一種蓄電池混聯型直流電源系統的解決方案

直流電源是變電站的控制電源，也是實現電力系統自動化的重要設備。安徽新力電氣設備有限責任公司的研究人員程正年、趙小軍、何炳愚，在2020年第9期《電氣技術》雜誌上撰文，闡述了直流電源系統的運行現狀和系統優化的必要性，重點介紹了一種將電力操作電源和通信電源融為一體、蓄電池採用混聯方式的直流電源系統解決方案。

在各類發電廠、變電站中，為控制、信號、保護、自動裝置以及某些操作執行機構供電的電源系統，通常稱為控制電源。控制電源分為兩類：①直流電源；②交流電源。直流電源由於獨立於交流動力電源系統，不受交流電源系統事故的影響，具有安全可靠、運行維護方便等特點，得到了廣泛應用。特別是對於高電壓和可靠性要求較高的電力設備，直流電源幾乎是惟一可選擇的控制電源，正因為如此，人們對直流電源十分重視。

1 直流電源系統的現狀

目前，變電站的直流電源分為電力操作電源和通信電源。通信電源一般採用48V電源系統，電力操作電源一般採用220V/110V電源系統。這兩種電源設備都是由系統監控裝置、充電裝置、串聯蓄電池組和饋電迴路4部分構成。其中，串聯電池組是由單體電壓為2V或12V的蓄電池經串接而成，作為變電站交流事故停電後直流電源系統的後備電源。

由於操作電源和通信電源通常獨立配備蓄電池，這樣就需要維護兩套直流電源設備，運維管理成本很高。特別是電力操作電源，蓄電池串聯的數量很多，更容易出現單體電池電壓不均衡的現象，進而導致有的電池長期過充電，有的電池長期過放電，嚴重影響整個蓄電池組的使用壽命。一旦某一隻電池出現故障，整個電池組就發揮不了應有的作用，甚至有時需要把整組電池更換掉，造成不必要的浪費。

為了保障直流供電的可靠性，國網公司要求定期對蓄電池做核對性放電測試，把電壓落後的電池換掉，這時就需要把電池組脫開直流母線來進行。對於110kV及以下變電站，大多只配置一組電池，電池組脫離直流母線會給電力系統的運行安全帶來巨大隱患。

由於直流系統標稱電壓為220V/110V，而蓄電池的單體電壓多為2V或12V，這就需要把大量電池串聯起來才能滿足要求。另外鉛酸蓄電池的充放電特性使得電池在充電過程中，整組電池電壓會升高，系統需要通過調壓裝置來維持直流母線電壓的穩定。電力操作電源系統典型設計方案如圖1所示。

圖1 蓄電池串聯型直流電源系統方案圖

為解決單套直流電源中因單體蓄電池異常後整組蓄電池無法帶載的問題，提及的一種並聯型直流電源由若干個並聯電池模塊的高壓輸出端並聯連接組成。其中，每個電池模塊均獨立地配置12V蓄電池；使用時，電池模塊同時接入AC 220V交流電源和12V蓄電池，當交流失電時，電池模塊將蓄電池的12V電壓提升至DC 220V/110V。

這種並聯型直流電源雖可解決因單節蓄電池損壞造成整組蓄電池功能異常的問題，卻也存在著不足之處：

①因蓄電池的數量仍與傳統的方案一樣，並未減少，而帶有智能監控和充電功能的電池模塊的數量卻需與蓄電池的數量相匹配，由於單只電池模塊的價格遠高於單節蓄電池的價格，使得整個直流電源的製造成本上升很多，不具有經濟性；

②兼有充電和升壓功能的電池模塊是一種需將12V提升到220V/110V的大功率器件，如此數量眾多的電池模塊也會給組屏安裝帶來新的難題。

近十幾年來，隨著智能一體化電源設備的推廣應用，在傳統直流屏的基礎上，配置DC/DC轉換模塊，輸出48V通信電源。但這種方案沒有改變傳統直流屏的蓄電池串聯數量，也不能改善原有設備的運行工況。隨著高壓開關的技術進步，操作電源的衝擊電流大大減小。220kV及以下變電站的常規負荷一般不會超過20A，通信電源的常規負荷也不超過30A。

目前變電站的直流電源設備配置大容量的蓄電池，不是因為負荷需要大電流，而是為了延長應急供電時間。因此，在交流正常情況下，蓄電池組是處於備用狀態，並不需要對外輸出電能。

2 方案介紹

下面重點闡述一種混聯型直流電源系統方案的優越性，系統方案如圖2所示。

基於蓄電池混聯型直流電源系統架構是在原系統架構基礎上的改進，其具有下列性能差異：

1）蓄電池採用混聯結構，即共用電池組，每組電池串聯節數大大減少，降低了設備維護成本。由於N個電池組並聯使用，即便某一組退出，也不存在電池組脫離直流母線的風險。

2）電力操作電源由變流裝置直接輸出，單只模塊的輸出功率可達2kW，可並聯擴容，滿足不同場合的需求。

圖2 蓄電池混聯型直流電源系統方案圖

3）通信電源直接來自共用電池組的輸出，不需要任何轉換，利用現有技術，線路成熟可靠，組屏方便。

4）電力操作電源不再受蓄電池充放電特性的直接影響，可以取消傳統的調壓裝置，優化了直流系統配置。

5）交流停電時，共用電池組自動輸出給變流裝置，以便把DC 48V轉換成DC 220V/110V，滿足電力操作電源的大功率需求。

6）系統監控裝置通過交流電壓傳感器來判斷交流電是否停電，並管理充電裝置和變流裝置的運行。同時，實現對電池組的自動充放電維護，延長蓄電池的使用壽命。

7）該方案不需要每組電池配置一套充電裝置，幾個電池組之間通過共用電池組內部的逆流裝置並聯運行，形成各自獨立的充放電迴路。當其中一組處於維護狀態時，不影響另一組電池的運行，大大提高電源系統的可靠性。

8）共用電池組中若有某一組電池出現故障，只需更換該組的4節或24節電池，而傳統直流屏需要換掉的電池為18節或104節，因此，更換電池的數量大大減少，這樣在一定程度上就降低了資源的浪費。

3 系統方案特點

基於上述分析，結合目前變電站直流電源系統的實際運行情況，筆者認為針對傳統直流電源系統進行優化整合是非常有意義的。現提出一種將操作電源和通信電源共用電池組的混合型直流電源系統解決辦法，該系統方案主要由監控裝置、充電裝置、變流裝置、N個串聯電池組和饋電迴路等構成。

其具有以下特點：

1）在有交流電時，電力操作電源和通信電源各自都能獨立運行。電力操作電源採用變流裝置直接整流後供給DC 220V/110V直流母線，通信電源採用充電裝置經由逆流裝置後供給-48V通信電源母線，避免從DC 220V/110V直流母線通過DC/DC二次電壓變換。在交流停電時，電力操作電源和通信電源共用蓄電池組。此時，通過逆流裝置並聯起來的蓄電池組，一方面可以經變流裝置升壓後供給電力操作電源，另一方面可以直接供電給通信電源。

2）傳統的電力操作電源DC 220V/110V的充電裝置取消，變流裝置可以取代這種充電裝置的整流功能。變流裝置可多臺並聯輸出，方便系統擴容；當有交流電輸入時，變流裝置把AC 380V轉換成穩定的DC 220V/110V；當交流失電時，則把混聯結構的電池組的DC 48V轉換成DC 220V/110V。

3）混聯結構的電池組，系統配備4節12V或24節2V的N個串聯電池組，且這些串聯電池組再以並聯方式運行。

4）充電裝置採用48V等級，充電裝置可多臺並聯輸出，方便系統擴容；經過逆流裝置將充電和放電迴路分開，一套充電裝置可以給兩組及以上蓄電池充電。

5）系統的組屏方式仍保留目前一體化電源設備的風格，盤面布置和內部安裝空間都不需要進行大的變動。與傳統的系統方案相比後期維護成本變化不大。

6）系統共用電池組後，在進行單一蓄電池組的核容性放電或檢修時，其他的電池組仍能正常運行，無需考慮交流電源突然停電帶來的風險。採用電池組混聯型接線方式，改變了蓄電池組串聯的傳統結構，解決了直流電源系統因單體蓄電池異常後整組蓄電池無法帶載的問題，極大改善了系統可靠性。可對單一的蓄電池組單獨檢修更換，提高了蓄電池利用效率。

7）正常運行時，變流裝置和充電裝置受系統監控裝置控制，在系統監控裝置故障時，也可以各自獨立運行在默認值狀態。另外，相較於獨立運行的電力操作電源系統和通信電源系統，該混合型直流電源系統中蓄電池的使用數量也明顯減少，從而大大降低了項目前期的投入成本。

4 結論

本文提出了一種採用蓄電池混聯方式的直流電源系統的思路，解決了因單體蓄電池異常後整組蓄電池無法帶載的問題。它整合了傳統的電力操作電源系統和通信電源系統，消除了蓄電池組在核容性放電或檢修過程中，遇交流突然停電導致直流電源癱瘓的風險，方便了變電站的直流電源系統的日常運行維護，從而極大地降低了直流電源系統的運維管理成本，進一步提高了直流電源系統的安全可靠性。