10kV環(huán)網(wǎng)柜控制器綜合能源供電裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

國網(wǎng)福建省電力有限公司漳州供電公司 陳少偉 盧鎮(zhèn)江 沈淵彬 莊淑禎 謝鑫達(dá)

1 引言

環(huán)網(wǎng)柜被廣泛應(yīng)用于大型商場、高層建筑、工廠小區(qū)等變電、配電站中[1]。環(huán)網(wǎng)柜的工作狀態(tài)對整個電力系統(tǒng)有重大影響，因此確保環(huán)網(wǎng)柜正常工作是非常必要的。控制器作為環(huán)網(wǎng)柜中的一個關(guān)鍵設(shè)備，若出現(xiàn)斷電，環(huán)網(wǎng)柜將無法進(jìn)行遙測、遙信、遙控工作，電力系統(tǒng)也將出現(xiàn)較大安全隱患。基于此，設(shè)計(jì)一種由光伏組件和蓄電池組配合供電、DC/DC轉(zhuǎn)換器升壓穩(wěn)壓的綜合能源供電裝置，可以保障環(huán)網(wǎng)柜正常工作和電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 10kV 環(huán)網(wǎng)柜控制器綜合能源供電裝置的設(shè)計(jì)背景

10kV環(huán)網(wǎng)柜是一種常用環(huán)網(wǎng)柜，其內(nèi)部控制器供電電源主要是PT 一次側(cè)交流電整流后的直流電源[2]。應(yīng)用PT 二次側(cè)直流供電的方式雖然能夠使10kV環(huán)網(wǎng)柜中的控制器和蓄電池獲得電能，但在實(shí)際運(yùn)行過程中，二次側(cè)熔絲時常因電流過大而出現(xiàn)燒毀，導(dǎo)致控制器失去供電電源。盡管由蓄電池為其供電，但供電時間一般不會超半個小時。熔絲燒毀后，更換的代價(jià)較大，需要將整個環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行檢修，致使用電目標(biāo)停電，而對那些存在大支線的環(huán)網(wǎng)柜，也會因?yàn)橥ｋ娪脩暨^多導(dǎo)致無法更換熔絲。同時由于控制器斷電，環(huán)網(wǎng)柜無法正常工作，供電系統(tǒng)可能給檢修人員帶來一定的安全威脅[3]。為了解決這些問題，依托某供電公司項(xiàng)目，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種10kV環(huán)網(wǎng)柜控制器綜合能源供電裝置，對提高環(huán)網(wǎng)柜運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性及經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

3 10kV環(huán)網(wǎng)柜控制器綜合能源供電裝置的設(shè)計(jì)

3.1 供電裝置結(jié)構(gòu)

為避免PT熔斷導(dǎo)致控制器失去供電的情況，設(shè)計(jì)一種采用光伏板發(fā)電和Boost 電路升壓的綜合能源供電裝置，綜合能源供電裝置設(shè)計(jì)原理如圖1所示。綜合能源供電裝置主要由光伏組件、光伏板控制器、蓄電池組、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、DC/AC 逆變器等部分組成。其中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的主要作用是升壓，將光伏組件和蓄電池組產(chǎn)生的一定波動的直流電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定輸出的直流電壓。另外，轉(zhuǎn)換器還可以實(shí)現(xiàn)最大跟蹤功率[4]。

圖1 綜合能源供電裝置設(shè)計(jì)原理

3.2 供電裝置安裝方案

光伏組件安裝如圖2所示，將光伏組件安裝在環(huán)網(wǎng)柜頂部，左右兩邊光伏板與底部成對稱三角形狀，底角為30°～45°，正對太陽光照射方向，光伏組件控制器、蓄電池組、轉(zhuǎn)換器、逆變器均安裝在環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部[5]，機(jī)柜兩側(cè)安裝排風(fēng)扇，分別位于上下兩端。此安裝方案能夠使光伏板與環(huán)網(wǎng)柜輪廓高度相契合，實(shí)現(xiàn)光伏板發(fā)電面積最大化。此外，對稱三角形結(jié)構(gòu)，能夠使光伏板牢固在環(huán)網(wǎng)柜頂部，能夠應(yīng)對臺風(fēng)、暴雨等強(qiáng)對流天氣。

圖2 光伏組件安裝

3.3 供電裝置設(shè)備選型

直流和交流負(fù)載功率，根據(jù)環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部電氣設(shè)備情況可知，除了控制器外，還安裝了加熱、排風(fēng)、照明交流用電設(shè)備。通過計(jì)算，總的交流負(fù)載功率為395W，直流負(fù)載功率為240W。

蓄電池組和DC/DC 轉(zhuǎn)換器，考慮項(xiàng)目實(shí)際情況，選擇3 個12V 的蓄電池串聯(lián)組成儲能組件。由計(jì)算直流和交流負(fù)載功率可知，當(dāng)控制器運(yùn)行24h，其他交流負(fù)載運(yùn)行7h 總的用電量為8.525kWh，應(yīng)選擇容量為236.8Ah的蓄電池。對DC/DC轉(zhuǎn)換器的選型，選擇輸入電壓36V，功率為650W，輸出電壓為48V的控制器。

光伏組件和光伏組件控制器，光伏組件控制器的選型，選擇輸入電壓36V，功率為650W，輸出電壓為48V 的控制器。根據(jù)計(jì)算得出的交流負(fù)載和直流負(fù)載功率，在對光伏組件選型時，總的功率是兩者的1.43 倍，因此光伏組件的總的功率應(yīng)為738.2。在實(shí)際電能轉(zhuǎn)化中，光伏組件的最大輸出功率為額定功率的80%，故應(yīng)該選擇4 塊250W 的光伏板，總功率為1000W。當(dāng)采用并聯(lián)方式將2 塊光伏組件連接時，能夠滿足實(shí)際的最大輸出功率800W，工作電流為8.5A，工作電壓為30V。

3.4 DC/DC轉(zhuǎn)換器電氣參數(shù)選取

DC/DC轉(zhuǎn)換器所用電路為Boost電路（升壓斬波電路），是常用的光伏系統(tǒng)發(fā)電的直流變換電路。該電路通常由電源Vin、輸入濾波電感Lf、二極管D、輸出濾波電容Cr、開關(guān)管（三極管）Q 以及電阻R 構(gòu)成。其中開關(guān)管Q 的通斷受施加在基極上的驅(qū)動信號控制，控制方式為PWM控制。

電感Lf上電流有2 種工作情況，連續(xù)和斷續(xù)，對應(yīng)的DC/DC轉(zhuǎn)換器有3種工作模式，分別是連續(xù)導(dǎo)通模式、臨界導(dǎo)通模式以及斷續(xù)模式。因綜合能源供電裝置需要保持對環(huán)網(wǎng)柜控制器的供電穩(wěn)定，因此臨界導(dǎo)通模式和斷續(xù)模式不做考慮，只對連續(xù)導(dǎo)通模式進(jìn)行分析。連續(xù)導(dǎo)通模式下電感Lf上的紋波電流ΔiL為式（1）：

式（1）中：Imax和Imin分別表示流過的最大電流和最小電流。

電感Lf上的平均電流IL為式（2）：

式（2）中：TS表示開關(guān)管Q的一個周期；iL表示周期內(nèi)流過的電流。

電感Lf的參數(shù)選取,根據(jù)伏秒平衡公式可計(jì)算得出輸出電壓Vo和輸入電壓Vin的關(guān)系為式（3）：

式（3）中：D表示PWM 控制信號高電平占空比。

輸出電流Io和輸入電流Iin的關(guān)系為式（4）：

在開關(guān)管導(dǎo)通和截止期間，電感Lf的電壓為式（5）：

假設(shè)開關(guān)管Q導(dǎo)通時間為Ton，則上式Δt=Ton=DTS，再由VL=Vin，電感電流和電壓方向關(guān)聯(lián)，可得紋波電流ΔiL為式（6）：

假設(shè)開關(guān)管Q截止時間為Toff，則式（5）中Δt=Toff=（1-D）TS，電感電壓VL=Vin-Vo，電感電流和電壓方向非關(guān)聯(lián)，可得紋波電流ΔiL為（7）：

通過以上分析可知，DC/DC轉(zhuǎn)換器工作在連續(xù)模式下電感上的紋波電流和輸入電壓Vin有關(guān)，與輸出電壓Vo無關(guān)。另外，根據(jù)Boost電路的原理特性，在連續(xù)導(dǎo)通模式下滿足式（8）：

結(jié)合式（4）和（5），代入式（8）中，可得電感Lf滿足式（9）：

式（9）中：Po表示DC/DC轉(zhuǎn)換器輸出功率。

由設(shè)備選型可知，Vo=48V，Po=650W，占空比通過:式（3）算得，D=0.25，TS取0.1ms，則電感Lf應(yīng)滿足：24.92μH。在實(shí)際設(shè)計(jì)Boost 電路時，不僅要考慮電感電流要滿足的條件，還應(yīng)考慮電感電流的紋波率η，定義紋波率η為式（10）：

結(jié)合公式（4）和（6），將其代入上式中，可得η為式（11）：

通常情況下，紋波率要滿足設(shè)定值紋波率，即η<ηL，將上式代入可得式（12）：

即電感Lf還應(yīng)滿足條件為式（13）：

取電流紋波率ηL為40%，則有式（14）：

綜上兩種情況，取電感值為130μH的磁環(huán)電感。

電容Cr的參數(shù)選取，與電感Lf的參數(shù)選取相比較，輸出濾波電容的參數(shù)選取要簡單很多，只要考慮輸出電壓的紋波率ηC即可。參考電感參數(shù)分析方法，輸出濾波電容Cr的應(yīng)滿足的條件為式（15）：

式（15）中：ηC取0.1%，將各參數(shù)代入其中，可得式（16）：

考慮實(shí)際，選取10mF/50V的高頻電解電容。

整流二極管D的參數(shù)選取，因DC/DC中開關(guān)管Q的頻率較高，選用快恢復(fù)二極管。由此可知，二極管能承受的最大電壓為48V，最大流經(jīng)電流為13.5A，電流耐壓取2倍裕量，選取的二極管最大電流應(yīng)大于27A，故選取600V/30A的快恢復(fù)二極管，能夠滿足電流的流通和截止，為負(fù)載控制器提供連續(xù)的電流。

4 10kV環(huán)網(wǎng)柜控制器綜合能源供電裝置的應(yīng)用

綜合能源供電裝置的光伏組件控制器、蓄電池組、轉(zhuǎn)換器、逆變器有序安裝在環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部。通過實(shí)際組裝，工作人員將設(shè)計(jì)的綜合能源供電裝置輸出電源轉(zhuǎn)接到原先由PT二次側(cè)供電的控制器上，并切斷原來的供電線路。經(jīng)過一周的觀察，10kV環(huán)網(wǎng)柜能夠正常進(jìn)行遙測、遙信、遙控，整個過程并無異常。與目前10kV環(huán)網(wǎng)柜控制器由PT整流供電相比，本裝置經(jīng)濟(jì)性較好、安全性能高、穩(wěn)定性強(qiáng)，較好地達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的，具有推廣價(jià)值。

5 結(jié)語

10kV環(huán)網(wǎng)柜控制器綜合能源供電裝置采用光伏組件和蓄電池組配合為控制器供電的方式，代替PT整流供電模式，主要解決PT熔絲燒毀，控制器斷電導(dǎo)致的環(huán)網(wǎng)柜無法正常工作和維修代價(jià)過大的問題。本裝置主要優(yōu)勢是光伏組件和蓄電池組能夠持續(xù)為控制器供電，并能夠在不停電的情況下對PT熔絲故障進(jìn)行處理，解決了環(huán)網(wǎng)柜因控制器斷電造成的影響。通過實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了本裝置的有效性，裝置光伏供電滿足控制器供電要求，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有一定的應(yīng)用前景。