多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)研究與應(yīng)用

高 鋒 劉文平 李新海 梁建龍 楊 婷 何欣欣

（1.南方電網(wǎng)廣東中山供電局 2.廣東信通通信有限公司）

0 引言

配網(wǎng)環(huán)網(wǎng)電房直流電源系統(tǒng)為配網(wǎng)保護、控制、信號、自動裝置、斷路器的操作等設(shè)備提供直流工作電源，是確保配網(wǎng)設(shè)備安全可靠的重要環(huán)節(jié)[1-2]。目前配網(wǎng)DC 48V/24V 直流電源系統(tǒng)的蓄電池組由多節(jié)單體電池串聯(lián)組成，這種設(shè)計方式為串聯(lián)直流電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)存在單只蓄電池故障會影響整組電池輸出、新舊電池不能混合使用、無法在線核容、不能在線更換電池、蓄電池組冗余配置、投資成本高等問題[3-5]。

近年來，國內(nèi)外對直流電源系統(tǒng)開展了相應(yīng)的研究，文獻[6]從均流的原理及特性上設(shè)計了一種數(shù)字控制均流技術(shù)，實現(xiàn)了蓄電池故障檢測、故障信息顯示等功能，提高了直流電源系統(tǒng)的可靠性。文獻[7]在變電站通信電源系統(tǒng)中應(yīng)用并聯(lián)直流電源技術(shù)，實現(xiàn)了蓄電池在線核容、單體電池參數(shù)調(diào)節(jié)等功能。文獻[8]設(shè)計了一種并聯(lián)直流電源系統(tǒng)，實現(xiàn)了蓄電池遠程在線核容及全參數(shù)在線監(jiān)測功能。文獻[9]設(shè)計了并聯(lián)型直流電源屏替換實施方案，極大提高了直流系統(tǒng)可靠性。針對多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域尚無現(xiàn)有相關(guān)文獻研究。

為了解決上述問題，本文集成應(yīng)用并聯(lián)直流電源技術(shù)、多模塊均流技術(shù)、在線核容技術(shù)、蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)，提出并研制了多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)，實現(xiàn)了多套直流電源模塊組合并聯(lián)為配網(wǎng)自動化及保護設(shè)備提供直流工作電源的功能，在不增加蓄電池數(shù)量的前提下，提高了直流電源系統(tǒng)供電可靠性，確保任一并聯(lián)電源模塊的蓄電池模組發(fā)生劣化或開路故障時不影響配網(wǎng)環(huán)網(wǎng)電房直流系統(tǒng)供電可靠性，可有效防止配網(wǎng)自動化開關(guān)拒動，從而提高配網(wǎng)系統(tǒng)供電可靠性。此外該系統(tǒng)還實現(xiàn)可在線更換蓄電池、可新舊蓄電池混用、可任意擴容、可自動在線核容的功能，提升了配網(wǎng)環(huán)網(wǎng)電房直流系統(tǒng)蓄電池組運維技術(shù)水平。

1 多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)主要由直流監(jiān)控裝置、絕緣監(jiān)察裝置、并聯(lián)電源變換模塊、蓄電池、通信設(shè)備等部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1 所示。

圖1 多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

單套并聯(lián)電源模塊由控制模塊、整流模塊（AC/DC）、充電模塊（DC/DC）、放電模塊（DC/DC）、蓄電池模塊組成。單個蓄電池模塊由4 只12V 或2 只12V 電池串聯(lián)組成，整流模塊（AC/DC）將輸入的交流電源變換為直流電源，為并聯(lián)電源模塊的控制模塊、充電模塊（DC/DC）提供工作電源；控制模塊可控制充電模塊（DC/DC）、放電模塊（DC/DC）對蓄電池進行充放電，通過放電模塊（DC/DC）為直流母線提供電源，可實現(xiàn)蓄電池在線核容；交流電源可通過整流模塊（AC/DC）直接為直流母線提供電源；多套并聯(lián)電源變換模塊并聯(lián)于直流系統(tǒng)中，即可構(gòu)成并聯(lián)直流電源裝置，為直流母線提供了帶冗余備用的直流電源。

監(jiān)控裝置采集各并聯(lián)電源模塊電壓、蓄電池內(nèi)阻、溫度等數(shù)據(jù)，控制各并聯(lián)電源模塊實現(xiàn)均壓、均流的功能，并對并聯(lián)電源模塊、蓄電池隱患進行智能分析、診斷、預警。通過該裝置可查詢蓄電池巡檢信息、系統(tǒng)信息、交流信息、歷史信息、告警記錄。

絕緣監(jiān)察裝置監(jiān)測直流系統(tǒng)母線、饋線直流的絕緣狀況并預警故障，將相關(guān)信息顯示在監(jiān)控裝置監(jiān)控界面[10]。

1.2 功能設(shè)計

多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)實現(xiàn)可在線更換蓄電池、可新舊蓄電池混用、可任意擴容、可自動在線核容的功能，其主要功能如下：

1）提高蓄電池供電可靠性。該系統(tǒng)由多套并聯(lián)電源模塊并聯(lián)供電，為直流母線提供了帶冗余備用的直流電源，任一并聯(lián)電源模塊故障退運均不影響其余并聯(lián)電源模塊為直流母線供電。

2）保障直流系統(tǒng)均衡供電。該系統(tǒng)設(shè)計采用均壓、均流技術(shù)，直流監(jiān)控管理模塊采集各并聯(lián)電源模塊電壓、電流等數(shù)據(jù)，控制各并聯(lián)電源模塊實現(xiàn)均壓、均流的功能，確保各并聯(lián)電源模塊出力均衡。

3）提升直流系統(tǒng)運維技術(shù)水平。該系統(tǒng)可實現(xiàn)在線更換蓄電池、任意擴容并聯(lián)電源模塊、自動在線核容等功能，大幅提升了直流系統(tǒng)維護運維技術(shù)水平及人機功效。

4）提高蓄電池使用效率。該系統(tǒng)每套并聯(lián)電源模塊獨立配置1 套蓄電池模組，故不同并聯(lián)電源模塊可配置不同的蓄電池模組，即不同并聯(lián)電源模塊可實現(xiàn)新舊蓄電池、多品牌蓄電池混用等功能。針對不同廠家的在運蓄電池，僅需準備單一品牌的蓄電池備品即可滿足應(yīng)急消缺的需求，降低了蓄電池備品種類及數(shù)量，提高了蓄電池使用效率。

2 多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 并聯(lián)直流電源技術(shù)

串聯(lián)直流電源系統(tǒng)中單個蓄電池故障會造成整組電池輸出異常，新舊電池、不同品牌電池不能混用，蓄電池技術(shù)參數(shù)必須保持一致，蓄電池組不能實現(xiàn)在線核容、在線更換新電池、單體電池狀態(tài)監(jiān)測，蓄電池應(yīng)至少配置兩組、集中布置、防燃爆處理成本高，如圖2 所示。并聯(lián)直流電源系統(tǒng)通過多蓄電池模組電源模塊并聯(lián)，可實現(xiàn)在線更換蓄電池、新舊蓄電池混用、任意擴容、自動在線核容的功能，并聯(lián)型與串聯(lián)型直流電源對比如下表所示。

表 并聯(lián)型與串聯(lián)型直流電源對比

圖2 串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)

多蓄電池模組并聯(lián)直流電源由若干單個并聯(lián)電源模塊并聯(lián)組成，單個并聯(lián)電源模塊由若干蓄電池串聯(lián)，并聯(lián)電源模塊根據(jù)直流電源充放電特點，采用電力電子技術(shù)，設(shè)置直流電源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)參數(shù)，采用高性能控制算法，實現(xiàn)蓄電池充放電均衡控制，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。將多個電源模塊并聯(lián)于直流電源系統(tǒng)中，輔以通信設(shè)備，可構(gòu)成并聯(lián)直流電源系統(tǒng)。

圖3 單個并聯(lián)電源模塊

2.2 多模塊均流技術(shù)

并聯(lián)直流電源系統(tǒng)采用多模塊均流技術(shù)，通過數(shù)字均流法實現(xiàn)各并聯(lián)電池模塊的負載電流相等，利用數(shù)字化控制技術(shù)，改變各并聯(lián)電池模塊的輸出電壓來改變輸出電流，調(diào)整至輸出電流相等，即可實現(xiàn)負荷電流均分，如圖4 所示。

圖4 并聯(lián)直流電源系統(tǒng)數(shù)字均流通信

多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)采用多模塊均流技術(shù)，通過局域網(wǎng)總線采集電流信號，通過控制算法實現(xiàn)均流，如圖5 所示。系統(tǒng)實時采集各并聯(lián)電池模塊的電流值，并與電流平均值進行對比，將實時電流值與電流平均值之差輸出至均流環(huán)，對均流環(huán)的給定量進行比例校正；在模塊的濾波電感中將均流環(huán)和電壓環(huán)經(jīng)過PI 控制后的輸出和電流的平均值一起看作是輸出電流環(huán)的總輸入；再利用均流環(huán)調(diào)節(jié)PI 的作用，對PWM 的占空比進行進一步的調(diào)節(jié)，使之達到均流目。

圖5 并聯(lián)直流電源系統(tǒng)均流設(shè)計原理

多模塊均流技術(shù)實現(xiàn)各并聯(lián)電池模塊輸出電流相等。該方法對系統(tǒng)負載的控制容易，具有很好的兼容性，可靠性高，監(jiān)控裝置可控制多個并聯(lián)電池模塊，均流效果好。

2.3 在線核容技術(shù)

多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)在交流電源不停電情況下，按監(jiān)控裝置設(shè)置的時間值向并聯(lián)電池模塊下發(fā)指令；并聯(lián)電池模塊在接收指令后，隔斷交流電源，退出負載均流功能，啟動放電DC/DC 電路，對蓄電池進行放電，在蓄電池滿容量的狀態(tài)下，調(diào)節(jié)單只12V蓄電池以0.1C10倍率放電；蓄電池放電至設(shè)定下限電壓值（10.8V）時停止放電，按下式計算出放電容量。

式中，C為蓄電池容量，Ah；If為放電電流，A；tf為放電時間，h。

2.4 蓄電池在線監(jiān)測技術(shù)

多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)中并聯(lián)電池模塊對48V/24V 蓄電池組實施一一對應(yīng)精細化管理，實時監(jiān)測直流電源系統(tǒng)情況，如電池充放電狀態(tài)、環(huán)境溫度管理、容量計算、絕緣監(jiān)測、告警值設(shè)置、通信監(jiān)視等，并按照充放電過程中的電流、電壓值計算出蓄電池的內(nèi)阻，在監(jiān)測到單體電池內(nèi)阻過大時，立即切斷對應(yīng)并聯(lián)電池模塊與直流母線的連接，完成對蓄電池各項技術(shù)參數(shù)在線監(jiān)測工作，如圖6 所示。

圖6 運行狀態(tài)界面

3 應(yīng)用實例

本文研制的多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)在調(diào)試穩(wěn)定后，在中山供電局某供電分局配網(wǎng)環(huán)網(wǎng)電房直流系統(tǒng)進行試運行，經(jīng)過兩個月正常運行，跟蹤蓄電池運行數(shù)據(jù)，驗證了該系統(tǒng)的有效性，監(jiān)控裝置系統(tǒng)控制界面如圖7 所示。多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)由監(jiān)控界面、控制器、采集單元、并聯(lián)電池模塊等組成。該系統(tǒng)可監(jiān)測交流電壓、母線電壓、母線電流、蓄電池組電壓、單體電池電壓、母線絕緣數(shù)據(jù)、電池環(huán)境溫度、開關(guān)狀態(tài)量與負荷支路漏電流，并具有故障預警、告警功能。通過對數(shù)據(jù)的采集、運算及處理，實時進行信息查看、參數(shù)設(shè)置、異常預警等功能。

圖7 監(jiān)控裝置系統(tǒng)控制界面

4 結(jié)束語

本文在分析傳統(tǒng)配網(wǎng)環(huán)網(wǎng)電房的串聯(lián)直流電源系統(tǒng)運行問題的基礎(chǔ)上，提出了多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)。在不增加蓄電池數(shù)量的情況下增加了蓄電池模組供電冗余度，任一并聯(lián)電源模塊的蓄電池模組發(fā)生劣化或開路故障時均不影響配網(wǎng)環(huán)網(wǎng)電房直流系統(tǒng)可靠供電，可有效防止配網(wǎng)自動化開關(guān)拒動，提高配網(wǎng)系統(tǒng)供電可靠性，降低系統(tǒng)運維成本。

配電網(wǎng)直流電源系統(tǒng)隨著智能配電網(wǎng)的快速發(fā)展，對電源的安全性、可靠性和適應(yīng)能力要求日益提高。多蓄電池模組并聯(lián)直流電源系統(tǒng)可為配網(wǎng)直流電源系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用改造提供技術(shù)方案，具有較好的應(yīng)用價值。