一種基于蓄電池組自動(dòng)核容的新型直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

邱育義，李 歐

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)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(dāng)交流供電端出現(xiàn)事故導(dǎo)致交流斷電時(shí)，蓄電池組將充當(dāng)功率輸出端，保證直流母線上用電設(shè)備正常工作，避免造成事故影響的擴(kuò)大化。因此，蓄電池組的可靠運(yùn)行是電力系統(tǒng)可靠運(yùn)行的一道重要保障。為了保證蓄電池組能長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，需要定期對(duì)蓄電池組進(jìn)行維護(hù)。蓄電池組正常處于浮充電狀態(tài)，長(zhǎng)期浮充電將造成極板硫化、失水等，導(dǎo)致性能下降。蓄電池核容試驗(yàn)是判斷蓄電池性能最準(zhǔn)確、最權(quán)威的方法[1-5]。

傳統(tǒng)的變電站蓄電組核容試驗(yàn)裝置及模式不僅存在耗時(shí)長(zhǎng)、人工成本高、過(guò)程繁瑣及試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄質(zhì)量可控性差的不足，更存在報(bào)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(shè)計(jì)了一套變電站直流電源蓄電池組自動(dòng)核容系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)研制了一種新型直流系統(tǒng)構(gòu)架，可有效提高直流電源系統(tǒng)供電的可靠性。

1 現(xiàn)有變電站直流系統(tǒng)研究

當(dāng)前變電站直流系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示[9]。其中，系統(tǒng)配置2組蓄電池，分為兩段直流母線，通過(guò)母聯(lián)開(kāi)關(guān)K0互為備用。

圖1 傳統(tǒng)變電站直流系統(tǒng)構(gòu)架圖

根據(jù)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，該直流系統(tǒng)存在以下缺點(diǎn)。

（1）當(dāng)交流電網(wǎng)和其中一組蓄電池同時(shí)故障，由于母聯(lián)開(kāi)關(guān)K0需要手動(dòng)操作合閘，在K0閉合前，故障的蓄電池組所對(duì)應(yīng)的直流母線將會(huì)失電，從而造成該直流母線上的系統(tǒng)設(shè)備掉電。變電站的繼電保護(hù)設(shè)備一旦失電，再次上電后需要10 min以上才能恢復(fù)正常的保護(hù)功能，因此該直流系統(tǒng)存在一定安全隱患。

（2）目前，蓄電池維護(hù)方法是定期使用蓄電池放電儀放電，放電過(guò)程中，通過(guò)電池巡檢儀計(jì)算蓄電池組的容量并根據(jù)各單節(jié)電池端電壓的一致性判斷蓄電池組的優(yōu)劣[10]。這種維護(hù)方法在維護(hù)時(shí)首先閉合K0，然后斷開(kāi)被維護(hù)蓄電池組的輸出開(kāi)關(guān)（K2或K5），閉合被維護(hù)蓄電池組的放電開(kāi)關(guān)（K3或K4）。所有的開(kāi)關(guān)操作需要現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作，維護(hù)過(guò)程中需要專業(yè)人員全程跟蹤，每組蓄電池維護(hù)一次的時(shí)間約為10～20 h，電力系統(tǒng)中使用的蓄電池組數(shù)量龐大，人力成本很高。

2 新型直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本文設(shè)計(jì)了一種基于蓄電池組自動(dòng)核容的新型直流系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)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(shí)實(shí)現(xiàn)兩段直流母線的互為備用功能和蓄電池組自動(dòng)核容功能。

圖2 一種基于蓄電池組自動(dòng)核容的新型直流系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 蓄電池組自動(dòng)核容功能

本文以某220 V直流電源系統(tǒng)為例，詳述圖2所示蓄電池組自動(dòng)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(tǒng)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(kāi)關(guān)處于C位，有源逆變模塊處于關(guān)機(jī)狀態(tài)，母聯(lián)開(kāi)關(guān)處于斷開(kāi)狀態(tài)。其對(duì)蓄電池組Ⅰ進(jìn)行自動(dòng)核容的流程如圖3所示。

圖3 蓄電池組I自動(dòng)核容流程圖

由圖3可知，蓄電池組自動(dòng)核容主要包括以下4個(gè)步驟。

S1：蓄電池組的核容周期nT在系統(tǒng)監(jiān)控器中事先預(yù)設(shè)，到期自動(dòng)啟動(dòng)。

S2：當(dāng)蓄電池組Ⅰ自動(dòng)核容周期到時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)控器下發(fā)指令對(duì)雙向DC/DC模塊進(jìn)行自檢。調(diào)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(shí)間t1。若t1內(nèi)，若雙向DC/DC模塊自動(dòng)轉(zhuǎn)換為輸出狀態(tài)，并且能為直流母線Ⅰ供電，則雙向DC/DC模塊自檢通過(guò)；否則自檢失敗，UDC/DC1將被調(diào)整為200 V，發(fā)出告警信號(hào)，蓄電池組不再進(jìn)行核容放電下一個(gè)流程。

S3：雙向DC/DC模塊自檢通過(guò)之后，系統(tǒng)監(jiān)控器通過(guò)對(duì)充電機(jī)，雙向DC/DC模塊，控制開(kāi)關(guān)和有源逆變模塊的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)被維護(hù)蓄電池組的均衡充電和恒流放電。

系統(tǒng)監(jiān)控器將控制充電機(jī)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(shè)取193.5 V。UCI、UDC/DC1設(shè)置完成后，系統(tǒng)監(jiān)控器將放電控制開(kāi)關(guān)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(shí)設(shè)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(dòng)有源逆變模塊，使蓄電池組Ⅰ通過(guò)有源逆變模塊向交流電網(wǎng)以20 A恒流放電。

S4：當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)控器檢測(cè)到蓄電池組Ⅰ的端電壓UXI小于等于放電終止電壓Uset時(shí)，系統(tǒng)監(jiān)控器關(guān)閉有源逆變模塊，并操作控制開(kāi)關(guān)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(kāi)連接，同時(shí)系統(tǒng)監(jiān)控器將計(jì)算出蓄電池組Ⅰ的容量。然后系統(tǒng)監(jiān)控器控制充電機(jī)Ⅰ的輸出電壓為均充電壓242 V，為蓄電池組Ⅰ進(jìn)行均衡充電。均衡充電結(jié)束后，系統(tǒng)監(jiān)控器控制充電機(jī)Ⅰ的輸出電壓為浮充電壓230 V，使蓄電池組Ⅰ進(jìn)入浮充電狀態(tài)，并控制雙向DC/DC模塊的第一直流端口的輸出電壓恢復(fù)到200 V，至此蓄電池組Ⅰ的在線維護(hù)過(guò)程結(jié)束。

2.2 雙向DC/DC模塊智能后備功能

蓄電池組的放電維護(hù)過(guò)程中，若發(fā)生蓄電池組狀態(tài)異常導(dǎo)致母線電壓低于UDC/DC1，雙向DC/DC智能模塊將自動(dòng)投入，即使同時(shí)發(fā)生交流電源失電，仍能保證直流母線的連續(xù)供電。

以蓄電池組Ⅰ自動(dòng)維護(hù)過(guò)程為例，此時(shí)充電機(jī)輸出電壓UCI和雙向DCD端口1的輸出電壓均設(shè)定為193.5 V。若在蓄電池組Ⅰ自動(dòng)核容放電的過(guò)程中，蓄電池組Ⅰ和交流電網(wǎng)同時(shí)發(fā)生故障，直流母線Ⅰ的電壓將下降，當(dāng)其下降到193.5 V時(shí)，雙向DC/DC模塊將自動(dòng)將第一直流端口設(shè)置為輸出狀態(tài)，第二直流端口設(shè)置為輸入狀態(tài)，直流母線Ⅱ?qū)⑼ㄟ^(guò)雙向DC/DC模塊自動(dòng)為直流母線Ⅰ供電，保證直流母線Ⅰ供電的連續(xù)性。當(dāng)直流母線Ⅰ的電壓恢復(fù)正常后，雙向DC/DC模塊將自動(dòng)恢復(fù)原備用狀態(tài)，直流系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

3 結(jié) 論

總結(jié)了現(xiàn)有直流系統(tǒng)系統(tǒng)在工程應(yīng)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(yè)人員手動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)操作，存在較大的安全隱患，且人工成本高，過(guò)程繁瑣，大大降低了直流電源系統(tǒng)的供電可靠性。

提出了一種基于蓄電池組自動(dòng)核容的新型直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這種新型的直流系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池自動(dòng)核容維護(hù)策略，大幅度減少人力成本，且充電機(jī)和智能母聯(lián)裝置都處在實(shí)時(shí)熱備狀態(tài)，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(guò)程中直流母線供電的可靠性。