低壓蓄電池下的電力系統(tǒng)直流操作電源

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了低壓蓄電池下的電力系統(tǒng)直流操作電源范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

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，每個供電模塊包括一臺將電網(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。現(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，最后介紹研制的系統(tǒng)樣機(jī)及實驗情況，驗證了新系統(tǒng)的可行性和優(yōu)點。

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主要為220V和110V。由于其工作的重要性，操作電源需實現(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，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，蓄電池組單獨為重要用電設(shè)備提供電能。為實現(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)測單元、電池容量檢測單元等設(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，其滿充時電壓會達(dá)到270V以上，而放電時電壓可能低至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，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)測和容量校核等設(shè)備，且在出現(xiàn)落后電池時需要更換整組蓄電池，導(dǎo)致使用成本高[4-5]?？梢?，現(xiàn)有直流操作電源有進(jìn)一步改進(jìn)的必要[6-7]。針對當(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，第2節(jié)介紹了實驗樣機(jī)及實驗結(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）作為能量存儲單元，每一組蓄電池連接兩個功率變換裝置，一個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，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，該變換器同時作為蓄電池充電模塊，實現(xiàn)蓄電池的恒壓限流充電。當(dāng)電網(wǎng)失電時，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，各個模塊交流輸入連接在一起，當(dāng)工作電源為三相時，可以將多個模塊的輸入平衡地接入各相，實現(xiàn)均衡用電。從圖1也可以看出，新結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中各個蓄電池完全是獨立的，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，在各個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，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：（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，電池組儲存的能量可能超出實際系統(tǒng)備用工作所需能量，因此會導(dǎo)致容量富裕，投資成本加大[8]，而采用新方案時，并聯(lián)組數(shù)可以根據(jù)實際系統(tǒng)需要容量配置，并且在必要時可以通過增加模組數(shù)來增加容量。（2）系統(tǒng)由多個模組并聯(lián)構(gòu)成，形成并聯(lián)冗余系統(tǒng)，每個模組內(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)蓄電池單點故障會出現(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，對交流電源的影響很小。（6）可通過監(jiān)控單元設(shè)置某一個模組進(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)正常時運行效率較高。

2樣機(jī)研制與實驗情況

為了驗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，研制了實驗樣機(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實驗樣機(jī)簡介

直流屏實驗樣機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖如圖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：顯控單元供電時點亮。（2）運行指示燈：輸出接觸器閉合時點亮。（3）故障指示燈：設(shè)備故障時點亮。（4）顯示及觸控屏：顯示設(shè)備整體及部件的各項運行數(shù)據(jù)及運行狀況，設(shè)置設(shè)備運行參數(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，電池作為后備電源接入；在有交流輸入時，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，可在線更換電池。（8）電源模塊箱輸入開關(guān)：控制單個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，可在線更換電源模塊箱。

2.3典型運行界面

樣機(jī)設(shè)計了模塊化的運行軟件，采用簡潔、直觀的操作與顯示界面，圖3是系統(tǒng)正常運行時的顯示主界面，直觀地表現(xiàn)出了直流屏中3個電源模塊箱及對應(yīng)的6節(jié)蓄電池的運行數(shù)據(jù)。研制的樣機(jī)在實驗室接模擬負(fù)載進(jìn)行了持續(xù)性測試。自2020年12月8日投運以來，至今運行可靠，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。樣機(jī)實驗驗證了該方案的可行性和系統(tǒng)優(yōu)點?？傮w而言，基于低壓蓄電池的直流屏具有很好的推廣應(yīng)用價值。尋求實際的應(yīng)用場景試用以及在嚴(yán)謹(jǐn)試驗測試基礎(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。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蘇靜.變電所操作電源二次回路設(shè)計[J].電力設(shè)備管理，2020（12）：51-54.

[2]張一荻，勞永釗，謝睿.基于超級電容器儲能的配電終端的直流電源研究[J].電子設(shè)計工程，2021，29（1）：62-67.

[3]王夢浩.天生橋一級水電站機(jī)組220V直流系統(tǒng)改造[J].廣西水利水電，2020（5）：78-80.

[4]蔣國臻，王嘉斌，王森，等.淺談直流系統(tǒng)蓄電池并聯(lián)保護(hù)器的應(yīng)用[J].電氣技術(shù)，2020，21（5）：103-106.

[5]王俊.電廠公用段母線直流屏電源優(yōu)化[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2019，18（24）：49-51.

[6]汪成.兩種現(xiàn)行直流屏供電系統(tǒng)的優(yōu)缺點分析及改進(jìn)方法[J].電工技術(shù)，2019（12）：79-80.

[7]孫中凱，李曉偉，張春峰，等.淺談直流電源系統(tǒng)設(shè)備監(jiān)造[J].電站系統(tǒng)工程，2019，35（3）：29-30.

[8]蔣葉峰.變電站直流屏蓄電池參數(shù)和容量選擇[J].中國水泥，2019（3）：105-106.

作者：王震宇 楊潤來 單位：國網(wǎng)東臺市供電公司