基于光伏取電原理的電房低壓直流供電裝置

何 悅

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州花都供電局，廣東 廣州 510800）

1 項(xiàng)目研究背景

一般配電房?jī)?nèi)除了10 kV開(kāi)關(guān)設(shè)備外，還有一些設(shè)備需要用到低壓設(shè)備，包括照明設(shè)備、防潮燈、驅(qū)鼠器、排氣扇及配電自動(dòng)化終端（Distribution Terminal Unit，DTU）等。目前，因?yàn)椴糠峙潆姺繜o(wú)低壓供電電源，成為“黑電房”，導(dǎo)致低壓設(shè)備無(wú)法正常取電，進(jìn)而出現(xiàn)夜間在電房里作業(yè)不便、電房?jī)?nèi)設(shè)備受潮易銹蝕、電房?jī)?nèi)設(shè)備因老鼠發(fā)生短路接地故障跳閘、DTU無(wú)法正常運(yùn)行采集電流電壓數(shù)據(jù)、無(wú)法進(jìn)行故障判斷及隔離等問(wèn)題[1]。雖然可以采取小型站用變或者PT柜解決一部分“黑電房”問(wèn)題，但小型站用變或者PT柜占用空間較大，部分電房不滿(mǎn)足要求。為此，急需研制一種為配電房提供低壓直流供電的裝置。

2 本發(fā)明設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 設(shè)計(jì)思路

本研究重點(diǎn)需要攻克如下問(wèn)題：配電房面積小無(wú)法運(yùn)用小型站用變或PT柜問(wèn)題；電房?jī)?nèi)DTU與其他低壓設(shè)備取電問(wèn)題；DTU遙控分合開(kāi)關(guān)需要瞬時(shí)大電流問(wèn)題；蓄電池在欠壓時(shí)大電流快速充電、接近額定電壓時(shí)小電流浮充問(wèn)題。同時(shí)，要求裝置穩(wěn)定性良好，故障率較低，能夠確保在充電電路故障或太陽(yáng)能板故障時(shí)主電池仍可運(yùn)行。根據(jù)這些要求，具體設(shè)計(jì)思路如下。

（1）在裝置中配備兩個(gè)升壓電路，采用并聯(lián)方式。當(dāng)一個(gè)升壓電路失效時(shí)，另一個(gè)升壓電路仍可以工作，保證裝置的可靠性。

（2）由輔助電池和超級(jí)電容組構(gòu)成緩沖電路，作用是在合分閘時(shí)連續(xù)多面開(kāi)關(guān)柜時(shí)提供一個(gè)平穩(wěn)控制的工作電壓及足夠分合開(kāi)關(guān)的較大電流[2]。

（3）開(kāi)機(jī)恒流充電，并限制充電電流大小，從而保護(hù)主電池組、輔助電池組及升壓電路。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析

（1）在不操作開(kāi)關(guān)時(shí)電房DTU由48 V供電，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)幾款DTU工作電流為400～600 mA。操作合分閘開(kāi)關(guān)時(shí)其工作電流較大，不同型號(hào)開(kāi)關(guān)柜差別大，電機(jī)啟動(dòng)電路瞬時(shí)電流達(dá)到近十幾安培。

（2）裝置需要提供瞬間大電流與穩(wěn)定的工作電壓。因?yàn)镈TU遙控分合開(kāi)關(guān)需要瞬時(shí)大電流，常規(guī)低壓供電裝置一般無(wú)大電流輸出，而且在合分閘時(shí)連續(xù)多面開(kāi)關(guān)柜時(shí)無(wú)法提供穩(wěn)定的工作電壓與足夠分合開(kāi)關(guān)的大電流[3]。

（3）現(xiàn)有光伏取電技術(shù)雖然解決了DTU取電問(wèn)題，但輸出功率及電流較小，僅能滿(mǎn)足DTU的遙控、遙測(cè)信號(hào)的采集計(jì)算，無(wú)法實(shí)現(xiàn)DTU的遙控功能。本裝置增設(shè)了蓄電池組及電容充放電電路，獲得較大的輸入功率，確保遙控分合閘開(kāi)關(guān)的可靠性。

（4）該裝置主要為戶(hù)外無(wú)常規(guī)低壓電源的設(shè)備供電，如DTU、照明、防潮燈以及排氣扇等。常規(guī)的DTU持續(xù)耗電約48 V/0.3 A，照明用電約為40 W，防潮燈打開(kāi)時(shí)用電約為250 W×2，排氣扇約為50 W，整個(gè)裝置必須有2倍以上的冗余功率。

（5）光伏板的使用效率為0.6～0.7，因此光伏板的容量最少應(yīng)該為裝置供電功率的1.5倍。

（6）部分電房因?yàn)榭臻g受限，無(wú)法使用小型站用變或者PT柜解決低壓供電問(wèn)題，裝置體積盡可能小。

（7）裝置二次元件多，如果有一個(gè)元件損壞，整個(gè)裝置將無(wú)法正常工作，需要設(shè)計(jì)冗余備用電路。

（8）裝置需要較多的蓄電池，但是蓄電池的使用壽命有限。為提高蓄電池以及裝置其他硬件的使用壽命，需要加強(qiáng)對(duì)蓄電池組的保護(hù)。裝置集成了多個(gè)保護(hù)電路，包括充電電流控制電路、充電電壓控制電路、過(guò)放電保護(hù)電路及開(kāi)機(jī)恒流充電保護(hù)電路等[4]。

2.3 設(shè)計(jì)原理說(shuō)明

該設(shè)備要提供穩(wěn)定工作電壓及瞬間大電流。

（1）根據(jù)主電池容量，裝置需要4塊光伏板（38 V/300 W）。

（2）設(shè)備啟動(dòng)后由電池電壓檢測(cè)電路BG1檢測(cè)到電池電壓值，在有光情況下檢測(cè)電路啟動(dòng)欠壓時(shí)大電流充電控制電路BG2或正常電壓浮充控制電路BG3，對(duì)主電池進(jìn)行從充電。檢測(cè)到電池電壓在欠壓或只有60%～70%時(shí)對(duì)電池進(jìn)行大電流充電；檢測(cè)到電池在接近電池額定電壓時(shí)對(duì)電池進(jìn)行浮充電，充電到額定電壓時(shí)轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。電池電壓由電壓顯示器U1顯示（見(jiàn)圖1）。

（3）過(guò)放電保護(hù)電路BG4時(shí)作為電池過(guò)放電關(guān)閉控制，保證太陽(yáng)能板或充電電路故障時(shí)主電池不會(huì)損壞[5]。

（4）本裝置采用BG2和BG3兩套控制電路有利于提高光伏板效率。因?yàn)镈C/DC升壓或降壓均損耗很大、容易造成設(shè)備發(fā)熱，另外還需要對(duì)發(fā)熱設(shè)備進(jìn)行降溫，白白耗掉有限的太陽(yáng)能源，因此先完成對(duì)24 V主電池組的充電，再用DC/DC升壓模塊將電壓提升至48 V，而不是直接使用DC/DC升壓模塊將36 V的光伏板輸出電壓升到48 V再輸出到48 V蓄電池組。這提高了光伏板的使用效率，避免了直接升壓造成的過(guò)高電量損耗，也避免了因電路發(fā)熱而使用散熱裝置[6]。

（5）在主電池電壓達(dá)到額定電壓時(shí)由過(guò)放電保護(hù)電路BG4供電給DC/DC升壓電路V1和升壓電路V2。由于V1、V2處于長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行狀態(tài)，該DC/DC升壓電路是DTU供電關(guān)鍵電路，因此，配置兩個(gè)電路并聯(lián)運(yùn)行。即使一個(gè)電路有故障另一個(gè)也能保證整個(gè)裝置可靠運(yùn)行。該工作電壓由電壓顯示器U2進(jìn)行顯示監(jiān)測(cè)。

（6）由升壓電路V1、V2輸出48 V電直流電源提供給DTU控制電路。因開(kāi)關(guān)柜合閘、分閘部分由48 V電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所以該電機(jī)啟動(dòng)電流較大，僅靠V1、V2提供電流難以實(shí)現(xiàn)分合閘。同時(shí)，電房?jī)?nèi)如果有多面開(kāi)關(guān)柜，多面柜分合閘操作時(shí)會(huì)使V1、V2頻繁遭受大電流沖擊，增加故障概率，從而增加運(yùn)維成本。因此，在V1、V2輸出后加入輔助電池和超級(jí)電容組組成緩沖電路，使其在合分閘時(shí)連續(xù)多面開(kāi)關(guān)柜時(shí)可以提供穩(wěn)定的工作電壓。

（7）因超級(jí)電容組漏電流較大，在極短時(shí)間內(nèi)電壓會(huì)大幅下降，因此在設(shè)備停用或儲(chǔ)存（不供電工作）時(shí)，電容電壓接近零時(shí)開(kāi)機(jī)可能會(huì)損壞備供電（輔助電池組）和V1、V2[7]。利用電壓檢測(cè)控制BG5電路對(duì)電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，設(shè)定了開(kāi)機(jī)恒流對(duì)電容組進(jìn)行恒流充電1 A左右（限制其充電電流），待充滿(mǎn)后再并入B+電路。

（8）過(guò)放電保護(hù)電路BG4出來(lái)后送電電房照明電路。用24 V低電壓直流給LED燈直接供電，減少DC/DC升壓電路損耗[8]。

3 本發(fā)明的綜合效益分析

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

本項(xiàng)發(fā)明每套裝置連安裝費(fèi)用在內(nèi)一般為1.1萬(wàn)元左右。而常規(guī)的站用變、PT柜的使用，平均一間電房的改造費(fèi)用需要25萬(wàn)元。可見(jiàn)，使用該裝置一間電房就能節(jié)省24萬(wàn)元。此外，該裝置安裝方便，不占用開(kāi)關(guān)站內(nèi)有限的柜位空間。

圖1 本設(shè)備工作原理圖

3.2 社會(huì)效益

該裝置施工安裝不用停電，極大地減少了用戶(hù)停電時(shí)間。電房改造安裝完成后，減少電房因設(shè)備銹蝕、環(huán)境潮濕帶來(lái)的設(shè)備跳閘，發(fā)生跳閘后可通過(guò)配電自動(dòng)化終端告警信息迅速判斷故障區(qū)域、對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行遙控操作，進(jìn)一步減少停電時(shí)間，從而提高供電可靠性。

3.3 安全效益

在電房?jī)?nèi)配備該裝置，可用于電房?jī)?nèi)相關(guān)設(shè)備的低壓供電，滿(mǎn)足照明設(shè)備、防潮燈、驅(qū)鼠器、排氣扇以及配電自動(dòng)化終端（DTU）的用電需求。同時(shí)，工作人員在夜間電房?jī)?nèi)作業(yè)也不用抹黑，作業(yè)安全性更有保障如改善了電房?jī)?nèi)設(shè)備受潮銹蝕情況，減少了電房?jī)?nèi)設(shè)備因老鼠發(fā)生短路接地故障跳閘事故。DTU可以正常運(yùn)行采集電流電壓數(shù)據(jù)以及其他遙信、遙測(cè)信息，發(fā)生故障時(shí)可通過(guò)主站DTU進(jìn)行遙控實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)柜的分合及故障轉(zhuǎn)電，大幅提高了設(shè)備安全運(yùn)行水平。

4 結(jié) 論

本文介紹了一款基于光伏取電原理的電房低壓直流供電裝置，可以為配電房提供安全、可靠、持續(xù)的低壓直流供電，能夠滿(mǎn)足配電房的低壓用電需求，可投入到生產(chǎn)實(shí)踐中。