浅谈直流系统蓄电池并联保护器的应用

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2020第九届电工技术前沿问题学术论坛暨第十三届中国电工装备创新与发展论坛

以蓄电池组为核心的传统变电站直流系统，在核容放电过程中会出现蓄电池组并联的情况，此操作难度大，容易导致环流和误操作的风险，严重威胁蓄电池的使用寿命。

针对这一缺陷，国网浙江省建德市供电有限公司的研究人员蒋国臻、王嘉斌、王森、毛荣、徐泽政，在2020年第5期《电气技术》杂志上撰文，提出用蓄电池并联保护器对蓄电池组进行独立的充放电管理，支持变电站直流系统的并联应用，并提出了其在变电站直流系统的应用方案。若该技术得到大力推广，则能够增强变电站蓄电池组的安全性，简化蓄电池维护作业程序，降低变电站的维护成本，具有广阔的应用前景。

变电站的直流系统在电力、通信、信息领域均具有非常重要的作用，能够为控制信号、继电保护、自动装置及事故照明等提供可靠的稳定直流电源，为操作系统提供可靠的操作。目前，变电站的蓄电池是按一定的标准进行配备的：一般220kV变电站配备两组蓄电池，接线方式是一组蓄电池接一段母线，母线之间由开关控制，互为后备电源；一般110kV及以下等级变电站仅配备一组蓄电池。

对于变电站，不管是配备一组蓄电池还是两组蓄电池，在核容放电过程中都需要接入备用电池，出现两组蓄电池直接并联的情况。变电站直流系统操作规程中明确规定，两组电池压差小于2V时才能进行短时间并联切换，操作难度较大，对操作人员的要求和依赖性较高，存在误操作的风险。

本文通过对传统变电站直流系统并联方式的分析，提出了用变电站直流系统并联保护器支持变电站直流系统的并联应用，从而简化了直流系统之间备用切换的流程，降低了变电站的电力失效的风险，提高了电力系统的安全性。

1  传统变电站直流系统的并联方式及存在的风险

以220kV变电站直流系统为例，传统的配置为直流屏1#接蓄电池组1#，直流屏2#接蓄电池组2#，直流母线之间由开关控制，在出现异常或维护过程中互为后备电源，其配置如图1所示。

在将直流系统2切换为直流系统1备用时，为了避免蓄电池组1#放电后与直流屏1#或蓄电池组2#回路压差，造成大电流对直流系统造成的损害，需要控制母线合闸，直流屏1#退出，蓄电池组1#退出，由直流屏2#承担直流系统1的后备电源供电的作用。

放电结束后，需要人工调节直流屏1#降低充电电压，逐步提升直流屏的输出电压，对蓄电池组1#充电，充满电后直流屏1#和蓄电池组1#重新接入系统，使控制母线和电源母线断开，恢复放电前原有系统的连接。

图1  220kV变电站直流系统传统配置图

在备用接入和备用退出时均会出现蓄电池直接并联的情况，操作人员必须保证直流系统的压差小于2V时再进行短时并联。当两组直接并联的电池端电压存在压差时，会出现高电压电池组向低电压电池组放电，产生一个环流。蓄电池组内阻差异越大，电压差异越大，环流也越大。即使只是短时间的环流过程，也会严重影响到蓄电池的使用寿命，甚至可能导致电池损坏。

2  直流系统蓄电池组并联保护器及安全性分析

为消除传统直流系统并联时蓄电池组之间的环流问题，本文设计一个并联保护器对两组电池进行完全独立的充电管理系统，其实现原理如图2所示。

图2  直流系统并联技术实现原理图

将并联保护器连接至直流屏及蓄电池组之间，由直流屏提供直流输入，由并联保护器控制蓄电池组的充电电压及充电电流。每组电池配备相应的控制系统进行独立的充放电管理。为保证在外部交流供电异常时，使蓄电池组能够及时对负载进行供电，在蓄电池与直流母线之间的连接采用单向器件直接连接，以避免放电环流的影响。

并联保护器是由CPU模块作为核心处理器，外围电路功能模块包括充电功能模块、放电功能模块、接口模块和电压电流采集模块。CPU模块可以通过接口模块输入的电池信息，采用脉宽调制（pulse width modulation, PWM）电路智能调节充电模块对电池的充电电压和充电电流，CPU模块可以对电压电流采集模块所采集的电流、电压等信号进行处理，实现对电池充电电压和充电电流的精确控制。

2.1  充电通道安全性分析

在并联保护器中的直流屏与蓄电池组之间接入IGBT（insulated gate bipolar transistor），通过PWM电路控制充电电压和充电电流大小，对充电电流进行限制。两组蓄电池通过并联保护器并联连接时，其充电通道并联等效电路如图3所示。

当端电压较低的蓄电池组充电电流较大时，控制系统会智能调节PWM1或PWM2的脉冲频率，降低对蓄电池组的电流输入，阻止充电电流进一步增大，避免大电流充电对蓄电池造成损伤。

图3  充电通道并联等效电路图

在进行充电限制之后，不管在何种条件下进行长时间并联，均不会出现电池组大电流充电的情况。

2.2   放电通道安全性分析

在外部交流供电异常时，蓄电池组由连接在直流屏正极与蓄电池组正极之间的大功率二极管VD1/VD2无缝对负载进行供电。放电通道并联等效电路如图4所示。在电池组并联时，即使两组电池存在电压差，高电压蓄电池组与低电压蓄电池组之间也不导通，不存在充电回路，故避免了环流现象的产生。

2.3  维护过程安全性分析

基于上述直流系统并联技术，在变电站进行蓄电池维护过程中，可在直接进行母联合闸后，将待维护直流系统中并联保护器的充电回路断开，使蓄电池在线进行放电。放电完成后再将电池组自动转入充电状态，由并联保护器控制系统对充电电压和充电电流进行有效的调节。

例如：对测试蓄电池组进行0.1C的恒流充电，在蓄电池组充电达80%后再转为恒压充电，最后进入涓流充电状态，避免了大电流充电对蓄电池组的损伤；电池充满电后直接断开母联，恢复正常连接。本文介绍的并联技术保证了蓄电池组在维护过程中直流系统的供电安全性，简化了蓄电池组放电维护作业流程。

图4  放电通道并联等效电路图

3  直流系统并联保护器的应用

3.1  单组蓄电池的改进

在仅配备单组蓄电池的变电站中，可以将原有的蓄电池组与直流母线之间接入1套并联保护器，当需要对电池组进行维护时，断开并联保护器的充电回路即可进行在线核容放电试验，放电过程中电池仍可作为直流系统的备用电池。对于单组电池变电站，可以利用本文并联技术，另外增加1套并联保护器和1组与原有蓄电池组电压等级相同的蓄电池组接入直流母线。

特别是对于面临退役的蓄电池组，在蓄电池组更换过程中，可以由此新增蓄电池组作为后备电源，如图5所示。同时，还可以一定程度上满足变电站容量扩大的需求，或延长变电站的供电时间，为交流供电的抢修争取更多的时间。

3.2  双组蓄电池的改进

对于配备了两组蓄电池的变电站，将原有的两组蓄电池各增加1套并联保护器。改进后的直流系统在互为备用、母线刀闸闭合时，直流母线的压差即使超过2V也不会造成蓄电池组的损伤，从而简化了蓄电池组放电维护作业的过程，也增强了直流系统的安全性，如图6所示。

3.3  拟扩容变电站的改进

随着社会的发展和电力需求的变化，变电站扩容，变压器台数随之增加，变电站内的二次继电保护和控制回路相应增加，对直流系统的容量需求不断加大，蓄电池的容量也需要进行相应的增加。

对于220kV的变电站，如果将原有的两组蓄电池直接全部更换为更大容量的蓄电池组，将会造成蓄电池的巨大浪费。本文蓄电池并联保护器的应用在实现扩容的同时充分利用了原有的蓄电池资源。变电站扩容改造方案如图7所示。

图5  双组电池并联应用方案

图6  两套直流系统备用并联方案

图7  变电站扩容改造方案

将原有的两组蓄电池通过本文方法进行并联使用，形成容量更大的蓄电池系统接入直流母线1。将另一个大容量的新蓄电池组及相应的控制系统接入直流母线2。在运行几年后，待原有的两组蓄电池到了使用寿命后，再更换成新的大容量的蓄电池组，将提高蓄电池组的利用率，降低电池采购成本。

4  结论

本文提出了对直流蓄电池并联保护器的应用，将蓄电池通过大功率二极管无缝向直流母线供电，同时避免两组电池并联产生环流对蓄电池组造成损伤；通过IGBT器件对蓄电池的充电电压和充电电流进行控制，避免了蓄电池的大电流充电，在保护蓄电池充电安全的同时简化了蓄电池维护过程，增强了变电站直流系统运行过程中的安全性与可靠性。

本文所阐述的方法可以在传统电力系统的基础上对不同等级的变电站进行简单的升级改进，而不需要耗费大量的人力物力，改造成本很低，安全性能更高。该应用如果在电力系统中得以推广，将能够增强蓄电池的安全性，简化蓄电池维护作业程序，降低变电站的维护成本，故而具有广阔的应用前景。