低壓蓄電池下的電力系統直流操作電源

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摘要：傳統的電力系統操作電源通常采用多節電池串聯組成的蓄電池組作為后備電源，技術成熟可靠，但電池的維護較為復雜，成本較高。鑒于此，提出了一種新的電力系統操作電源方案，不采用蓄電池串聯，而是由多組采用低壓蓄電池的供電模塊并聯構成，每個供電模塊包括一臺將電網交流電變換為低壓直流電的電源變換器、一只單節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。該系統具有模塊化程度高、容量配置靈活、可在線視情維護電池等優點。現首先簡要介紹傳統直流操作電源的基本要求和組成，分析其存在的問題，然后提出新的系統結構并分析其特點，最后介紹研制的系統樣機及實驗情況，驗證了新系統的可行性和優點。

關鍵詞：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中重要的電工二次設備，廣泛應用于發電廠、變電站和其他場合，為開關分合閘、二次回路中的儀器儀表、繼電保護和故障照明設備等供電[1]。電力系統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，操作電源需實現不間斷供電。傳統的操作電源在直流母線上并接串聯的蓄電池組[2]。正常情況下由電池充電單元對蓄電池進行充電并向負載供電，當負載較大，如斷路器分合閘過程中出現電流沖擊時，充電單元和蓄電池共同提供負載電流；當電網交流電中斷時，蓄電池組單獨為重要用電設備提供電能。為實現電力操作電源的不間斷供電，保證供電的可靠性和供電質量，傳統的直流操作電源主要由以下部件構成：交流配電單元、充電模塊單元、降壓硅鏈、直流饋電單元和監控單元等。為對蓄電池進行監控和維護，系統中通常還要配置蓄電池監測單元、電池容量檢測單元等設備。上述結構的電力操作電源已得到廣泛應用，十分成熟和可靠[3]。但該系統仍然存在以下局限：（1）以220V電池組為例，其滿充時電壓會達到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供電時將母線的輸出電壓調整到二次設備允許的工作范圍內，這不僅使得系統更加復雜，而且增加了能耗，降低了系統可靠性；（2）需要采用大量的蓄電池單體串聯得到控制電壓等級，同樣以220V系統為例，需要采用18節單體12V的電池串聯，由于電池性能的離散性，落后電池影響系統的后備供電時間和供電可靠性，提高了蓄電池的監控和維護要求，通常需要采用較復雜的電池監測和容量校核等設備，且在出現落后電池時需要更換整組蓄電池，導致使用成本高[4-5]。可見，現有直流操作電源有進一步改進的必要[6-7]。針對當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節介紹了新技術方案及其特點，第2節介紹了實驗樣機及實驗結果，第3節是本文的總結。

1基于低壓蓄電池的直流不間斷電源

1.1系統構成

圖1是新型的基于低壓蓄電池組的電力系統模塊化直流不間斷電源系統原理示意圖。基于低壓蓄電池的電力系統模塊化直流不間斷電源系統結構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。在電網正常時，電源變換器可以直接將交流電網供電轉為供電變換器提供能源，并通過供電變換器為負載供電，該變換器同時作為蓄電池充電模塊，實現蓄電池的恒壓限流充電。當電網失電時，蓄電池通過供電變換器提供能量，保障電力控制系統正常工作。圖1所示的系統結構中，電源變換器為單相變換器。當工作交流電源為單相時，各個模塊交流輸入連接在一起，當工作電源為三相時，可以將多個模塊的輸入平衡地接入各相，實現均衡用電。從圖1也可以看出，新結構的系統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行電氣隔離，同時，在各個模塊中將電池連接開關斷開，即沒有電池的情況下，當交流電網正常時，電源變換器和供電變換器串聯工作，也可為負載供電。因此，該系統中可以在線進行單節蓄電池更換。

1.2特點分析

相比于傳統的電池串聯直流供電系統，基于低壓蓄電池組的電力系統模塊化直流不間斷電源系統具有以下突出特點：（1）系統構建靈活，容量可按需要合理配置。通常電力系統用單組蓄電池安時數有一定的優選標稱值，如100Ah、200Ah，當串聯為高壓電池組時，電池組儲存的能量可能超出實際系統備用工作所需能量，因此會導致容量富裕，投資成本加大[8]，而采用新方案時，并聯組數可以根據實際系統需要容量配置，并且在必要時可以通過增加模組數來增加容量。（2）系統由多個模組并聯構成，形成并聯冗余系統，每個模組內部的電源變換器和供電變換器均為模塊化結構，且均具備故障保護和隔離功能，因此，組合系統的工作可靠性很高，不存在傳統方案中的單節蓄電池單點故障會出現的可靠性薄弱環節。（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，系統的安全性高。（4）系統供電電壓不受電池放電影響，基本穩定在220V（由于供電變換器采用下垂控制進行并聯，從空載到滿載母線電壓值略有變化），母線電壓穩定性好，精度高于傳統的并聯高壓蓄電池系統。（5）電源變換器采用了單相輸入功率因數校正，功率因數高，對交流電源的影響很小。（6）可通過監控單元設置某一個模組進入放電工作狀態來在線校核該模組所連接的蓄電池的狀態和容量，進而可視情在線更換落后電池，因此維護簡便，使用成本低，并且模組中的變換器完全替代了傳統系統中的電池巡檢設備，一方面簡化了系統構成，另一方面也降低了系統成本。（7）新系統中的每個功率變換單元都采用CAN總線進行通信，且系統中設置了總體的監控單元，從而構成完善的操作電源監控系統，并可接入上級監控系統進行集中控制。（8）新系統無須降壓硅堆，電網正常時運行效率較高。

2樣機研制與實驗情況

為了驗證基于低壓蓄電池的直流操作電源（直流屏）的可行性和技術特點，研制了實驗樣機。

2.1樣機的技術參數

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

2.1.1電氣參數2.1.1.1直流屏整機（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＞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系統監控與操作（1）具備交流輸入過壓、直流輸出過壓、過流等保護；（2）通過CAN2.0B通信協議進行指令接收與狀態發送；（3）可進行多系統（屏柜）并聯，可并聯數不小于5組；（4）采用觸摸式液晶屏，可監控和設定各模塊的工作狀態、工作參數；（5）可通過設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標準機箱，直流屏整機為置地式，采用標準的電力二次設備柜。

2.2實驗樣機簡介

直流屏實驗樣機整機結構示意圖和實物圖如圖2所示。在直流屏整機前面設有顯示及觸控屏、各種指示燈、開關、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：設備故障時點亮。（4）顯示及觸控屏：顯示設備整體及部件的各項運行數據及運行狀況，設置設備運行參數及狀態。（5）急停開關：應急開關，緊急停機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：控制顯控單元供電，斷開時顯控單元黑屏但不影響系統工作。（7）電池連接開關：該開關閉合時，電池作為后備電源接入；在有交流輸入時，斷開該開關不影響電源模塊正常輸出；在該開關斷開時，可在線更換電池。（8）電源模塊箱輸入開關：控制單個電源模塊箱的輸入供電。（9）電源模塊箱輸出開關：控制各電源模塊箱的輸出，在該開關斷開且電源模塊箱輸入開關斷開時，可在線更換電源模塊箱。

2.3典型運行界面

樣機設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是系統正常運行時的顯示主界面，直觀地表現出了直流屏中3個電源模塊箱及對應的6節蓄電池的運行數據。研制的樣機在實驗室接模擬負載進行了持續性測試。自2020年12月8日投運以來，至今運行可靠，器件反復進行了交流停電、電池開關投切、模塊箱投切、電池循環充放電、加減載等隨機操作，系統輸出持續穩定，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結語

本文介紹了一種基于低壓蓄電池的電力系統操作電源方案，相比于傳統的串聯蓄電池直流屏，新系統具有模塊化程度高、可靠性高、容量配置靈活、使用維護方便及使用成本低等優勢。樣機實驗驗證了該方案的可行性和系統優點。總體而言，基于低壓蓄電池的直流屏具有很好的推廣應用價值。尋求實際的應用場景試用以及在嚴謹試驗測試基礎上進行技術鑒定，進而進行推廣應用將是下一步工作的重點。

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作者：王震宇 楊潤來 單位：國網東臺市供電公司