一种站用直流电源系统的蓄电池组并联方法探讨.pdf

210 EPEM 2023.7 下节能减排Energy Saving一种站用直流电源系统的蓄电池组并联方法探讨国网安徽省电力有限公司庐江县供电公司 葛艳飞 国网安徽省电力有限公司合肥供电公司 汪本清安徽新力电气设备有限责任公司 汤海松 闫 龙 程正年摘要：在智能变电站建设中，直流电源装置是变电站的控制电源，也是实现电力系统自动化和保障变电站运行安全的重要装备。本文阐述了当前直流电源系统的典型接线方式和蓄电池组采取并联方式运行的优越性，着重介绍了一种站用直流电源系统，可将不同容量大小的蓄电池组采用并联方式运行的解决方法，以供参考。关键词：直流电源；蓄电池组扩容；充放电；蓄电池组并联；运维管理当前，直流电源装置具有较高的稳定性和可靠性，以及完善的智能化全自动运行功能和远程监控手段，满足电网集中调度和变电站无人值守的要求，因此在各类发电厂、变电站以及工矿企业等场所被广泛应用，在发电、输电、变电与配电的各等级变电站运行过程中，是电力二次设备不可或缺的组成部分。电力直流电源系统中的蓄电池组都是专门独立配备的，由于蓄电池是直流电源系统的储能单元，作为后备电源，目的在于当站用变故障或失电的情况下，变电站在失去站用交流电后，仍能够确保变电站的各类控制、保护、信号、自动装置和某些执行机构的正常运行1，因此必须让蓄电池组维持足够的容量待命，即一组蓄电池至少配置一套充电装置给蓄电池组充电，在充电机无法正常工作时，蓄电池可直接对直流负荷供电。目前，站用直流电源系统普遍采用的是铅酸蓄电池，除了运行的工况条件，其使用寿命还与自身的制造工艺水平密切相关，这就不可避免的存在每个单体电池的特性差异。在直流电源设备投运以后，随着运行时间的推移，即便是相同型号的两组蓄电池，其老化速度及特性也会出现差异。对于配备有两组蓄电池的变电站，电力运行规范要求，两组蓄电池正常运行时，应分别独立运行。标准 DL/T5044-2014中对于两组电池并联运行有这样的描述：考虑到定期充、放电试验要求，为了转移直流负荷，对同一电压等级的两组蓄电池，当电压相差不大，即不超过直流电源系统标称电压的2%，且两组蓄电池型号相同、投运时间和运行环境相似时，其老化速度及特性比较接近，短时并联不会对电池组造成伤害。这就给变电站直流设备的运维管理工作带来很大困扰。1 直流电源系统现状直流系统接线方案应根据电力工程的规模和电源系统的容量大小来确定，由于各类容量的发电厂和各种电压等级的变电站的需求不一，直流电源系统典型接线方式，最常见的有以下四种：一是一套充电装置、一组蓄电池、单母线。二是两套充电装置、一组蓄电池、单母线。三是两套充电装置、两组蓄电池、双母线带联络开关。四是三套充电装置、两组蓄电池、双母线带联络开关。通常情况下，在110kV 及以下等级的变电站中，直流电源系统配置一组蓄电池；在220kV 及以上等级的变电站中，直流电源系统配置两组蓄电池。一般而言，在直流电源装置中，一组蓄电池配置一套充电装置，对于500kV 及以上的变电站和大中型容量的发电厂，或者是特别重要的220kV 变电站，往往还配置一套充电装置作为备用。近年来，随着国网公司智能一体化电源设备的2023.7 下 EPEM 211节能减排Energy Saving广泛应用，直流电源设备厂家普遍在常规直流屏的基础上，配置 DC/DC 直流转换模块，输出48V 通信电源，同时配置 DC/AC 逆变模块，输出 AC220交流不间断电源，构成交直流一体化电源系统2。图1 一组蓄电池直流电源系统方案图使得通信电源和 UPS 电源不再独立配置蓄电池组，改为共享直流系统的蓄电池组，从而导致常规直流电源系统的蓄电池容量很难满足实际需要，只得更换更大容量的蓄电池。如此，原有蓄电池组只能退出运行，作报废处理，会造成社会资源的极大浪费。目前，变电站的直流电源系统之所以配置大容量的蓄电池，主要是因为变电站直流用电负荷增多，需要提供更大电流，这就需要相应增大蓄电池组容量来保障应急供电时间。对于蓄电池组的维护，DL/T7242021电力系统用蓄电池直流电源装置运行与维护技术规程要求：新安装或大修后的阀控蓄电池组应进行全容量核对性试验，运行了4年以后的阀控蓄电池，应每年做一次核对性试验。对于配置一组蓄电池的直流系统，在进行核对性放电时，为了防止站用交流可能意外失电带来的运行安全风险，往往需要安装一组备用电池，这无形中增加了运维管理成本，也给运维操作带来很大的不便利，影响了运维工作效率。根据蓄电池容量的大小，蓄电池容量200Ah以下时，单体电池额定电压多为12V，电池容量200Ah 及以上时，单体电池额定电压多为2V。考虑运行安全隐患，蓄电池的安装一般独立组屏，使用大容量的蓄电池，应专设电池室。由于直流系统的标称电压为 DC220/DC110V，需要把多只单体蓄电池串联升压才能达到所需要的 DC220/110V。由于蓄电池组的串联连接结构形式，不可避免地会产生“单只蓄电池故障影响整组电池输出”“单只蓄电池不能在线更换”3等现象。电力操作电源系统典型方案如图1所示。相研究人员关提出的一种并联型直流电源系统，通过并联电池模块，将多只电池 DC12V 升压后再并联输出的方式，改变了电池组串联结构形式，能够解决蓄电池组的运行隐患，由于 DC220/110V 直流母线是通过多台并联电池模块的并联获取电源的，受并联电池模块的输出电流大小的限制，所能提供的事故放电电流的大小取决于并联电池模块的个数。在组屏方式上，为了系统接线方便，蓄电池和并联电池模块往往布置在同一面屏柜里面，无法隔离因蓄电池原因产生的安全事故。另外，在此基础上构建交直流一体化不间断电源系统，由于每只电池需要配置一台并联电池模块组件，只有配置数量众多的并联电池模块才能满足直流负荷电流大小的需要，这会导致设备造价成本昂贵，适用经济性不高。随着国网“三型两网、世界一流”新战略的提出，国网公司下发基建技术（2019）51号文件，通知要求变电站通用设计对通信能力进行提升，其中通信电源部分，要求220KV 及以下变电站由站内一体化电源系统实现，配置更大容量的蓄电池组。为解决当前直流电源系统的蓄电池运行隐患和扩容的问题，提高直流设备的运维管理效率，笔者提出另外一种解决思路，可以将同一电压等级的新旧不同，容量不同的两组蓄电池用于一套直流电源系统，既提高了蓄电池组的利用率，又降低了运维管理成本，以供参考。图2 直流电源系统的蓄电池组并联方案图2 方法介绍本文介绍一种站用直流电源系统的蓄电池组并联方式的解决思路，系统方案如图2所示：该方案是在常规直流电源系统架构的基础上进行优化改进而成，保留了现有直流系统屏面布局结构，能有效解决电池组并联环流问题，还能抑制蓄电池组的大电流过放电现象，极大地方便电池组的核对性放电试验和后期扩容改造，具体表现在以下几个方面。一是蓄电池组采用并联结构形式，由蓄电池组61和蓄电组62的负极并联于直流母线7的负极，其正极经充放电部件5的充电端、放电端与直流母线7的正极连接，由于变流模块的MOS具有单向导电性，使得并联212 EPEM 2023.7 下节能减排Energy Saving使用的蓄电池组在充放电过程中，无法形成环流现象。二是监控模块4通过充放电部件5的控制板，完成数据交换，实现对蓄电池组充放电电流大小、工作模式（充电或放电）的控制，由于充放电部件5的MOS 构成了各自独立的充放电回路，这样就方便了新旧不同、容量不同的电池组实现并联运行。三是充放电部件5的控制板可根据监控模块4下发的电流设定值或工作模式，输出信号控制变流模块中MOS 管的导通和关断，同时通过检测输出电流，实时调节功率 MOS 管的移相角4，确保充放电部件输出电流值跟踪电流设定值，避免了蓄电池组的过大电流破坏性放电，提高了直流电源系统的安全性。四是充放电部件5中的变流模块，可以为多个并联结构，来实现蓄电池组扩容的功能，满足电力直流电源系统的蓄电池大容量需求。五是两组蓄电池可以共用同一套充电装置，两个电池组之间通过充放电部件形成了各自独立的充放电回路。如某工程需要配置一组200Ah 的蓄电池，采用电池组并联的方案，可以选用两组100Ah 的蓄电池，当其中某一组蓄电池需要维护时，不会影响另一组蓄电池的运行状态，可以互为备用，大大提高了直流电源设备的运维便利和系统运行安全。六是目前的变电站直流系统的蓄电池扩容，需要将直流屏的原有电池组退出运行，换为更大容量的电池，退出运行的蓄电池组作报废处理。两相比较，如果在保留原有电池组的基础上，直接并联一组蓄电池，同样达到电池组扩容的目的，原有电池组还继续使用，在一定程度上提高了蓄电池的利用率。3 结构特性基于上述分析，结合目前变电站直流电源系统的实际运行情况，现提出一种直流电源系统将蓄电池组并联运行的解决思路，该系统方案主要由监控模块、整流部件、充放电部件、电流传感器、电压传感器、N 个蓄电池组和馈电回路等安装在几台机柜内构成一个系统整体。其具有以下特点。一是整流部件为高频开关电源模块组成，并联冗余配置，自主均流，各自也能独立工作。一方面可以经充放电部件给电池组充电，另一方面可以直接供电给直流配电回路。二是充放电部件可配置多个充放电端口，方便系统电池扩容；各充放电回路彼此独立，不产生环路，方便不同容量、新旧不同的电池组并联使用，提高了蓄电池组的利用效率。三是充放电部件可以对充放电流大小实行控制调节，可以阻止蓄电池组破坏性放电，有利于直流电源系统的安全运行。四是直流系统的组屏方式依旧保留现有直流电源设备的屏体布局结构风格，直流配电回路的盘面布置不需作任何改变。从屏面外观上来看，与现有直流设备几乎无差异，但设备后期运行维护，与传统的直流系统方案相比，运维管理非常便利。五是电池组并联以后，在进行单一蓄电池组的核容性放电或故障检修时，另一电池组仍能正常运行，所以无需考虑站用交流电源突然停电带来的运行风险。采用电池组并联的结构方式，也可解决直流电源系统因单体蓄电池异常后整组蓄电池无法带载的问题，极大提升了直流系统运行的可靠性5。六是系统正常运行时，整流部件和充放电部件受系统监控模块控制，在系统监控模块发生故障时，也可以各自独立运行在默认值状态，维持直流系统的正常供电。该方案能有效地解决直流电源装置的蓄电池组扩容问题，从而大大降低了设备后期的运维管理成本。4 结论本文介绍了一种站用直流电源系统蓄电池组采用并联方式运行的解决思路，消除了蓄电池组在核对性放电试验或单体电压故障检修过程中，遇站用交流突然停电导致直流电源系统瘫痪的运行风险，保障了直流电源系统的运行可靠性，有效地解决了站用直流系统的蓄电池组扩容问题，减少了直流电源系统的运维管理成本，提升了变电站的直流电源系统的日常运行维护工作效率，有利于变电站的生产、运维和检修安全。参考文献1白忠敏,刘百震,等.电力工程直流系统设计手册M.北京:中国电力出版社,2009.2国家电网公司.国家电网公司物资采购标准智能变电站电源系统卷 M.北京:中国电力出版社,2014.3 杨思安.一种220kV变电站并联型直流电源的应用与研究 J.九江学院学报:自然科学版,2018,3.4王维平.现代电力电子技术及应用M.南京:东南大学出版社,2001.5 程正年,赵小军,等.一种蓄电池混联型直流电源系统解决方案 J.电气技术,2020,9.