低压蓄电池下的电力系统直流操作电源

摘要：传统的电力系统操作电源通常采用多节电池串联组成的蓄电池组作为后备电源，技术成熟可靠，但电池的维护较为复杂，成本较高。鉴于此，提出了一种新的电力系统操作电源方案，不采用蓄电池串联，而是由多组采用低压蓄电池的供电模块并联构成，每个供电模块包括一台将电网交流电变换为低压直流电的电源变换器、一只单节低压蓄电池和一台将低压直流电变换为操作母线电压的供电变换器。该系统具有模块化程度高、容量配置灵活、可在线视情维护电池等优点。现首先简要介绍传统直流操作电源的基本要求和组成，分析其存在的问题，然后提出新的系统结构并分析其特点，最后介绍研制的系统样机及实验情况，验证了新系统的可行性和优点。

关键词：直流操作电源；低压蓄电池；变换器；不停电电源

引言

直流操作电源是电力系统中重要的电工二次设备，广泛应用于发电厂、变电站和其他场合，为开关分合闸、二次回路中的仪器仪表、继电保护和故障照明设备等供电[1]。电力系统直流操作电源电压等级主要为220V和110V。由于其工作的重要性，操作电源需实现不间断供电。传统的操作电源在直流母线上并接串联的蓄电池组[2]。正常情况下由电池充电单元对蓄电池进行充电并向负载供电，当负载较大，如断路器分合闸过程中出现电流冲击时，充电单元和蓄电池共同提供负载电流；当电网交流电中断时，蓄电池组单独为重要用电设备提供电能。为实现电力操作电源的不间断供电，保证供电的可靠性和供电质量，传统的直流操作电源主要由以下部件构成：交流配电单元、充电模块单元、降压硅链、直流馈电单元和监控单元等。为对蓄电池进行监控和维护，系统中通常还要配置蓄电池监测单元、电池容量检测单元等设备。上述结构的电力操作电源已得到广泛应用，十分成熟和可靠[3]。但该系统仍然存在以下局限：（1）以220V电池组为例，其满充时电压会达到270V以上，而放电时电压可能低至180V以下，因此操作母线的电压变化范围宽，通常还需要采用降压装置在电网供电时将母线的输出电压调整到二次设备允许的工作范围内，这不仅使得系统更加复杂，而且增加了能耗，降低了系统可靠性；（2）需要采用大量的蓄电池单体串联得到控制电压等级，同样以220V系统为例，需要采用18节单体12V的电池串联，由于电池性能的离散性，落后电池影响系统的后备供电时间和供电可靠性，提高了蓄电池的监控和维护要求，通常需要采用较复杂的电池监测和容量校核等设备，且在出现落后电池时需要更换整组蓄电池，导致使用成本高[4-5]。可见，现有直流操作电源有进一步改进的必要[6-7]。针对当前直流操作电源存在的问题，提出了一种基于低压蓄电池的直流不间断操作电源方案。本文第1节介绍了新技术方案及其特点，第2节介绍了实验样机及实验结果，第3节是本文的总结。

1基于低压蓄电池的直流不间断电源

1.1系统构成

图1是新型的基于低压蓄电池组的电力系统模块化直流不间断电源系统原理示意图。基于低压蓄电池的电力系统模块化直流不间断电源系统结构中采用多组低压蓄电池组（24V或12V）作为能量存储单元，每一组蓄电池连接两个功率变换装置，一个为在线供电及蓄电池充电的电源变换器（Sourceconverter，AC/DC变换器），一个为供电变换器（Supplyconverter，DC/DC升压变换器）。电源变换器由功率因数校正电路和高频隔离高压直流/低压直流（24V或12V，视采用的电池标称电压而定）的直直变换器组成，采用蓄电池恒流限压充电方式控制该变换器的输出。供电变换器为一个低压直流/高压直流（110V或220V）的隔离直流变换器。在电网正常时，电源变换器可以直接将交流电网供电转为供电变换器提供能源，并通过供电变换器为负载供电，该变换器同时作为蓄电池充电模块，实现蓄电池的恒压限流充电。当电网失电时，蓄电池通过供电变换器提供能量，保障电力控制系统正常工作。图1所示的系统结构中，电源变换器为单相变换器。当工作交流电源为单相时，各个模块交流输入连接在一起，当工作电源为三相时，可以将多个模块的输入平衡地接入各相，实现均衡用电。从图1也可以看出，新结构的系统中各个蓄电池完全是独立的，且和输入交流、直流输出间都采用了高频变压器进行电气隔离，同时，在各个模块中将电池连接开关断开，即没有电池的情况下，当交流电网正常时，电源变换器和供电变换器串联工作，也可为负载供电。因此，该系统中可以在线进行单节蓄电池更换。

1.2特点分析

相比于传统的电池串联直流供电系统，基于低压蓄电池组的电力系统模块化直流不间断电源系统具有以下突出特点：（1）系统构建灵活，容量可按需要合理配置。通常电力系统用单组蓄电池安时数有一定的优选标称值，如100Ah、200Ah，当串联为高压电池组时，电池组储存的能量可能超出实际系统备用工作所需能量，因此会导致容量富裕，投资成本加大[8]，而采用新方案时，并联组数可以根据实际系统需要容量配置，并且在必要时可以通过增加模组数来增加容量。（2）系统由多个模组并联构成，形成并联冗余系统，每个模组内部的电源变换器和供电变换器均为模块化结构，且均具备故障保护和隔离功能，因此，组合系统的工作可靠性很高，不存在传统方案中的单节蓄电池单点故障会出现的可靠性薄弱环节。（3）电源变换和供电变换均为隔离变换器，且中间为低压蓄电池，系统的安全性高。（4）系统供电电压不受电池放电影响，基本稳定在220V（由于供电变换器采用下垂控制进行并联，从空载到满载母线电压值略有变化），母线电压稳定性好，精度高于传统的并联高压蓄电池系统。（5）电源变换器采用了单相输入功率因数校正，功率因数高，对交流电源的影响很小。（6）可通过监控单元设置某一个模组进入放电工作状态来在线校核该模组所连接的蓄电池的状态和容量，进而可视情在线更换落后电池，因此维护简便，使用成本低，并且模组中的变换器完全替代了传统系统中的电池巡检设备，一方面简化了系统构成，另一方面也降低了系统成本。（7）新系统中的每个功率变换单元都采用CAN总线进行通信，且系统中设置了总体的监控单元，从而构成完善的操作电源监控系统，并可接入上级监控系统进行集中控制。（8）新系统无须降压硅堆，电网正常时运行效率较高。

2样机研制与实验情况

为了验证基于低压蓄电池的直流操作电源（直流屏）的可行性和技术特点，研制了实验样机。

2.1样机的技术参数

基于低压蓄电池组的电力系统模块化直流不间断电源系统（直流屏）样机包括3个模块箱、6组蓄电池组和1套综合控制系统。系统和各组成部分的主要参数如下：

2.1.1电气参数2.1.1.1直流屏整机（1）输入电压：176～264V/50Hz，单相或300～460V/50Hz三相四线；（2）输出电压：230+2-0V（空载）；（3）满载输出电压：≮220V；（4）额定电流：40A；（5）最大电流：限流输出，限定电流不大于50A；（6）后备容量：60Ah。2.1.1.2电源模块箱（1）模块输入电压：176～264V/50Hz，单相；（2）模块输入功率因数＞0.99（满载）；（3）输出电压：230+2-0V（空载）；（4）模块额定功率：1.5kW×2；（5）空载至满载输出电压下垂≯10V，满足输出并联要求。2.1.1.3蓄电池（1）单组蓄电池额定电压、容量：24V（或12V×2）/100Ah；（2）单组蓄电池浮充电压：（26.9±0.1）V；（3）蓄电池最大恒流充电电流：（15±0.2）A。2.1.1.4系统监控与操作（1）具备交流输入过压、直流输出过压、过流等保护；（2）通过CAN2.0B通信协议进行指令接收与状态发送；（3）可进行多系统（屏柜）并联，可并联数不小于5组；（4）采用触摸式液晶屏，可监控和设定各模块的工作状态、工作参数；（5）可通过设定单组模块输出校核各蓄电池容量。

2.1.2外形尺寸、重量及安装方式电源模块箱采用19英寸2U标准机箱，直流屏整机为置地式，采用标准的电力二次设备柜。

2.2实验样机简介

直流屏实验样机整机结构示意图和实物图如图2所示。在直流屏整机前面设有显示及触控屏、各种指示灯、开关、输入/输出接口等元部件，主要包括：（1）电源指示灯：显控单元供电时点亮。（2）运行指示灯：输出接触器闭合时点亮。（3）故障指示灯：设备故障时点亮。（4）显示及触控屏：显示设备整体及部件的各项运行数据及运行状况，设置设备运行参数及状态。（5）急停开关：应急开关，紧急停机时按下断开直流屏的输出与输入接触器。（6）显控单元供电开关：控制显控单元供电，断开时显控单元黑屏但不影响系统工作。（7）电池连接开关：该开关闭合时，电池作为后备电源接入；在有交流输入时，断开该开关不影响电源模块正常输出；在该开关断开时，可在线更换电池。（8）电源模块箱输入开关：控制单个电源模块箱的输入供电。（9）电源模块箱输出开关：控制各电源模块箱的输出，在该开关断开且电源模块箱输入开关断开时，可在线更换电源模块箱。

2.3典型运行界面

样机设计了模块化的运行软件，采用简洁、直观的操作与显示界面，图3是系统正常运行时的显示主界面，直观地表现出了直流屏中3个电源模块箱及对应的6节蓄电池的运行数据。研制的样机在实验室接模拟负载进行了持续性测试。自2020年12月8日投运以来，至今运行可靠，器件反复进行了交流停电、电池开关投切、模块箱投切、电池循环充放电、加减载等随机操作，系统输出持续稳定，充分说明了基于低压蓄电池的操作电源方案的可行性及可靠性。

3结语

本文介绍了一种基于低压蓄电池的电力系统操作电源方案，相比于传统的串联蓄电池直流屏，新系统具有模块化程度高、可靠性高、容量配置灵活、使用维护方便及使用成本低等优势。样机实验验证了该方案的可行性和系统优点。总体而言，基于低压蓄电池的直流屏具有很好的推广应用价值。寻求实际的应用场景试用以及在严谨试验测试基础上进行技术鉴定，进而进行推广应用将是下一步工作的重点。

[参考文献]

[1]苏静.变电所操作电源二次回路设计[J].电力设备管理，2020（12）：51-54.

[2]张一荻，劳永钊，谢睿.基于超级电容器储能的配电终端的直流电源研究[J].电子设计工程，2021，29（1）：62-67.

[3]王梦浩.天生桥一级水电站机组220V直流系统改造[J].广西水利水电，2020（5）：78-80.

[4]蒋国臻，王嘉斌，王森，等.浅谈直流系统蓄电池并联保护器的应用[J].电气技术，2020，21（5）：103-106.

[5]王俊.电厂公用段母线直流屏电源优化[J].产业与科技论坛，2019，18（24）：49-51.

[6]汪成.两种现行直流屏供电系统的优缺点分析及改进方法[J].电工技术，2019（12）：79-80.

[7]孙中凯，李晓伟，张春峰，等.浅谈直流电源系统设备监造[J].电站系统工程，2019，35（3）：29-30.

[8]蒋叶峰.变电站直流屏蓄电池参数和容量选择[J].中国水泥，2019（3）：105-106.

作者：王震宇 杨润来 单位：国网东台市供电公司