分布式并联智能直流电源系统在220kV智能变电站中的应用

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目前变电站直流系统通过多只数量铅酸蓄电池串联组成。有以下问题：无法通过更换单体电池解决直流系统容量不足情况；蓄电池组中任意一组蓄电池损坏，都将导致整个蓄电池组无法正常工作；无法实现在线核容，导致变电站直流系统维护人员工作繁重；质量最差的一只蓄电池决定了蓄电池组的可靠性。

1 分布式并联智能直流电源系统简介

并联型直流电源系统组成包括若干并联电池组件、均流线、直流母线、直流馈线开关、蓄电池巡检装置、直流监控等。

通过将单只12V蓄电池（或6只2V蓄电池串联），与匹配的AC/DC、DC/DC电路及蓄电池充放电管理电路集成，设计为“间接并联智能电池组件”，多个电池组件通过并联形成并联电池系统。系统蓄电池隔离配置，可实现新旧电池混用。

并联电池直流电源系统优点有：蓄电池和并联电池组件一一对应，系统中各蓄电池之间相互独立，无直接联系，直流系统性能不再受制于单个蓄电池模块影响；并联电池组件采用插拔式接头，支持带电热插拔；系统采用N+M备份方式，一个并联电池组件退出系统对系统供电无影响；可根据变电站负荷需求情况扩充并联模块，扩容无需停电[1-2]。

分布式并联智能电源系统是根据需要，在负荷附近分别布置蓄电池组，可减少直流馈线电缆，提高绝缘可靠性。同时将集中布置方式下的直流系统断路器（熔断器）的4级级差配合方式简化为2级配合，优化了直流空开的选型。

2 案例应用

假设某220kV变电站为全户内变电站，直流负荷有：二次设备室及配电室区内设备（含UPS）本期6.038kw，终期6.668kw；通信设备本期2.8kw，终期4kw；220kVGIS区设备本期3.592kw，终期4.992kw；110kVGIS区设备本期1.572kw，终期2.102kw。

考虑2种方案：方案一，全站配置1套并联智能电源系统；方案二，全站配置2套并联智能电源系统，即二次设备室配置1套，供二次设备室设备及配电室设备使用，GIS室配置1套，供GIS设备使用。

2.1 方案一计算过程

（1）电源组件数量选择。

a.需求容量：

本期 P1=Pj-Ps=6.038+2.8+3.592+1.572-0=14.002（kW）；

终期 P1’=6.668+4+4.992+2.102-0=17.762（kW）。

其中：Pj为直流负荷计算容量；Ps为随机或冲击负荷。（考虑到充电模块具备短时耐受Ie的2倍，故不考虑随机或冲击负荷的电流。）

b.组件数量：

本期：N=P1÷Pmax÷Ka=14.002×103÷500÷0.8=35.005；

终期 N’=17.762×103÷500÷0.8=44.405。

其中：Pmax为组件输出最大功率；Ka=80%，每组12V蓄电池模块功率500W，出于组件安全余量的考虑，建议每个组件工作在80%负荷以下。当组件数量N＞7时，组数按N+2考虑。

组件数量：本期36+2=38（台），终期45+2=47（台），共配置2组。

（2）蓄电池容量选择。

单个蓄电池放电电流：

本期：

Is=(P1÷N÷η)÷U=(14.002×103÷38÷0.85)÷12=36.12（A）；

终期 Is’=(17.762×103÷47÷0.85)÷12=37.1（A）

其中：P1为直流负荷实际容量；N为直流系统选择组件数量；η为电池的放电效率，取值0.85；U为蓄电池额定电压，取值12V。

220kV变电站蓄电池电时间按照2个小时考虑，末期放电电压取1.87V，则蓄电池容量：

本期：

Cc=Krel×(Is÷KC)=1.4×(36.12÷0.399)=126.7(Ah)；

终期：

Cc’=Krel×(Is÷KC)=1.4×(37.1÷0.399)=130.2(Ah)。

其中：Krel为可靠系数，取1.40；KC为容量换算系数，选择为0.399。

蓄电池容量为150Ah。

其余方案不再一一计算，直接给出结果。

方案一：2组并联电池组件，每组47个（本期38个）并联电池组件，每个组件蓄电池规格为12V/150Ah，并联电池组件柜12面，馈线柜4面，UPS柜2面，DC/DC柜2面，放置在二次设备室。

方案二：2组并联电池组件，每组29个（本期25个）并联电池组件，每个组件蓄电池规格为12V/150Ah，并联电池组件柜8面，馈线柜2面，DC/DC柜2面，UPS柜2面，放置在二次设备室；2组并联电池组件，每组20个（本期15个）并联电池组件，每个组件蓄电池规格为12V/150Ah，并联电池组件柜6面，馈线2面，放置在GIS室。

2.2 方案比较

不考虑通信电源及UPS,方案一共94个蓄电池及并联模块，蓄电池柜12面；馈线柜4面，约87.12万元；方案二共98个蓄电池及并联模块，蓄电池柜14面；馈线柜4面，约92.4万元。

2种方案优缺点：方案一运维便利性高，对负荷分散布置适应性较低，造价低；方案二运维便利性较低，对负荷分散布置适应性较高，造价较高；结合本工程实际，方案二可以减少对二次设备室屏柜需求，充分利用GIS室空间，同时造价、运维等因素，推荐采用方案二。

3 结语

近几年磷酸铁锂蓄电池凭借其超长寿命、使用安全、绿色环保无记忆效应、体积小质量轻等优点在变电站中逐渐推广，建议下一步研究磷酸铁锂蓄电池的应用。