述結(jié)構(gòu)的電力操作電源已得到廣泛應(yīng)用，十分成熟和可靠[3]。但該系統(tǒng)仍然存在以下局限：（1）以220V電池組為例，其滿充時(shí)電壓會(huì)達(dá)到270V以上，而放電時(shí)電壓可能低至180V以下，因此操作母線的電壓變化范圍寬，通常還需要采用降壓裝置在電網(wǎng)供電時(shí)將母線的輸出電壓調(diào)整到二次設(shè)備允許的工作范圍內(nèi)，這不僅使得系統(tǒng)更加復(fù)雜，而且增加了能耗，降低了系統(tǒng)可靠性；（2）需要采用大量的蓄電池單體串聯(lián)得到控制電壓等級(jí)，同樣以220V系統(tǒng)為例，需要采用18節(jié)單體12V的電池串聯(lián)，由于電池性能的離散性，落后電池影響系統(tǒng)的后備供電時(shí)間和供電可靠性，提高了蓄電池的監(jiān)控和維護(hù)要求，通常需要采用較復(fù)雜的電池監(jiān)測(cè)和容量校核等設(shè)備，且在出現(xiàn)落后電池時(shí)需要更換整組蓄電池，導(dǎo)致使用成本高[4-5]?？梢姡F(xiàn)有直流操作電源有進(jìn)一步改進(jìn)的必要[6-7]。針對(duì)當(dāng)前直流操作電源存在的問題，提出了一種基于低壓蓄電池的直流不間斷操作電源方案。本文第1節(jié)介紹了新技術(shù)方案及其特點(diǎn)，第2節(jié)介紹了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，第3節(jié)是本文的總結(jié)。

1基于低壓蓄電池的直流不間斷電源

1.1系統(tǒng)構(gòu)成

圖1是新型的基于低壓蓄電池組的電力系統(tǒng)模塊化直流不間斷電源系統(tǒng)原理示意圖?；诘蛪盒铍姵氐碾娏ο到y(tǒng)模塊化直流不間斷電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用多組低壓蓄電池組（24V或12V）作為能量存儲(chǔ)單元，每一組蓄電池連接兩個(gè)功率變換裝置，一個(gè)為在線供電及蓄電池充電的電源變換器（Sourceconverter，AC/DC變換器），一個(gè)為供電變換器（Supplyconverter，DC/DC升壓變換器）。電源變換器由功率因數(shù)校正電路和高頻隔離高壓直流/低壓直流（24V或12V，視采用的電池標(biāo)稱電壓而定）的直直變換器組成，采用蓄電池恒流限壓充電方式控制該變換器的輸出。供電變換器為一個(gè)低壓直流/高壓直流（110V或220V）的隔離直流變換器。在電網(wǎng)正常時(shí)，電源變換器可以直接將交流電網(wǎng)供電轉(zhuǎn)為供電變換器提供能源，并通過供電變換器為負(fù)載供電，該變換器同時(shí)作為蓄電池充電模塊，實(shí)現(xiàn)蓄電池的恒壓限流充電。當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，蓄電池通過供電變換器提供能量，保障電力控制系統(tǒng)正常工作。圖1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，電源變換器為單相變換器。當(dāng)工作交流電源為單相時(shí)，各個(gè)模塊交流輸入連接在一起，當(dāng)工作電源為三相時(shí)，可以將多個(gè)模塊的輸入平衡地接入各相，實(shí)現(xiàn)均衡用電。從圖1也可以看出，新結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中各個(gè)蓄電池完全是獨(dú)立的，且和輸入交流、直流輸出間都采用了高頻變壓器進(jìn)行電氣隔離，同時(shí)，在各個(gè)模塊中將電池連接開關(guān)斷開，即沒有電池的情況下，當(dāng)交流電網(wǎng)正常時(shí)，電源變換器和供電變換器串聯(lián)工作，也可為負(fù)載供電。因此，該系統(tǒng)中可以在線進(jìn)行單節(jié)蓄電池更換。

1.2特點(diǎn)分析

相比于傳統(tǒng)的電池串聯(lián)直流供電系統(tǒng)，基于低壓蓄電池組的電力系統(tǒng)模塊化直流不間斷電源系統(tǒng)具有以下突出特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)構(gòu)建靈活，容量可按需要合理配置。通常電力系統(tǒng)用單組蓄電池安時(shí)數(shù)有一定的優(yōu)選標(biāo)稱值，如100Ah、200Ah，當(dāng)串聯(lián)為高壓電池組時(shí)，電池組儲(chǔ)存的能量可能超出實(shí)際系統(tǒng)備用工作所需能量，因此會(huì)導(dǎo)致容量富裕，投資成本加大[8]，而采用新方案時(shí)，并聯(lián)組數(shù)可以根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)需要容量配置，并且在必要時(shí)可以通過增加模組數(shù)來增加容量。（2）系統(tǒng)由多個(gè)模組并聯(lián)構(gòu)成，形成并聯(lián)冗余系統(tǒng)，每個(gè)模組內(nèi)部的電源變換器和供電變換器均為模塊化結(jié)構(gòu)，且均具備故障保護(hù)和隔離功能，因此，組合系統(tǒng)的工作可靠性很高，不存在傳統(tǒng)方案中的單節(jié)蓄電池單點(diǎn)故障會(huì)出現(xiàn)的可靠性薄弱環(huán)節(jié)。（3）電源變換和供電變換均為隔離變換器，且中間為低壓蓄電池，系統(tǒng)的安全性高。（4）系統(tǒng)供電電壓不受電池放電影響，基本穩(wěn)定在220V（由于供電變換器采用下垂控制進(jìn)行并聯(lián)，從空載到滿載母線電壓值略有變化），母線電壓穩(wěn)定性好，精度高于傳統(tǒng)的并聯(lián)高壓蓄電池系統(tǒng)。（5）電源變換器采用了單相輸入功率因數(shù)校正，功率因數(shù)高，對(duì)交流電源的影響很小。（6）可通過監(jiān)控單元設(shè)置某一個(gè)模組進(jìn)入放電工作狀態(tài)來在線校核該模組所連接的蓄電池的狀態(tài)和容量，進(jìn)而可視情在線更換落后電池，因此維護(hù)簡便，使用成本低，并且模組中的變換器完全替代了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的電池巡檢設(shè)備，一方面簡化了系統(tǒng)構(gòu)成，另一方面也降低了系統(tǒng)成本。（7）新系統(tǒng)中的每個(gè)功率變換單元都采用CAN總線進(jìn)行通信，且系統(tǒng)中設(shè)置了總體的監(jiān)控單元，從而構(gòu)成完善的操作電源監(jiān)控系統(tǒng)，并可接入上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行集中控制。（8）新系統(tǒng)無須降壓硅堆，電網(wǎng)正常時(shí)運(yùn)行效率較高。

2樣機(jī)研制與實(shí)驗(yàn)情況

為了驗(yàn)證基于低壓蓄電池的直流操作電源（直流屏）的可行性和技術(shù)特點(diǎn)，研制了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

2.1樣機(jī)的技術(shù)參數(shù)

基于低壓蓄電池組的電力系統(tǒng)模塊化直流不間斷電源系統(tǒng)（直流屏）樣機(jī)包括3個(gè)模塊箱、6組蓄電池組和1套綜合控制系統(tǒng)。系統(tǒng)和各組成部分的主要參數(shù)如下：

2.1.1電氣參數(shù)2.1.1.1直流屏整機(jī)（1）輸入電壓：176～264V/50Hz，單相或300～460V/50Hz三相四線；（2）輸出電壓：230+2-0V（空載）；（3）滿載輸出電壓：≮220V；（4）額定電流：40A；（5）最大電流：限流輸出，限定電流不大于50A；（6）后備容量：60Ah。2.1.1.2電源模塊箱（1）模塊輸入電壓：176～264V/50Hz，單相；（2）模塊輸入功率因數(shù)＞0.99（滿載）；（3）輸出電壓：230+2-0V（空載）；（4）模塊額定功率：1.5kW×2；（5）空載至滿載輸出電壓下垂≯10V，滿足輸出并聯(lián)要求。2.1.1.3蓄電池（1）單組蓄電池額定電壓、容量：24V（或12V×2）/100Ah；（2）單組蓄電池浮充電壓：（26.9±0.1）V；（3）蓄電池最大恒流充電電流：（15±0.2）A。2.1.1.4系統(tǒng)監(jiān)控與操作（1）具備交流輸入過壓、直流輸出過壓、過流等保護(hù)；（2）通過CAN2.0B通信協(xié)議進(jìn)行指令接收與狀態(tài)發(fā)送；（3）可進(jìn)行多系統(tǒng)（屏柜）并聯(lián)，可并聯(lián)數(shù)不小于5組；（4）采用觸摸式液晶屏，可監(jiān)控和設(shè)定各模塊的工作狀態(tài)、工作參數(shù)；（5）可通過設(shè)定單組模塊輸出校核各蓄電池容量。

2.1.2外形尺寸、重量及安裝方式電源模塊箱采用19英寸2U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，直流屏整機(jī)為置地式，采用標(biāo)準(zhǔn)的電力二次設(shè)備柜。

2.2實(shí)驗(yàn)樣機(jī)簡介

直流屏實(shí)驗(yàn)樣機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖2所示。在直流屏整機(jī)前面設(shè)有顯示及觸控屏、各種指示燈、開關(guān)、輸入/輸出接口等元部件，主要包括：（1）電源指示燈：顯控單元供電時(shí)點(diǎn)亮。（2）運(yùn)行指示燈：輸出接觸器閉合時(shí)點(diǎn)亮。（3）故障指示燈：設(shè)備故障時(shí)點(diǎn)亮。（4）顯示及觸控屏：顯示設(shè)備整體及部件的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀況，設(shè)置設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)。（5）急停開關(guān)：應(yīng)急開關(guān)，緊急停機(jī)時(shí)按下斷開直流屏的輸出與輸入接觸器。（6）顯控單元供電開關(guān)：控制顯控單元供電，斷開時(shí)顯控單元黑屏但不影響系統(tǒng)工作。（7）電池連接開關(guān)：該開關(guān)閉合時(shí)，電池作為后備電源接入；在有交流輸入時(shí)，斷開該開關(guān)不影響電源模塊正常輸出；在該開關(guān)斷開時(shí)，可在線更換電池。（8）電源模塊箱輸入開關(guān)：控制單個(gè)電源模塊箱的輸入供電。（9）電源模塊箱輸出開關(guān)：控制各電源模塊箱的輸出，在該開關(guān)斷開且電源模塊箱輸入開關(guān)斷開時(shí)，可在線更換電源模塊箱。

2.3典型運(yùn)行界面

樣機(jī)設(shè)計(jì)了模塊化的運(yùn)行軟件，采用簡潔、直觀的操作與顯示界面，圖3是系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的顯示主界面，直觀地表現(xiàn)出了直流屏中3個(gè)電源模塊箱及對(duì)應(yīng)的6節(jié)蓄電池的運(yùn)行數(shù)據(jù)。研制的樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室接模擬負(fù)載進(jìn)行了持續(xù)性測(cè)試。自2020年12月8日投運(yùn)以來，至今運(yùn)行可靠，器件反復(fù)進(jìn)行了交流停電、電池開關(guān)投切、模塊箱投切、電池循環(huán)充放電、加減載等隨機(jī)操作，系統(tǒng)輸出持續(xù)穩(wěn)定，充分說明了基于低壓蓄電池的操作電源方案的可行性及可靠性。

3結(jié)語

本文介紹了一種基于低壓蓄電池的電力系統(tǒng)操作電源方案，相比于傳統(tǒng)的串聯(lián)蓄電池直流屏，新系統(tǒng)具有模塊化程度高、可靠性高、容量配置靈活、使用維護(hù)方便及使用成本低等優(yōu)勢(shì)。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性和系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)?？傮w而言，基于低壓蓄電池的直流屏具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。尋求實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景試用以及在嚴(yán)謹(jǐn)試驗(yàn)測(cè)試基礎(chǔ)上進(jìn)行技術(shù)鑒定，進(jìn)而進(jìn)行推廣應(yīng)用將是下一步工作的重點(diǎn)。

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作者：王震宇 楊潤來 單位：國網(wǎng)東臺(tái)市供電公司