1传统串联蓄电池组方案的缺陷
目前国内变电站的直流电源系统基本上都是采用串联蓄电池组方案,该方案主要存在以下问题:
(1)可靠性低:传统的单体电池串联模式,整串电池整体性能受制于最弱一只电池性能,而且新旧电池不能混用,因此一只或几只电池缺陷将影响其它电池,一只或几只电池损坏必须整体更换,串联越多,每只电池利用率越差｡(2)维护不方便:目前蓄电池组容量因电池的记忆效应,智能靠定期离线全容量核容才能真正确定实际容量;及时发现蓄电池内部故障,亦不能在线更换,需将备用蓄电池组并联带载,在退出问题蓄电池进行维护;甚至坏掉几只,整组蓄电池就将报废｡(3)蓄电池组难以分散布置:随着智能变电站的实施,保护测控装置按间隔就地布置的方案推广开来,自然对电源就地布置提出要求,而传统串联蓄电池模式下,难以达到就地分散布置｡(4)蓄电池组投资比重大:串联蓄电池组荣誉方案智能采用相同数量串联蓄电池组作为备用,经济性不好,对专用蓄电池室的投资要求也较高,蓄电池电压校验､核容等维护工作量大｡(5)铅酸蓄电池在变电站中的大量使用,环境保护的压力越来越大｡通过采用基于并联蓄电池的直流电源恰好解决了上述问题｡本文提出了220(110)kV变电站采用基于并联蓄电池的直流电源系统方案以解决传统串联蓄电池的直流电源系统所产生的问题｡
2并联直流系统基本原理
随着科技的进步,基于电力电子技术和智能控制技术的直流电源并联方式被提了出来｡该技术通过将单只12V的蓄电池与匹配的AC/DC充电电路､DC/DC升压电路､DC/DC放电电路组合为充放电管控模块,使该模块与单只12V蓄电池连接组成并联电源组件｡其基本思路为:单只12V蓄电池通过电力电子装置直接升压后获得系统额定端电压,单只12V蓄电池与其充放电管控模块形成一个电源组件,通过合理数量的电源组件并联来满足直流电源系统总容量需求并提供系统冗余｡
2.1并联电源组件工作原理
并联直流电源系统由交流进线､AC/DC整流电路､DC/DC充电电路､DC/DC升压电路､DC/DC放电电路､滤波电路､监控CPU､12V蓄电池､测温元件等构成｡依据直流电源充放电方式,综合电力电子装置,可构成单个并联电源组件｡
2.2并联直流系统方案
并联直流电源系统可由多个并联电源组件并联组成,每个组件独立配置标称电压为12V的蓄电池,通过直流熔断器与DC220V母线相连,与直流监控管理装置通过CAN通信总线连接｡并联直流电源系统如图1所示。
图1并联直流电源系统图
3并联直流电源系统关键技术
3.1过载能力及馈线短路隔离技术
并联直流电源系统中蓄电池通过DC/DC升压电路间接并联于直流母线上,将交流电源与直流电源有效隔离,避免交直流串电的情况发生｡而且在馈线短路时,通过电力电子技术直流系统提供足够的短路电流保证馈线保护能正确动作,并能实现馈线短时隔离｡
3.1.1并联电池输出电流与持续时间类似反时限输出特性
并联直流电源系统的输出总电流为各个组件电流之和,在直流过载或馈线短路时可平均分配至每个组件｡在实际动作过程中,蓄电池输出电流与持续时间成反时限输出特性｡
3.1.2基于并联直流电源系统的串联电池组续流
在过载或馈线短路时,并联蓄电池由于自身的特性限制不能给负载持续输出大电流,因此提出了一种基于并联直流电源系统的串联蓄电池组续流方案｡系统正常运行时,由AC/DC充电电路､DC/DC升压电路为直流母线提供工作电压;当过载或馈线短路时,可由并联蓄电池组件提供电流;当短路使得直流母线电压低于串联蓄电池提供的电压时,由串联蓄电池提供大电流,以维持母线电压稳定｡
3.2在线全自动全容量核容技术
直流电源系统在交流输入正常的情况下,根据直流监控管理装置设定的时间间隔,向满足时间间隔要求的模块下发指令;该模块收到指令后,将系统均流退出,关闭内部AC/DC充电电路,对蓄电池管理由充电转换成放电,在蓄电池满容量的状态下,按规定的恒定电流进行放电(0.1C10),在其中一只放至终止电压(12V蓄电池为10.8V,2V蓄电池为1.8V)时停止,按照C=If×t(Ah)进行容量计算｡然后开启AC/DC充电电路,对蓄电池进行充电,由此完成一个待核容电池的在线核容过程｡
3.3精细化蓄电池在线管理技术
并联电池组件中一个智能模块对一只12V蓄电池进行一对一精细化管理,实时监控蓄电池状态,包括电池充放电管理､温度管理､容量计算等,并根据充放电过程中的电流､电压值计算蓄电池的内阻,实现蓄电池各项参数在线管理｡
4直流电源系统可靠性分析
4.1串联直流电源系统可靠性计算
在串联直流电源系统中,性能最弱的一只蓄电池将决定整组蓄电池的可靠性｡可靠性计算模型可用串联系统可靠性来表征,串联系统可靠性是指组成系统的所有单元中,任何一个单元故障都会导致整个系统故障｡串联系统的可靠性数学模型如下:
式中,Ra为系统可靠度;Ri为第i个系统可靠度｡
4.2并联直流电源系统可靠性计算
并联直流电源系统中,蓄电池与蓄电池之间没有电的联系,少数几只蓄电池损坏并不影响直流母线电压稳定｡其可靠性计算模型可用表决系统来表征,表决系统可靠性是指组成系统的n个单元中,不失效的单元数不少于k(k∈n),则系统就不会失效｡其可靠性计算模型为:
式中,Rs为系统可靠度;R为每个单元的可靠度;
4.3两种电源系统可靠性对比
对于变电站DC220V系统,采用串联直流电源系统时,假定配置104只标称电压为2V的蓄电池,每只蓄电池的可靠性一致,单只蓄电池的可靠性为99.99%,则104只蓄电池的可靠性Ra=(99.99%)104=98.965%;采用并联直流电源系统时,假定配置24个DC12V/DC220V并联直流电源组件能满足变电站全站负荷需求,其中20个不失效,直流系统就不会失去稳定｡若每个并联型电源变换模块可靠性为97%,12V蓄电池可靠性为99.99%,1个并联直流电源组件的可靠性为97%×99.99%=96.99%,并联直流电源系统(20个组件不失效)的可靠性为:
由以上计算可知,并联直流电源系统的可靠性比串联直流电源可靠性高｡
5结语
并联直流电源系统解决了串联直流系统在运行维护中存在的维护难､可靠性低､安全性差等缺陷,再结合新技术,减少了运维人员的工作量,将是以后站用直流电源的发展方向｡
参考文献
[1]杨思安.一种220kV变电站并联型直流电源的应用与研究[J].九江学院报(自然科学版),2018(3):29-31.
[2]赵贤龙.并联直流电源系统原理及应用[J].农电技术,2017(5):37-38.
[3]贾平,周鸿喜,冷旭东,等.并联直流电源技术在电力通信系统中的应用[J].电力信息与通信技术,2019,17(9):62-66.