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一种蓄电池混联型直流电源系统的解决方案

时间:2022-05-17点击次数:75信息来源:


在各种电厂和变电站中,为控制、信号、保护、自动装置和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电源系统,不受交流电源系统事故的影响,具有安全可靠、操作维护方便等特点,得到了广泛的应用。特别是对于高压和高可靠性要求的电力设备,直流电源几乎是一可选的控制电源。因此,人们非常重视直流电源。

1 直流电源系统现状

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电源系统一般采用电力操作电源220V/110V电源系统。这两种电源设备由系统监控装置、充电装置、串联电池组和馈电电路组成。其中,串联电池组由单个电压组成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电池,因此需要维护两套直流电源设备,运行和维护管理成本非常高。特别是电力操作电源,电池串联数量大,更容易出现单电池电压不平衡,导致部分电池长期过充,部分电池长期过放电,严重影响整个电池组的使用寿命。一旦电池出现故障,整个电池组就不能发挥应有的作用,有时甚至需要更换整个电池组,造成不必要的浪费。

为保证直流供电的可靠性,要求定期对电池进行检查放电试验,更换电压落后的电池,然后将电池组从直流母线上取下。110kV大多数以下变电站只配备一组电池。电池组与直流母线分离会给电力系统的运行安全带来巨大的隐患。

由于直流系统的标称电压220V/110V,电池的单体电压多为2V或12V,这需要大量的电池串联起来才能满足要求。此外,铅酸电池的充放电特性使整个电池的电压在充电过程中增加,系统需要通过压力调节装置来保持直流母线电压的稳定性。电力操作电源系统的典型设计方案如图1所示。


图1

为了解决单个电池异常后单个电池无法携带的问题,提到的并联直流电源由几个并联电池模块的高压输出端并联连接。其中,每个电池模块都是独立配置的12V电池;同时连接电池模块AC 220V交流电源和12V电池,当交流失电时,电池模块将电池12V电压提升至DC 220V/110V。

虽然这种并联直流电源可以解决单节电池损坏导致整个电池功能异常的问题,但也存在缺点:

①由于电池的数量仍然与传统方案相同,并没有减少,但具有智能监控和充电功能的电池模块的数量需要与电池的数量相匹配。由于单个电池模块的价格远高于单个电池的价格,整个直流电源的制造成本大,不经济;

②具有充电和升压功能的电池模块是一种需要12V提升到220V/110V大功率设备,如此多的电池模块也会给组屏安装带来新的问题。

近十年来,随着智能一体化电源设备的推广应用,配置在传统直流屏幕的基础上DC/DC转换模块,输出48V通信电源。然而,该方案并没有改变传统直流屏幕的电池串联数量,也不能改善原设备的运行条件。随着高压开关技术的进步,操作电源的冲击电流大大降低。220kV以下变电站的常规负荷一般不超过20A,通信电源的常规负荷不得超过30A。

目前,变电站的直流电源设备配备了大容量电池,不是因为负载需要大电流,而是为了延长应急供电时间。因此,在正常交流中,电池组处于备用状态,无需输出外部电能。

2 方案介绍

以下是混合直流电源系统方案的优势,如图2所示。

以电池混合直流电源系统架构为基础,在原系统架构的基础上进行了改进,其性能差异如下:

1)电池采用混合结构,即共用电池组,每组电池串联节数大大降低,设备维护成本降低。N电池组并联使用,即使某一组退出,也不存在电池组脱离直流母线的风险。

2)电源由变流装置直接输出,单个模块的输出功率可达2kW,可并联扩容,满足不同场合的需要。


图2 电池混合直流电源系统方案

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

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

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判断交流是否停电,并管理充电装置和变流装置的运行。同时,实现电池组的自动充放电维护,延长电池的使用寿命。

7)该方案不需要每组电池配备一套充电装置,几个电池组通过共用电池组内的逆流装置并联运行,形成独立的充放电电路。当其中一组处于维护状态时,不会影响另一组电池的运行,大大提高了电源系统的可靠性。

8)如果共用电池组中的一组电池出现故障,只需更换该组的4或24个电池,而传统直流屏幕需要更换的电池为18或104个电池。因此,更换电池的数量大大降低,在一定程度上减少了资源的浪费。

3 系统方案特点

基于以上分析,结合变电站直流电源系统的实际运行,作者认为优化和整合传统直流电源系统是非常有意义的。提出了一种混合直流电源系统解决方案,主要由监控装置、充电装置、变流装置、N由串联电池组和馈电电路组成。

具有以下特点:

1)当有交流电时,电力操作电源和通信电源可以独立运行。电力操作电源由变流装置直接整流DC 220V/110V通信电源由逆流装置通过直流母线提供-48V从DC 220V/110V直流母线通过DC/DC二次电压变换。交流停电时,电源操作电源和通信电源共用电池组。此时,通过逆流装置并联的电池组一方面可以通过变流装置升压供电,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充电装置被取消,变流装置可以取代该充电装置的整流功能。变流装置可并联输出多个,方便系统扩展;当有交流输入时,变流装置AC 380V转化为稳定DC 220V/110V;当交流失电时,混合电池组DC 48V转换成DC 220V/110V。

3)混合电池组,系统配备4节12V或24节2V的N串联电池组,这些串联电池组并联运行。

4)采用充电装置48V等级,充电装置可以并联输出多个,方便系统扩展;充放电电路通过逆流装置分开,一套充电装置可以给两组以上的电池充电。

5)系统的屏幕组装模式仍然保留了当前综合电源设备的风格,磁盘布局和内部安装空间不需要大的变化。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,其他电池组在单个电池组的核容放电或维护过程中仍能正常运行,无需考虑交流电源突然停电的风险。电池组混合接线改变了电池组串联的传统结构,解决了单个电池异常后直流电源系统无法携带的问题,大大提高了系统的可靠性。单个电池组可单独维护和更换,提高了电池的利用效率。

7)在正常运行过程中,变流装置和充电装置由系统监控装置控制。当系统监控装置出现故障时,它们也可以在默认值中独立运行。此外,与独立运行的电力操作电源系统和通信电源系统相比,混合直流电源系统中的电池数量也显著减少,大大降低了项目早期的投资成本。

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。

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