輕便型一體化不間斷交直流電源的研制

國網山東省電力公司曲阜市供電公司 李 寧 孔 健 屈 強 韋勝強

在變電站交直流電源改造或者停電檢修時，都需要先組建一套臨時的交直流電源系統，以供保護、監控、信號系統使用，通常需要蓄電池屏、直流屏、交流屏、UPS 屏進行組建，組建這一套設備非常費時費力，所以我們結合現場實際需求，研制一款輕便型一體化不間斷交直流電源。

1 項目原理與設計

輕便式一體化不間斷交直流電源包括220V30AH 三元鋰電池組、電力直流電源模塊、電力UPS 模塊、可觸摸監控顯示屏及電池管理系統（BMS）組成的監控系統等部件，本裝置AC220V電源輸入，利用直流電源模塊對電池組進行自動智能充電，由電池組與充電機實現額定電壓DC220V不間斷直流輸出，額定輸出電流20A。由外接交流和電池組直流接入電力UPS 能實現AC220V 不間斷交流輸出，額定輸出功率5kW。

上述部分集成在尺寸：545mm×610mm×490mm（寬×高×厚）的箱體內，質量為90公斤，箱體底部設有可剎車滾輪，兩側設有4個提手。此裝置采用能量密度高的三元鋰電池組作為電源核心的設備，并借助完善的電池管理系統（BMS）實現對電池組的自動充放電控制、保護及監測，相比原來笨重的同等kWh 的鉛酸電池，將質量減少為1/10,體積減少為1/12，且能增加5倍的使用壽命。此裝置能同時實現不間斷的交流和直流輸出，兩臺高頻開關整流電源模塊與三元鋰電池組實現不間斷的直流輸出，切換時間為0S；UPS 交流電源與電池組逆變輸出共同能實現不間斷的交流輸出，切換時間為0S。本裝置將原變電站多面交直流電源屏的功能整合在一個裝置中，輕便易于搬運、安裝。

圖1 外觀圖

三元鋰電池組。其電體電芯容量5Ah，開路電壓≥4.15V（充滿電后2h 內），終止電壓2.75V，單只電池重量約95克。電池組共計60串，每串采用26650單體電池6組并合而成，電池組容量為30Ah，重量≤37kg（包括電芯、模架、緊固件、BMS 等）。電池組工作電壓范圍168V～252V，平臺電壓216V，輸出能量≥6.4kWh，最大負載電流60A（時間小于5S），正常持續工作電流≤20A，循環壽命≥500次（100%DOD 放電第500次時電池組容量大于等于初始容量的80%）。

整流模塊。采用兩個220V、10A 高頻開關電源模塊并聯使用，符合N+1標準。高頻開關整流模塊先進的LLC 諧振軟開關技術，效率高；采用APFC技術，功率因數高；散熱風扇采用溫度聯合電流控制模式，噪音低，風扇壽命長。

電力UPS。國網五通規定110kV 及以下的變電站電力UPS 配置1套即可以，所以為節省資金、質量和體積，我們選擇1臺5kVA 電力UPS 的配置方案。UPS 具有雙變換在線、零轉換功能，UPS 的直流輸入與交流（輸入和輸出）完全電氣隔離，滿足電力行業相關要求；在市電供電模式下，220V 交流經過雙BOOST 升壓為±380VDC，后級通過半橋逆變器，經LC 濾波后輸出220V 穩定交流；在市電停電時UPS 無間斷切換到電池供電，直流220V 輸入經隔離的高頻全橋變換后升壓為隔離的±380VDC，供后級逆變使用。

BMS 管理系統。采用一主兩從的BMS 管理系統。采集功能：每串電池的電壓采集，電池組總電流采集1路，溫度采集最多18路；保護功能：支持過充保護、過放保護、短路保護（采用熔斷器物理器件進行保護，在危機時刻采用器件自毀滅的形式來保證系統的安全性）、過流保護、高低溫保護；通訊：隔離485通信，主要用于與顯示屏進行通信、與充電機進行通訊。

觸摸屏顯示及功能設置。此裝置設一觸控屏實現對鋰電池組、電力用高頻開關整流模塊及電力UPS 模塊的工作狀態的集中監控，監控共分主界面、電池監控界面、逆變器監控界面、充電機監控界面、單體電池電壓監控界面、參數設置界面、用戶登錄界面七個界面，主分界面清晰，分工明確，便于操控。集中監控整個系統的各項數據及設置系統相關參數、顯示系統故障信息，同時具有整流模塊開、關機，以及整流模塊均、浮充，電池測試、均充電壓設置、浮充電壓設置、充電限流設置、電池維護均充周期設置、整流模塊限流控制功能。還顯示UPS 運行數據、系統狀態，也可以對UPS 相關參數進行設置。

充電策略。充電機后接入交流電源，BMS 上電工作自檢完成后,BMS 與充電機正常通訊則充電繼電器KT2閉合，充電機開始以20A 電流恒流充電。當單體電壓大于等于4.185V、電流小于200mA、置SOC 為100%，此時充電機繼續保持充電狀態，充電到252V 時轉為恒壓充電，當電池有過壓保護（大于252V，充電電流小于1.5A）則充電繼電器KT2斷開，停止充電，待單體電池電壓低于4.1V 時充電繼電器KT2重新閉合，電池重新進入充電狀態。在輸出的“+”回路上裝設有防止反向充電的二極管，可以保證接入系統后防止系統電壓高于鋰電池組電壓而對鋰電池組進行充電。

圖2 原理圖設計

其他配件。1路交流電源輸入與3路交流電源輸出、3路直流電源輸出采用航空插頭，且分別對應有空氣斷路器進行控制。

2 實施效果歸納及適用范圍

本裝置將原變電站多面交直流電源屏的功能整合在一個裝置中，輕便易于搬運、安裝。在變電站改造時，可以將此裝置方便快捷的接入作為交直流一體化電源使用，節省組建臨時交直流電源設備的人力物力投入。此裝置能作為變電站備用交直流電源，在變電站交流或直流系統檢修時或故障時可以暫時替代，且能方便接入。

將此裝置接入變電站直流系統替換下原鉛酸電池組，對其進行全核容放電，接入系統的此電池組必要時可以作為電源輸出，可以20A 電流持續輸出1.5小時。此裝置可多機并聯使用以增大容量滿足交直流輸出容量的需求，這樣就完美的解決了以往解決單組蓄電池配置的變電站無法對蓄電池組進行全核對性充放電的問題。

本裝置輕便、易用、高效，不但可以應用在變電站，也可以應用在配電臺區，作為臺區設備故障停電后的應急供電，它還可以用于多種保電場合以及搶險、抗災、救援領域使用，相比使用發電機供電的方式有無噪音、無污染、更便捷的優點。本裝置既可以在電力行業推廣，也可以向其他行業領域推廣使用。