一種基于蓄電池組自動核容的新型直流系統設計與研究

邱育義，李 歐

（廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000）

0 引 言

蓄電池組作為變電站直流備用電源，當交流供電端出現事故導致交流斷電時，蓄電池組將充當功率輸出端，保證直流母線上用電設備正常工作，避免造成事故影響的擴大化。因此，蓄電池組的可靠運行是電力系統可靠運行的一道重要保障。為了保證蓄電池組能長期可靠運行，需要定期對蓄電池組進行維護。蓄電池組正常處于浮充電狀態，長期浮充電將造成極板硫化、失水等，導致性能下降。蓄電池核容試驗是判斷蓄電池性能最準確、最權威的方法[1-5]。

傳統的變電站蓄電組核容試驗裝置及模式不僅存在耗時長、人工成本高、過程繁瑣及試驗數據記錄質量可控性差的不足，更存在報警后需要人工終止、容易造成電池二次損壞的缺陷[6-8]。鑒于此，本文設計了一套變電站直流電源蓄電池組自動核容系統，并以此為基礎研制了一種新型直流系統構架，可有效提高直流電源系統供電的可靠性。

1 現有變電站直流系統研究

當前變電站直流系統構架如圖1所示[9]。其中，系統配置2組蓄電池，分為兩段直流母線，通過母聯開關K0互為備用。

圖1 傳統變電站直流系統構架圖

根據多年的運行經驗，該直流系統存在以下缺點。

（1）當交流電網和其中一組蓄電池同時故障，由于母聯開關K0需要手動操作合閘，在K0閉合前，故障的蓄電池組所對應的直流母線將會失電，從而造成該直流母線上的系統設備掉電。變電站的繼電保護設備一旦失電，再次上電后需要10 min以上才能恢復正常的保護功能，因此該直流系統存在一定安全隱患。

（2）目前，蓄電池維護方法是定期使用蓄電池放電儀放電，放電過程中，通過電池巡檢儀計算蓄電池組的容量并根據各單節電池端電壓的一致性判斷蓄電池組的優劣[10]。這種維護方法在維護時首先閉合K0，然后斷開被維護蓄電池組的輸出開關（K2或K5），閉合被維護蓄電池組的放電開關（K3或K4）。所有的開關操作需要現場手動操作，維護過程中需要專業人員全程跟蹤，每組蓄電池維護一次的時間約為10～20 h，電力系統中使用的蓄電池組數量龐大，人力成本很高。

2 新型直流系統的設計與研究

針對現有技術的缺陷，本文設計了一種基于蓄電池組自動核容的新型直流系統，系統架構如圖2所示。其中加入了新型元件雙向DC/DC模塊和有源逆變模塊，可同時實現兩段直流母線的互為備用功能和蓄電池組自動核容功能。

圖2 一種基于蓄電池組自動核容的新型直流系統構架

2.1 蓄電池組自動核容功能

本文以某220 V直流電源系統為例，詳述圖2所示蓄電池組自動核容功能。蓄電池組Ⅰ和蓄電池組Ⅱ的配置完全一致，容量均為200 Ah，均充電壓Ue=242 V，浮充電壓Uf=230 V，放電終止電壓Uset=194.4 V，恒流放電電流Iset=20 A；直流母線Ⅰ和直流母線Ⅱ的最低工作電壓Umin=192.5 V。系統正常工作情況下，直流母線Ⅰ和直流母線Ⅱ的電壓為蓄電池組的浮充電壓UⅠ＝UⅡ＝230 V，雙向DC/DC模塊的第一直流端口和第二直流端口的電壓均為UDC/DC=200 V，放電控制開關處于C位，有源逆變模塊處于關機狀態，母聯開關處于斷開狀態。其對蓄電池組Ⅰ進行自動核容的流程如圖3所示。

圖3 蓄電池組I自動核容流程圖

由圖3可知，蓄電池組自動核容主要包括以下4個步驟。

S1：蓄電池組的核容周期nT在系統監控器中事先預設，到期自動啟動。

S2：當蓄電池組Ⅰ自動核容周期到時，系統監控器下發指令對雙向DC/DC模塊進行自檢。調整雙向DC/DC模塊的第一直流端口的輸出電壓UDC/DC1大于直流母線Ⅰ的電壓，令UDC/DC1＝232 V，并且維持時間t1。若t1內，若雙向DC/DC模塊自動轉換為輸出狀態，并且能為直流母線Ⅰ供電，則雙向DC/DC模塊自檢通過；否則自檢失敗，UDC/DC1將被調整為200 V，發出告警信號，蓄電池組不再進行核容放電下一個流程。

S3：雙向DC/DC模塊自檢通過之后，系統監控器通過對充電機，雙向DC/DC模塊，控制開關和有源逆變模塊的控制，實現對被維護蓄電池組的均衡充電和恒流放電。

系統監控器將控制充電機Ⅰ的輸出電壓UCI和雙向DC/DC模塊第一直流端口的輸出電壓UDC/DC1均大于直流母線Ⅰ的最低工作電壓Umin（192.5 V）且小于蓄電池組Ⅰ的放電終止電壓Uset（194.4 V），假設取193.5 V。UCI、UDC/DC1設置完成后，系統監控器將放電控制開關投切到A端，使蓄電池組Ⅰ與有源逆變模塊的直流端口連接，同時設置有源逆變模塊的輸入電流為蓄電池組Ⅰ的放電電流20 A，啟動有源逆變模塊，使蓄電池組Ⅰ通過有源逆變模塊向交流電網以20 A恒流放電。

S4：當系統監控器檢測到蓄電池組Ⅰ的端電壓UXI小于等于放電終止電壓Uset時，系統監控器關閉有源逆變模塊，并操作控制開關投切到C端，使得蓄電池組Ⅰ與有源逆變模塊的直流端口斷開連接，同時系統監控器將計算出蓄電池組Ⅰ的容量。然后系統監控器控制充電機Ⅰ的輸出電壓為均充電壓242 V，為蓄電池組Ⅰ進行均衡充電。均衡充電結束后，系統監控器控制充電機Ⅰ的輸出電壓為浮充電壓230 V，使蓄電池組Ⅰ進入浮充電狀態，并控制雙向DC/DC模塊的第一直流端口的輸出電壓恢復到200 V，至此蓄電池組Ⅰ的在線維護過程結束。

2.2 雙向DC/DC模塊智能后備功能

蓄電池組的放電維護過程中，若發生蓄電池組狀態異常導致母線電壓低于UDC/DC1，雙向DC/DC智能模塊將自動投入，即使同時發生交流電源失電，仍能保證直流母線的連續供電。

以蓄電池組Ⅰ自動維護過程為例，此時充電機輸出電壓UCI和雙向DCD端口1的輸出電壓均設定為193.5 V。若在蓄電池組Ⅰ自動核容放電的過程中，蓄電池組Ⅰ和交流電網同時發生故障，直流母線Ⅰ的電壓將下降，當其下降到193.5 V時，雙向DC/DC模塊將自動將第一直流端口設置為輸出狀態，第二直流端口設置為輸入狀態，直流母線Ⅱ將通過雙向DC/DC模塊自動為直流母線Ⅰ供電，保證直流母線Ⅰ供電的連續性。當直流母線Ⅰ的電壓恢復正常后，雙向DC/DC模塊將自動恢復原備用狀態，直流系統恢復正常運行。

3 結 論

總結了現有直流系統系統在工程應用中的不足，即直流母線并列和蓄電池核容放電均需要專業人員手動現場操作，存在較大的安全隱患，且人工成本高，過程繁瑣，大大降低了直流電源系統的供電可靠性。

提出了一種基于蓄電池組自動核容的新型直流系統設計。這種新型的直流系統能夠實現蓄電池自動核容維護策略，大幅度減少人力成本，且充電機和智能母聯裝置都處在實時熱備狀態，為核容蓄電池組提供在線后備電源，保障蓄電池組在核容過程中直流母線供電的可靠性。