一種輕便型分體組合式不間斷交直流一體化電源的設(shè)計(jì)

孔 健，譚明哲，公冶如晶，尋瀟瀟

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司曲阜市供電公司，山東 曲阜273100）

1 項(xiàng)目背景調(diào)查

在變電站改造時(shí)，都需要先組建一套臨時(shí)的交直流電源系統(tǒng)，以供保護(hù)、監(jiān)控、信號(hào)系統(tǒng)使用，通常需要一蓄電池屏、直流屏、交流屏、UPS屏，往往由于場(chǎng)地限制，組建困難，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不規(guī)范，安全性不高，所以現(xiàn)場(chǎng)需要一個(gè)體積小、質(zhì)量輕、方便搬運(yùn)，易于安裝的一體化交直流電源。

110kV電壓等級(jí)以下的變電站蓄電池組都是單組配置，在進(jìn)行全核容放電時(shí)須利用鉛酸電池組組建臨時(shí)的備用蓄電池組，接入直流系統(tǒng)后再將電池組退出進(jìn)行全核對(duì)性放電，這種方式的缺點(diǎn)是鉛酸電池組笨重，組建連接費(fèi)時(shí)費(fèi)力。所以此類(lèi)工作現(xiàn)場(chǎng)需要便于搬運(yùn)又便于連接的蓄電池組來(lái)使用。

在變電站的UPS電源設(shè)備停電檢修時(shí)，需要一套備用UPS接入系統(tǒng)后替換原UPS設(shè)備后才能進(jìn)行檢修，同樣直流設(shè)備檢修時(shí)也需要先接入臨時(shí)的直流設(shè)備后才能對(duì)原直流設(shè)備停電檢修，所以現(xiàn)在需要輕便的備用UPS交流設(shè)備和直流設(shè)備。

現(xiàn)在須保電的大型活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)越來(lái)越多，以往利用發(fā)電機(jī)作為熱備用的保電方式，存在噪音大、不能0s切換的缺點(diǎn)，所以現(xiàn)在需要大容量的交流電源設(shè)備。

鑒于以上問(wèn)題現(xiàn)狀，需要一款能在滿足實(shí)現(xiàn)各自功能的情況下，又能夠方便組合連接實(shí)現(xiàn)一體化交直流電源的整體功能，且輕便，易于搬運(yùn)安裝的設(shè)備，所以亟須研發(fā)一種輕便型分體組合式不間斷交直流一體化電源。

2 項(xiàng)目原理與設(shè)計(jì)

2.1 總體方案

設(shè)計(jì)一種輕便型分體組合式不間斷交直流一體化電源，將電池模塊、整流模塊和UPS模塊分別集成在彼此獨(dú)立的箱體中，各箱體通過(guò)鎖扣機(jī)械連接，再利用航插式通信電纜和電力電纜完成通信連接和電氣連接，使得電池模塊、整流模塊和UPS模塊既能夠單獨(dú)發(fā)揮各自的功能，也能夠根據(jù)實(shí)際使用需求形成不同的組合滿足作業(yè)要求。

磷酸鐵鋰電池在質(zhì)量、體積和壽命上都要優(yōu)于鉛酸電池，且在安全上也被業(yè)界所認(rèn)可，所以選擇磷酸鐵鋰電芯來(lái)組建電池組?？紤]輕便性，將電池組設(shè)計(jì)成可以多組并聯(lián)的模式，以便以能滿足容量需求，又能實(shí)現(xiàn)便攜性。

設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)（BMS），實(shí)現(xiàn)對(duì)電芯的采集測(cè)量及保護(hù)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組自動(dòng)智能充放電控制，并實(shí)現(xiàn)各功能單元之間的通信管理。

2.2 電池組

選用32700磷酸鐵鋰電池電芯組建電池組。

單體容量6Ah；標(biāo)稱(chēng)電壓≥3.2V；放電截止電壓2.2V；單只電池重量145g。

每組電池采用70串4并，電池組容量為24Ah重量≤45kg（包括電芯、模架、緊固件、BMS等）電池組工作電壓范圍189～255.5V，平臺(tái)電壓224V。輸出能量≥5.3kWh，最大負(fù)載電流72A（時(shí)間小于5s），正常持續(xù)工作電流≤24A，循環(huán)壽命≥2000次（100%DOD放電第2000次時(shí)電池組容量大于等于初始容量的70%）。每組電池固定在獨(dú)立的箱體內(nèi)，箱體背部設(shè)有電源開(kāi)關(guān)及電源航插插座與通信航插插座。

圖1 32700磷酸鐵鋰電池電芯

表1 BMS功能設(shè)計(jì)表

電池組箱體上安裝有一塊觸控液晶屏，其與電池管理設(shè)備（BMS）實(shí)現(xiàn)通信連接，能對(duì)各串電池的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。

2.3 電池管理系統(tǒng)

可靠的電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計(jì)，對(duì)于整串電池組的可靠運(yùn)行起到關(guān)鍵作用，BMS的作用為：

采集功能：每串電池的電壓采集，電池組總電流采集1路，溫度采集最多18路。

保護(hù)功能：支持過(guò)充保護(hù)，過(guò)放保護(hù)，短路保護(hù)（采用熔斷器物理器件進(jìn)行保護(hù)，在危機(jī)時(shí)刻采用器件自毀滅的形式來(lái)保證系統(tǒng)的安全性），過(guò)流保護(hù)，高低溫保護(hù)。

通信：隔離485通信，主要用于與顯示屏進(jìn)行通信、與充電機(jī)進(jìn)行通信。

2.4 高頻開(kāi)關(guān)整流電源模塊

采用3臺(tái)額定輸出10A/234V高頻開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)使用，符合N+1標(biāo)準(zhǔn)，3臺(tái)設(shè)備放置在一個(gè)獨(dú)立的箱體內(nèi)，箱體背部設(shè)有電源開(kāi)關(guān)及電源航插插座與通信航插插座。高頻開(kāi)關(guān)電源輸出198～286V可調(diào)，輸出過(guò)壓保護(hù)296±5VDC，不可恢復(fù)，輸入欠壓保護(hù)158±10VAC（恢復(fù)電壓173±10VAC）交流電壓正常后，自動(dòng)恢復(fù)工作，設(shè)均流保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)并聯(lián)時(shí)負(fù)載均衡。

2.5 電力UPS模塊

采用兩臺(tái)3kVA電力UPS并聯(lián)使用，符合N+標(biāo)準(zhǔn)，電力UPS具有雙變換在線、零轉(zhuǎn)換功能。交流工作電壓范圍為176～264VAC；在直流供電時(shí)直流輸入工作范圍為198～286VDC。交流到直流輸入之間的切換時(shí)間為0s，逆變輸出到旁路輸出時(shí)間≤4ms。UPS自帶保護(hù)功能：輸入欠/過(guò)壓、過(guò)溫輸出過(guò)載保護(hù)、可自恢復(fù)，輸出短路時(shí)間在3s內(nèi)可自恢復(fù)，超過(guò)3s不可自恢復(fù)。電力UPS箱體后設(shè)電源開(kāi)關(guān)及電源航插插座與通信航插插座，用于和蓄電池組連接及交流輸出。

2.6 一體化監(jiān)控

在主電池組箱體上裝設(shè)一塊7寸觸控屏，用于對(duì)整個(gè)一體化電源進(jìn)行集中監(jiān)控，可編程觸控屏作為人機(jī)界面，能實(shí)現(xiàn)與BMS、充電機(jī)、電力UPS的通信，設(shè)電池監(jiān)控、充電監(jiān)控、UPS監(jiān)空等功能界面時(shí)時(shí)的監(jiān)控整個(gè)裝置的工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)各參數(shù)的整定，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)各部件啟停的手動(dòng)控制。裝置能夠?qū)崿F(xiàn)與調(diào)度的通信，實(shí)現(xiàn)裝置信息的實(shí)時(shí)上傳。

圖2 電池組原理接線圖

主顯示界面，顯示2組電池充放電狀態(tài)，顯示充電機(jī)、逆變器開(kāi)關(guān)狀態(tài)，控制充電機(jī)、逆變器開(kāi)關(guān)及禁止充電和整個(gè)系統(tǒng)關(guān)機(jī)。

電池監(jiān)控界面，可顯示電池相關(guān)信息及電池報(bào)警信息，包括電池組電壓、電池組電流、單體電池最高電壓、最低電壓、電池溫度、剩余容量、剩余電流百分比。顯示電池過(guò)壓、欠壓、充電過(guò)流、充放電過(guò)溫等預(yù)警信息。

逆變器監(jiān)控界面，可顯示逆變器相關(guān)信息包括輸出電壓、輸出電流、輸出頻率、逆變電壓、電池輸入電壓等信息。

充電機(jī)監(jiān)控界面，可顯示2臺(tái)充電機(jī)相關(guān)信息包括輸出電壓、輸出電流、脫機(jī)電壓、限流百分?jǐn)?shù)、等信息。

用戶登錄界面輸入密碼登錄成功后可以讀取及設(shè)置充電機(jī)相關(guān)參數(shù)。接線原理圖設(shè)計(jì)，如圖3、圖4所示。

圖3 高頻電源模塊原理接線圖

圖4 UPS原理接線圖

外觀圖設(shè)計(jì)，如圖5所示。

圖5 裝置外觀圖

3 結(jié)束語(yǔ)

采用分體組合式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，靈活易用，整體組合后能實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)一體化交直流電源的基本作用，高頻電源模塊與電池組組合使用可以獲得220V不間斷直流輸出，電力UPS與電池組組合使用可以獲得220V不間斷交流電源輸出，各單體又可單獨(dú)使用，實(shí)現(xiàn)各自的功能。各單體部件輕便，設(shè)有提手，方便搬抬，底部設(shè)有滾輪，方便移動(dòng)。

采用磷酸鐵鋰電池組作為電源核心的設(shè)備，相比原來(lái)笨重的同等kWh的鉛酸電池組質(zhì)量減少為1/9，體積減少為1/8，且能增加10倍的使用壽命。

借助完善的電池管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的自動(dòng)充放電控制、保護(hù)及監(jiān)測(cè)。電池組設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)多組并聯(lián)使用，各組電池負(fù)載均衡控制。在直流輸出的回路上設(shè)有防反向充電的二極管，能防止在與其他直流電源并聯(lián)時(shí)對(duì)電池組反充電。

一體化監(jiān)控測(cè)控屏設(shè)置在頂部，有45°的傾角便于觀察控制，監(jiān)控控界面直觀清晰。

裝置各單元背部以航插作為連接方式，可擴(kuò)展性強(qiáng)，根據(jù)需要，可以增加絕緣監(jiān)測(cè)儀、降壓硅鏈等設(shè)備，以增強(qiáng)裝置的功能。