基于光伏取電原理的電房低壓直流供電裝置

何 悅

（廣東電網(wǎng)有限責任公司廣州花都供電局，廣東 廣州 510800）

1 項目研究背景

一般配電房內(nèi)除了10 kV開關(guān)設(shè)備外，還有一些設(shè)備需要用到低壓設(shè)備，包括照明設(shè)備、防潮燈、驅(qū)鼠器、排氣扇及配電自動化終端（Distribution Terminal Unit，DTU）等。目前，因為部分配電房無低壓供電電源，成為“黑電房”，導致低壓設(shè)備無法正常取電，進而出現(xiàn)夜間在電房里作業(yè)不便、電房內(nèi)設(shè)備受潮易銹蝕、電房內(nèi)設(shè)備因老鼠發(fā)生短路接地故障跳閘、DTU無法正常運行采集電流電壓數(shù)據(jù)、無法進行故障判斷及隔離等問題[1]。雖然可以采取小型站用變或者PT柜解決一部分“黑電房”問題，但小型站用變或者PT柜占用空間較大，部分電房不滿足要求。為此，急需研制一種為配電房提供低壓直流供電的裝置。

2 本發(fā)明設(shè)計要點分析

2.1 設(shè)計思路

本研究重點需要攻克如下問題：配電房面積小無法運用小型站用變或PT柜問題；電房內(nèi)DTU與其他低壓設(shè)備取電問題；DTU遙控分合開關(guān)需要瞬時大電流問題；蓄電池在欠壓時大電流快速充電、接近額定電壓時小電流浮充問題。同時，要求裝置穩(wěn)定性良好，故障率較低，能夠確保在充電電路故障或太陽能板故障時主電池仍可運行。根據(jù)這些要求，具體設(shè)計思路如下。

（1）在裝置中配備兩個升壓電路，采用并聯(lián)方式。當一個升壓電路失效時，另一個升壓電路仍可以工作，保證裝置的可靠性。

（2）由輔助電池和超級電容組構(gòu)成緩沖電路，作用是在合分閘時連續(xù)多面開關(guān)柜時提供一個平穩(wěn)控制的工作電壓及足夠分合開關(guān)的較大電流[2]。

（3）開機恒流充電，并限制充電電流大小，從而保護主電池組、輔助電池組及升壓電路。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)問題分析

（1）在不操作開關(guān)時電房DTU由48 V供電，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)幾款DTU工作電流為400～600 mA。操作合分閘開關(guān)時其工作電流較大，不同型號開關(guān)柜差別大，電機啟動電路瞬時電流達到近十幾安培。

（2）裝置需要提供瞬間大電流與穩(wěn)定的工作電壓。因為DTU遙控分合開關(guān)需要瞬時大電流，常規(guī)低壓供電裝置一般無大電流輸出，而且在合分閘時連續(xù)多面開關(guān)柜時無法提供穩(wěn)定的工作電壓與足夠分合開關(guān)的大電流[3]。

（3）現(xiàn)有光伏取電技術(shù)雖然解決了DTU取電問題，但輸出功率及電流較小，僅能滿足DTU的遙控、遙測信號的采集計算，無法實現(xiàn)DTU的遙控功能。本裝置增設(shè)了蓄電池組及電容充放電電路，獲得較大的輸入功率，確保遙控分合閘開關(guān)的可靠性。

（4）該裝置主要為戶外無常規(guī)低壓電源的設(shè)備供電，如DTU、照明、防潮燈以及排氣扇等。常規(guī)的DTU持續(xù)耗電約48 V/0.3 A，照明用電約為40 W，防潮燈打開時用電約為250 W×2，排氣扇約為50 W，整個裝置必須有2倍以上的冗余功率。

（5）光伏板的使用效率為0.6～0.7，因此光伏板的容量最少應該為裝置供電功率的1.5倍。

（6）部分電房因為空間受限，無法使用小型站用變或者PT柜解決低壓供電問題，裝置體積盡可能小。

（7）裝置二次元件多，如果有一個元件損壞，整個裝置將無法正常工作，需要設(shè)計冗余備用電路。

（8）裝置需要較多的蓄電池，但是蓄電池的使用壽命有限。為提高蓄電池以及裝置其他硬件的使用壽命，需要加強對蓄電池組的保護。裝置集成了多個保護電路，包括充電電流控制電路、充電電壓控制電路、過放電保護電路及開機恒流充電保護電路等[4]。

2.3 設(shè)計原理說明

該設(shè)備要提供穩(wěn)定工作電壓及瞬間大電流。

（1）根據(jù)主電池容量，裝置需要4塊光伏板（38 V/300 W）。

（2）設(shè)備啟動后由電池電壓檢測電路BG1檢測到電池電壓值，在有光情況下檢測電路啟動欠壓時大電流充電控制電路BG2或正常電壓浮充控制電路BG3，對主電池進行從充電。檢測到電池電壓在欠壓或只有60%～70%時對電池進行大電流充電；檢測到電池在接近電池額定電壓時對電池進行浮充電，充電到額定電壓時轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)。電池電壓由電壓顯示器U1顯示（見圖1）。

（3）過放電保護電路BG4時作為電池過放電關(guān)閉控制，保證太陽能板或充電電路故障時主電池不會損壞[5]。

（4）本裝置采用BG2和BG3兩套控制電路有利于提高光伏板效率。因為DC/DC升壓或降壓均損耗很大、容易造成設(shè)備發(fā)熱，另外還需要對發(fā)熱設(shè)備進行降溫，白白耗掉有限的太陽能源，因此先完成對24 V主電池組的充電，再用DC/DC升壓模塊將電壓提升至48 V，而不是直接使用DC/DC升壓模塊將36 V的光伏板輸出電壓升到48 V再輸出到48 V蓄電池組。這提高了光伏板的使用效率，避免了直接升壓造成的過高電量損耗，也避免了因電路發(fā)熱而使用散熱裝置[6]。

（5）在主電池電壓達到額定電壓時由過放電保護電路BG4供電給DC/DC升壓電路V1和升壓電路V2。由于V1、V2處于長時間運行狀態(tài)，該DC/DC升壓電路是DTU供電關(guān)鍵電路，因此，配置兩個電路并聯(lián)運行。即使一個電路有故障另一個也能保證整個裝置可靠運行。該工作電壓由電壓顯示器U2進行顯示監(jiān)測。

（6）由升壓電路V1、V2輸出48 V電直流電源提供給DTU控制電路。因開關(guān)柜合閘、分閘部分由48 V電機驅(qū)動，所以該電機啟動電流較大，僅靠V1、V2提供電流難以實現(xiàn)分合閘。同時，電房內(nèi)如果有多面開關(guān)柜，多面柜分合閘操作時會使V1、V2頻繁遭受大電流沖擊，增加故障概率，從而增加運維成本。因此，在V1、V2輸出后加入輔助電池和超級電容組組成緩沖電路，使其在合分閘時連續(xù)多面開關(guān)柜時可以提供穩(wěn)定的工作電壓。

（7）因超級電容組漏電流較大，在極短時間內(nèi)電壓會大幅下降，因此在設(shè)備停用或儲存（不供電工作）時，電容電壓接近零時開機可能會損壞備供電（輔助電池組）和V1、V2[7]。利用電壓檢測控制BG5電路對電池電壓進行檢測，設(shè)定了開機恒流對電容組進行恒流充電1 A左右（限制其充電電流），待充滿后再并入B+電路。

（8）過放電保護電路BG4出來后送電電房照明電路。用24 V低電壓直流給LED燈直接供電，減少DC/DC升壓電路損耗[8]。

3 本發(fā)明的綜合效益分析

3.1 經(jīng)濟效益

本項發(fā)明每套裝置連安裝費用在內(nèi)一般為1.1萬元左右。而常規(guī)的站用變、PT柜的使用，平均一間電房的改造費用需要25萬元?？梢姡褂迷撗b置一間電房就能節(jié)省24萬元。此外，該裝置安裝方便，不占用開關(guān)站內(nèi)有限的柜位空間。

圖1 本設(shè)備工作原理圖

3.2 社會效益

該裝置施工安裝不用停電，極大地減少了用戶停電時間。電房改造安裝完成后，減少電房因設(shè)備銹蝕、環(huán)境潮濕帶來的設(shè)備跳閘，發(fā)生跳閘后可通過配電自動化終端告警信息迅速判斷故障區(qū)域、對開關(guān)進行遙控操作，進一步減少停電時間，從而提高供電可靠性。

3.3 安全效益

在電房內(nèi)配備該裝置，可用于電房內(nèi)相關(guān)設(shè)備的低壓供電，滿足照明設(shè)備、防潮燈、驅(qū)鼠器、排氣扇以及配電自動化終端（DTU）的用電需求。同時，工作人員在夜間電房內(nèi)作業(yè)也不用抹黑，作業(yè)安全性更有保障如改善了電房內(nèi)設(shè)備受潮銹蝕情況，減少了電房內(nèi)設(shè)備因老鼠發(fā)生短路接地故障跳閘事故。DTU可以正常運行采集電流電壓數(shù)據(jù)以及其他遙信、遙測信息，發(fā)生故障時可通過主站DTU進行遙控實現(xiàn)開關(guān)柜的分合及故障轉(zhuǎn)電，大幅提高了設(shè)備安全運行水平。

4 結(jié) 論

本文介紹了一款基于光伏取電原理的電房低壓直流供電裝置，可以為配電房提供安全、可靠、持續(xù)的低壓直流供電，能夠滿足配電房的低壓用電需求，可投入到生產(chǎn)實踐中。