一种蓄电池混联型直流电源系统解决方案

直流电源是变电站的控制电源，也是实现电力系统自动化的重要设备。安徽新力电气设备有限责任公司的研究人员程正年、赵小军、何炳愚，在2020年第9期《电气技术》杂志上撰文，阐述了直流电源系统的运行现状和系统优化的必要性，重点介绍了一种将电力操作电源和通信电源融为一体、蓄电池采用混联方式的直流电源系统解决方案。

在各类发电厂、变电站中，为控制、信号、保护、自动装置以及某些操作执行机构供电的电源系统，通常称为控制电源。控制电源分为两类：①直流电源；②交流电源。直流电源由于独立于交流动力电源系统，不受交流电源系统事故的影响，具有安全可靠、运行维护方便等特点，得到了广泛应用。特别是对于高电压和可靠性要求较高的电力设备，直流电源几乎是惟一可选择的控制电源，正因为如此，人们对直流电源十分重视。

1  直流电源系统的现状

目前，变电站的直流电源分为电力操作电源和通信电源。通信电源一般采用48V电源系统，电力操作电源一般采用220V/110V电源系统。这两种电源设备都是由系统监控装置、充电装置、串联蓄电池组和馈电回路4部分构成。其中，串联电池组是由单体电压为2V或12V的蓄电池经串接而成，作为变电站交流事故停电后直流电源系统的后备电源。

由于操作电源和通信电源通常独立配备蓄电池，这样就需要维护两套直流电源设备，运维管理成本很高。特别是电力操作电源，蓄电池串联的数量很多，更容易出现单体电池电压不均衡的现象，进而导致有的电池长期过充电，有的电池长期过放电，严重影响整个蓄电池组的使用寿命。一旦某一只电池出现故障，整个电池组就发挥不了应有的作用，甚至有时需要把整组电池更换掉，造成不必要的浪费。

为了保障直流供电的可靠性，国网公司要求定期对蓄电池做核对性放电测试，把电压落后的电池换掉，这时就需要把电池组脱开直流母线来进行。对于110kV及以下变电站，大多只配置一组电池，电池组脱离直流母线会给电力系统的运行安全带来巨大隐患。

由于直流系统标称电压为220V/110V，而蓄电池的单体电压多为2V或12V，这就需要把大量电池串联起来才能满足要求。另外铅酸蓄电池的充放电特性使得电池在充电过程中，整组电池电压会升高，系统需要通过调压装置来维持直流母线电压的稳定。电力操作电源系统典型设计方案如图1所示。

图1  蓄电池串联型直流电源系统方案图

为解决单套直流电源中因单体蓄电池异常后整组蓄电池无法带载的问题，提及的一种并联型直流电源由若干个并联电池模块的高压输出端并联连接组成。其中，每个电池模块均独立地配置12V蓄电池；使用时，电池模块同时接入AC 220V交流电源和12V蓄电池，当交流失电时，电池模块将蓄电池的12V电压提升至DC 220V/110V。

这种并联型直流电源虽可解决因单节蓄电池损坏造成整组蓄电池功能异常的问题，却也存在着不足之处：

①因蓄电池的数量仍与传统的方案一样，并未减少，而带有智能监控和充电功能的电池模块的数量却需与蓄电池的数量相匹配，由于单只电池模块的价格远高于单节蓄电池的价格，使得整个直流电源的制造成本上升很多，不具有经济性；

②兼有充电和升压功能的电池模块是一种需将12V提升到220V/110V的大功率器件，如此数量众多的电池模块也会给组屏安装带来新的难题。

近十几年来，随着智能一体化电源设备的推广应用，在传统直流屏的基础上，配置DC/DC转换模块，输出48V通信电源。但这种方案没有改变传统直流屏的蓄电池串联数量，也不能改善原有设备的运行工况。随着高压开关的技术进步，操作电源的冲击电流大大减小。220kV及以下变电站的常规负荷一般不会超过20A，通信电源的常规负荷也不超过30A。

目前变电站的直流电源设备配置大容量的蓄电池，不是因为负荷需要大电流，而是为了延长应急供电时间。因此，在交流正常情况下，蓄电池组是处于备用状态，并不需要对外输出电能。

2  方案介绍

下面重点阐述一种混联型直流电源系统方案的优越性，系统方案如图2所示。

基于蓄电池混联型直流电源系统架构是在原系统架构基础上的改进，其具有下列性能差异：

1）蓄电池采用混联结构，即共用电池组，每组电池串联节数大大减少，降低了设备维护成本。由于N个电池组并联使用，即便某一组退出，也不存在电池组脱离直流母线的风险。

2）电力操作电源由变流装置直接输出，单只模块的输出功率可达2kW，可并联扩容，满足不同场合的需求。

图2  蓄电池混联型直流电源系统方案图

3）通信电源直接来自共用电池组的输出，不需要任何转换，利用现有技术，线路成熟可靠，组屏方便。

4）电力操作电源不再受蓄电池充放电特性的直接影响，可以取消传统的调压装置，优化了直流系统配置。

5）交流停电时，共用电池组自动输出给变流装置，以便把DC 48V转换成DC 220V/110V，满足电力操作电源的大功率需求。

6）系统监控装置通过交流电压传感器来判断交流电是否停电，并管理充电装置和变流装置的运行。同时，实现对电池组的自动充放电维护，延长蓄电池的使用寿命。

7）该方案不需要每组电池配置一套充电装置，几个电池组之间通过共用电池组内部的逆流装置并联运行，形成各自独立的充放电回路。当其中一组处于维护状态时，不影响另一组电池的运行，大大提高电源系统的可靠性。

8）共用电池组中若有某一组电池出现故障，只需更换该组的4节或24节电池，而传统直流屏需要换掉的电池为18节或104节，因此，更换电池的数量大大减少，这样在一定程度上就降低了资源的浪费。

3  系统方案特点

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，笔者认为针对传统直流电源系统进行优化整合是非常有意义的。现提出一种将操作电源和通信电源共用电池组的混合型直流电源系统解决办法，该系统方案主要由监控装置、充电装置、变流装置、N个串联电池组和馈电回路等构成。

其具有以下特点：

1）在有交流电时，电力操作电源和通信电源各自都能独立运行。电力操作电源采用变流装置直接整流后供给DC 220V/110V直流母线，通信电源采用充电装置经由逆流装置后供给-48V通信电源母线，避免从DC 220V/110V直流母线通过DC/DC二次电压变换。在交流停电时，电力操作电源和通信电源共用蓄电池组。此时，通过逆流装置并联起来的蓄电池组，一方面可以经变流装置升压后供给电力操作电源，另一方面可以直接供电给通信电源。

2）传统的电力操作电源DC 220V/110V的充电装置取消，变流装置可以取代这种充电装置的整流功能。变流装置可多台并联输出，方便系统扩容；当有交流电输入时，变流装置把AC 380V转换成稳定的DC 220V/110V；当交流失电时，则把混联结构的电池组的DC 48V转换成DC 220V/110V。

3）混联结构的电池组，系统配备4节12V或24节2V的N个串联电池组，且这些串联电池组再以并联方式运行。

4）充电装置采用48V等级，充电装置可多台并联输出，方便系统扩容；经过逆流装置将充电和放电回路分开，一套充电装置可以给两组及以上蓄电池充电。

5）系统的组屏方式仍保留目前一体化电源设备的风格，盘面布置和内部安装空间都不需要进行大的变动。与传统的系统方案相比后期维护成本变化不大。

6）系统共用电池组后，在进行单一蓄电池组的核容性放电或检修时，其他的电池组仍能正常运行，无需考虑交流电源突然停电带来的风险。采用电池组混联型接线方式，改变了蓄电池组串联的传统结构，解决了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，极大改善了系统可靠性。可对单一的蓄电池组单独检修更换，提高了蓄电池利用效率。

7）正常运行时，变流装置和充电装置受系统监控装置控制，在系统监控装置故障时，也可以各自独立运行在默认值状态。另外，相较于独立运行的电力操作电源系统和通信电源系统，该混合型直流电源系统中蓄电池的使用数量也明显减少，从而大大降低了项目前期的投入成本。

4  结论

本文提出了一种采用蓄电池混联方式的直流电源系统的思路，解决了因单体蓄电池异常后整组蓄电池无法带载的问题。它整合了传统的电力操作电源系统和通信电源系统，消除了蓄电池组在核容性放电或检修过程中，遇交流突然停电导致直流电源瘫痪的风险，方便了变电站的直流电源系统的日常运行维护，从而极大地降低了直流电源系统的运维管理成本，进一步提高了直流电源系统的安全可靠性。