一種基于蓄電池抽頭分組的守護型直流電源系統(tǒng)及其控制策略

摘"要： 傳統(tǒng)的直流電源系統(tǒng)采用蓄電池串聯(lián)結(jié)構(gòu)，存在可靠性較低、蓄電池手動核容耗能高以及安全隱患等問題。在不改變傳統(tǒng)直流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的情況下，提出一種基于蓄電池抽頭分組的守護型直流電源系統(tǒng)及其控制策略。通過蓄電池分組升壓并聯(lián)實現(xiàn)母線冗余供電，解決蓄電池組單節(jié)電池故障等造成母線失壓的問題，提高直流母線供電的可靠性。同時提出一種守護型直流電源系統(tǒng)的自動核容策略，減少手動核容過程中的能量損耗，提升直流電源設(shè)備的維護效率。

關(guān)鍵詞：抽頭分組; 守護型直流電源系統(tǒng); 母線失壓; 可靠性; 自動核容

中圖分類號： TM502

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號： 2095-8188（2024）03-0015-06

DOI： 10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.03.003

A Guardian DC Power Supply System Based on Battery Tap Grouping and Its Control Strategy

CHENG Yujie1，"YANG Shiqi2，"DING Yuan1，"LI Xinyuan1，"ZHANG Zhenyuan1，"CHENG Xingbang1

（1.Xu Ji Power Co.，Ltd.， Xuchang 461000， China;

2.Jinan Rail Transit Group Construction and Investment Co.，Ltd.， Jinan 250000， China）

Abstract：

The traditional DC power supply system adopts a series connection structure of batteries，which has problems such as low reliability，high energy consumption of manual battery capacity，and safety hazards.A guardian DC power supply system based on battery tap grouping and its control strategy are proposed without changing the traditional DC system structure.By grouping and boosting parallel batteries to achieve redundant power supply to the bus，the problem of bus voltage loss caused by single battery failure in the battery pack is solved.The reliability of DC bus power supply is improved.At the same time，a protective DC power supply system’s automatic capacity allocation strategy is proposed to reduce energy loss during manual capacity allocation and improve the maintenance efficiency of DC power supply equipment.

Key words：

tap grouping; guardian DC power supply system; bus voltage loss; reliability; automatic battery capacity verification

0"引"言

在發(fā)電廠和變電站中，直流電源系統(tǒng)是為保護裝置、自動裝置、斷路器、事故照明等提供直流電源的設(shè)備，起著不可替代的作用。蓄電池是直流系統(tǒng)的核心部分［1］，當(dāng)交流輸入電壓斷開時，其能夠維持直流母線電壓穩(wěn)定，為電力負(fù)荷提供電能［2-7］。

變電站中蓄電池長期處于浮充狀態(tài)時，其陽極板會出現(xiàn)鈍化，導(dǎo)致內(nèi)阻逐漸增大。為了檢查蓄電池的容量是否存在缺陷，需要定期對該蓄電池進行核容。但是目前變電站多采用手動核容的方式，即由專業(yè)人員將需要核容的蓄電池組從直流電源系統(tǒng)中脫離，接入充電機或電阻負(fù)載，對蓄電池進行充放電實驗。在該過程中電阻發(fā)熱嚴(yán)重，能量損耗較大。同時，實驗期間必須有值班人員看守，費時且費力。因此，自動核容的方案被提出。文獻［8］提出了一種“小容量多路并聯(lián)”的蓄電池連接方式，將多組蓄電池通過雙向AC/DC核容器連接至交流輸入側(cè)，然后自動閉合核容接觸器，對電池進行分組核容。但該方案需要更換現(xiàn)有蓄電池，成本較高。

為了提高直流母線的可靠性，除了定期對電池核容外，專家和學(xué)者還提出了失壓補償技術(shù)。即當(dāng)交流失電且蓄電池出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)仍能夠維持母線電壓穩(wěn)定。常見的失壓補償技術(shù)主要包括蓄電池跨接技術(shù)［9］和蓄電池并聯(lián)技術(shù)［10］。蓄電池跨接技術(shù)即在每節(jié)蓄電池上并聯(lián)一個跨接模塊。在單節(jié)蓄電池出現(xiàn)開路時，自動激活跨接模塊，使出現(xiàn)故障的蓄電池短路。但是對母線電壓會損失一節(jié)蓄電池的電壓，若多節(jié)蓄電池同時跨接，母線電壓就會過低，用電設(shè)備無法正常工作。蓄電池并聯(lián)技術(shù)即將蓄電池組進行分組，每組蓄電池通過DC/DC變換器連接至直流母線，改變了傳統(tǒng)蓄電池組串聯(lián)的形式。但是DC/DC變換器需要消耗部分能量，當(dāng)蓄電池組無異常時系統(tǒng)的效率有所降低;并且改變了直流電源系統(tǒng)的接線方式，不利于現(xiàn)有系統(tǒng)的改造。

本文首先分析現(xiàn)有直流系統(tǒng)的組成以及存在的問題;然后在不改變接線方式的前提下，提出了一種基于蓄電池抽頭分組的守護型直流電源系統(tǒng)，實現(xiàn)了蓄電池組的自動核容以及直流母線的失壓補償;最后通過實驗進行了驗證。

1"傳統(tǒng)直流系統(tǒng)組成與存在的問題

1.1"傳統(tǒng)直流系統(tǒng)組成

某水電站直流系統(tǒng)為220 V直流系統(tǒng)，主要由交流配電單元、蓄電池組、絕緣監(jiān)測裝置、巡檢裝置、充電模塊等組成。傳統(tǒng)直流系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

交流配電單元有兩路交流電輸入，互為備用，交流電經(jīng)交流輸入斷路器、交流接觸器、避雷器等送至各個充電模塊，為充電模塊提供交流電源。充電模塊將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，供廠站直流負(fù)載和蓄電池使用。蓄電池作為后備能源，確保交流電失電的情況下提供直流電源。絕緣監(jiān)測裝置實時監(jiān)測直流系統(tǒng)對地電阻，以保證設(shè)備的絕緣性;巡檢裝置檢測蓄電池的健康狀況，并發(fā)送蓄電池的故障信息。

當(dāng)交流輸入電源正常時，交流電通過充電模塊給負(fù)載供電，蓄電池處于浮充狀態(tài);當(dāng)交流失電時，由蓄電池給負(fù)載提供電能;若交流失電且蓄電池出現(xiàn)故障，則直流系統(tǒng)癱瘓，直流母線失電，變電站保護裝置、事故照明等設(shè)備無法正常運行。

1.2"直流系統(tǒng)存在的問題

該水電站站用直流電源為十年前的產(chǎn)品，產(chǎn)品雖然已經(jīng)安全運行十年，但是隨著電源技術(shù)的進步，總結(jié)產(chǎn)品十年運行的經(jīng)驗得出現(xiàn)有產(chǎn)品主要有以下短板［11］：

（1） 當(dāng)交流輸入電源正常時，交流電通過充電模塊給負(fù)載供電，蓄電池處于浮充狀態(tài);當(dāng)交流失電時，由蓄電池給負(fù)載提供電能;若交流失電期間，任一節(jié)電池出現(xiàn)故障導(dǎo)致蓄電池開路［12-13］，則直流系統(tǒng)癱瘓，直流母線失電，變電站保護裝置、事故照明等設(shè)備無法正常運行。

（2） 為了提高蓄電池組的可靠性，變電站需要定期對蓄電池組進行核容。目前該電站采用手動核容的方式，需要將蓄電池組從直流系統(tǒng)中脫離，然后手動接入電阻負(fù)載，增加了接線錯誤的風(fēng)險。此外在手動核容期間，其中一段母線失去作用，降低了直流系統(tǒng)的可靠性，并且需要檢修維護人員長時間全程守護，費時且費力［14-16］。

2"守護型直流電源系統(tǒng)

2.1"守護型直流電源系統(tǒng)架構(gòu)及原理

守護型直流電源系統(tǒng)在傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)接線形式的基礎(chǔ)上，將原有每組電池組（103只×2 V）抽出4個小組抽頭（前3個小組每組26只，第4個小組25只），再通過DC/DC充電模塊和DC/DC升壓補償模塊連接到原系統(tǒng)直流母線上，構(gòu)成守護系統(tǒng)。以I段母線為例，守護系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

DC/DC升壓補償模塊（DT）的額定輸出電壓為220 V，額定輸出電流為10 A，滿載效率為90%，輸入欠壓保護值設(shè)置為46 V。每個小組升壓補償模塊的數(shù)量為

n=UinIinηUoutIout（1）

式中："Uin——升壓補償模塊的輸入電壓;

Iin——輸入電流，為100 A;

η——升壓補償模塊的效率;

Uout——輸出電壓;

Iout——額定輸出電流。

對于每個小組蓄電池的端電壓，前3小組為58.5 V，第4小組為56.25 V;升壓補償模塊設(shè)置的輸出電壓上限值為210 V;因此，本系統(tǒng)中n為3。

DC/DC充電模塊（CD）的額定輸出電壓為48 V，額定輸出電流為40 A。由于蓄電池均充電流為100 A，因此每個小組配備3臺DC/DC充電模塊。

2.2"守護型直流電源系統(tǒng)控制策略

2.2.1"守護型直流電源系統(tǒng)失壓補償策略

當(dāng)交流電源出現(xiàn)故障時，守護型直流電源系統(tǒng)充電裝置（AU）交流輸入欠壓，無法正常工作，微機直流監(jiān)控裝置控制或與交流電源故障信號聯(lián)動控制QP分閘，負(fù)荷由蓄電池供電，此時系統(tǒng)分為蓄電池組無開路和蓄電池組開路2種工作狀態(tài)。失壓補償策略流程如圖3所示。

當(dāng)蓄電池?zé)o開路情況時，其兩端的電壓（母線電壓）為234 V，由于DC/DC升壓補償模塊（DT）輸出電壓設(shè)定為210 V，電流給定為10 A，因此DT模塊設(shè)定電壓小于母線電壓，無輸出電流，處于熱備用狀態(tài)。此時守護系統(tǒng)無電流流經(jīng)，蓄電池組處于整體運行模式，經(jīng)過斷路器1QS向負(fù)荷供電。

當(dāng)蓄電池開路（假設(shè)第1小組蓄電池開路）時，蓄電池組無法為直流母線提供電壓。若不接入守護系統(tǒng)，直流母線電壓會衰減為零，直流用電設(shè)備停機;若接入守護系統(tǒng)，當(dāng)直流母線電壓衰減至210 V時，第1小組DT模塊處于欠壓停機狀態(tài)，其他3個小組的DT模塊處于運行狀態(tài)，維持直流母線電壓210 V穩(wěn)定，保證負(fù)荷正常運轉(zhuǎn)。此時，斷路器1QS和第1小組DT模塊無電流，第2小組～第4小組蓄電池通過各自DT模塊向負(fù)荷供電，處于分組運行模式。

2.2.2"守護型直流電源系統(tǒng)自動核容策略

直流系統(tǒng)蓄電池組的安全直接關(guān)系變電站甚至電網(wǎng)的正常運行。蓄電池組運行過程中，受長時間的使用及運維不利因素的影響，使得蓄電池組容易出現(xiàn)劣化、漏液、性能下降、使用壽命下降等問題，需要技術(shù)人員定期對其核容。然而電力檢修公司在蓄電池組核容放電維護工作上花費了大量人力、物力，并且在手動核容的過程中存在安全隱患。因此，本文提出了一種蓄電池組自動核容的方案，實現(xiàn)了核容過程中無需將蓄電池組手動脫離直流電源系統(tǒng)，并且無需人員看守。

蓄電池組自動核容采用分組核容的方式進行。蓄電池組自動核容流程如圖4所示。蓄電池組開始自動核容時，首先檢查蓄電池組的工作狀態(tài)，若蓄電池組不處于浮充狀態(tài)或者存在故障，則不滿足自動核容條件，自動退出核容;若滿足自動核容條件，則第1小組蓄電池開始自動放電，當(dāng)?shù)?小組蓄電池端電壓lt;2.04×電池只數(shù)時，判定第1小組放電結(jié)束，然后第1小組蓄電池開始自動充電，端電壓gt;2.25×電池只數(shù)，則判定充電結(jié)束，從而開始第2小組蓄電池放電，依次類推，直至4個小組全部完成充放電，則判定蓄電池組核容成功。

下面以第1小組為例，具體分析蓄電池自動核容過程中設(shè)備的運行狀態(tài)。蓄電池自動核容放電設(shè)備狀態(tài)表如表1所示。此時整流器的電壓給定為蓄電池的浮充電壓，電流給定大于負(fù)荷電流100 A。為了防止環(huán)流充電，將QP分閘，利用二極管單向?qū)ㄌ匦越狗纸M放電時母線對蓄電池充電。DC/DC充電模塊1CD1～1CD12處于關(guān)機狀態(tài)。DC/DC升壓補償模塊1DT1～1DT3輸出電壓給定為蓄電池浮充電壓，調(diào)節(jié)限流給定使得蓄電池第一小組端電流達到100 A。1DT4～1DT12保持210 V電壓給定不變，此時無電流輸出，處于熱備用狀態(tài)。

蓄電池自動核容充電設(shè)備狀態(tài)表如表2所示。此時充電器的電壓給定為蓄電池的浮充電壓或者均充電壓，電流給定大于負(fù)荷電流100 A，QP處于分閘狀態(tài)。DC/DC充電模塊1CD1～1CD3處于開機狀態(tài)。1CD4～1CD12處于關(guān)機狀態(tài)。DC/DC升壓補償模塊1DT1～1DT12輸出給定電壓為210 V，無電流輸出，處于熱備用狀態(tài)。

蓄電池核容充電采用先均充后浮充的方式，因此DC/DC充電模塊1CD1～1CD3的初始電壓給定為單體均充電壓×節(jié)數(shù)，限流為100 A;當(dāng)滿足均充轉(zhuǎn)浮充條件時，調(diào)節(jié)電壓給定為單體浮充電壓×節(jié)數(shù)，電流≤10 A，持續(xù)2 h后，本組充電結(jié)束關(guān)機，啟動下一組放電核容。

3"實驗驗證

3.1"失壓補償實驗

將傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)與守護型直流電源系統(tǒng)接入三相交流電，并將第2小組蓄電池開路，測試交流失電且蓄電池故障時直流母線電壓的變化情況。交流失電母線電壓變化曲線如圖5所示。

由圖5可見，當(dāng)交流失電時，傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)的直流母線電壓從234 V快速跌落至0 V，保護裝置、應(yīng)急照明等設(shè)備失去供電;守護型直流電源系統(tǒng)的直流母線電壓從234 V衰減至210 V，然后DC/DC升壓補償模塊1DT1～1DT3、1DT7～1DT12處于開機運行模式，1DT4～1DT6處于輸入欠壓保護狀態(tài)，最終母線電壓穩(wěn)定在210 V不變，直流負(fù)荷未出現(xiàn)停機等異常情況。

3.2"自動核容測試

蓄電池組核容采用分組核容的方式，但由于示波器捕獲實驗波形的時間長度有限，因此只能對第1小組蓄電池自動核容進行實驗驗證，并將蓄電池自動核容過程中放電、靜置、充電時間分別縮短為1 h、10 min、1 h。第1小組蓄電池自動核容波形如圖6所示。

圖6中4個通道分別為：1DT1～1DT3輸出電壓、守護系統(tǒng)至母線側(cè)電流、第1小組蓄電池端電壓、第1小組蓄電池電流。蓄電池電流正向代表放電，負(fù)向代表充電。

由圖6可見，第1小組蓄電池自動核容共分為放電、靜置和充電3個階段。在放電階段，1DT1～1DT3處于運行狀態(tài)，1CD1～1CD3處于關(guān)機狀態(tài)。守護系統(tǒng)至母線側(cè)的輸出電壓為234 V，輸出電流由21.1 A逐漸減小，第1小組蓄電池至守護系統(tǒng)側(cè)的電壓由55 V逐漸減小，電流為100 A。當(dāng)蓄電池靜置時，1DT1～1DT3處于熱備用狀態(tài)，1CD1～1CD3處于關(guān)機狀態(tài)。當(dāng)蓄電池處于充電階段，1DT1～1DT3仍處于熱備用狀態(tài)，1CD1～1CD3處于運行狀態(tài)，其輸入電壓為234 V，輸入電流為28 A，輸出電壓為60 V，輸出電流為100 A。因此，守護型直流電源系統(tǒng)可以在無人工干預(yù)的情況下，實現(xiàn)蓄電池組的自動核容。

3.3"可靠性分析

系統(tǒng)的可靠性是指系統(tǒng)不發(fā)生故障的概率［17］。在串聯(lián)系統(tǒng)中，任何一個單元的故障都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)發(fā)生故障;對并聯(lián)系統(tǒng)而言，只要其中有一個單元不失效，系統(tǒng)就不會出現(xiàn)故障。串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性數(shù)學(xué)模型分別為

R=∏ni=1Ri"i=1，2，…，n（2）

R=1-∏ni=1（1-Ri）"i=1，2，…，n（3）

式中："R——系統(tǒng)的可靠性;

Ri——系統(tǒng)第i個單元的可靠性。

假設(shè)單體蓄電池的可靠性為99.9%，DT模塊的可靠性為95%。傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)采用103只蓄電池串聯(lián)，系統(tǒng)的可靠性R=（99.9%）103=90.208%。

對于守護型直流電源系統(tǒng)而言，前3個小組的可靠性R1，2，3=（99.9%）26×95%=92.560 6%。

第4個小組的可靠性R4=（99.9%）25×95%=92.653 3%。

因此，守護型直流電源系統(tǒng)的整體可靠性

R=1-（1-R1，2，3）3（1-R4）=99.997 0%。

由以上計算可知，守護型直流電源系統(tǒng)比傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)的可靠性更高。

4"結(jié)"語

隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)已不能滿足變電站安全運行的需求。本文首先針對傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)可靠性低以及手動核容工作繁瑣等問題，在不改變直流系統(tǒng)原有結(jié)構(gòu)的前提下，提出了一種基于蓄電池抽頭分組的守護型直流電源系統(tǒng)。其次，設(shè)計了失壓補償策略和蓄電池組自動核容策略。最后，搭建了實驗環(huán)境，驗證了守護型直流電源系統(tǒng)在交流失電且蓄電池存在斷路的情況下，能夠維持直流母線電壓的穩(wěn)定，確保直流用電設(shè)備的可靠運行;同時在無人工的干預(yù)下實現(xiàn)了蓄電池的自動核容。

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收稿日期： 20231112