一种基于蓄电池组自动核容的新型直流系统设计与研究

邱育义，李 欧

（广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000）

0 引 言

蓄电池组作为变电站直流备用电源，当交流供电端出现事故导致交流断电时，蓄电池组将充当功率输出端，保证直流母线上用电设备正常工作，避免造成事故影响的扩大化。因此，蓄电池组的可靠运行是电力系统可靠运行的一道重要保障。为了保证蓄电池组能长期可靠运行，需要定期对蓄电池组进行维护。蓄电池组正常处于浮充电状态，长期浮充电将造成极板硫化、失水等，导致性能下降。蓄电池核容试验是判断蓄电池性能最准确、最权威的方法[1-5]。

传统的变电站蓄电组核容试验装置及模式不仅存在耗时长、人工成本高、过程繁琐及试验数据记录质量可控性差的不足，更存在报警后需要人工终止、容易造成电池二次损坏的缺陷[6-8]。鉴于此，本文设计了一套变电站直流电源蓄电池组自动核容系统，并以此为基础研制了一种新型直流系统构架，可有效提高直流电源系统供电的可靠性。

1 现有变电站直流系统研究

当前变电站直流系统构架如图1所示[9]。其中，系统配置2组蓄电池，分为两段直流母线，通过母联开关K0互为备用。

图1 传统变电站直流系统构架图

根据多年的运行经验，该直流系统存在以下缺点。

（1）当交流电网和其中一组蓄电池同时故障，由于母联开关K0需要手动操作合闸，在K0闭合前，故障的蓄电池组所对应的直流母线将会失电，从而造成该直流母线上的系统设备掉电。变电站的继电保护设备一旦失电，再次上电后需要10 min以上才能恢复正常的保护功能，因此该直流系统存在一定安全隐患。

（2）目前，蓄电池维护方法是定期使用蓄电池放电仪放电，放电过程中，通过电池巡检仪计算蓄电池组的容量并根据各单节电池端电压的一致性判断蓄电池组的优劣[10]。这种维护方法在维护时首先闭合K0，然后断开被维护蓄电池组的输出开关（K2或K5），闭合被维护蓄电池组的放电开关（K3或K4）。所有的开关操作需要现场手动操作，维护过程中需要专业人员全程跟踪，每组蓄电池维护一次的时间约为10～20 h，电力系统中使用的蓄电池组数量庞大，人力成本很高。

2 新型直流系统的设计与研究

针对现有技术的缺陷，本文设计了一种基于蓄电池组自动核容的新型直流系统，系统架构如图2所示。其中加入了新型元件双向DC/DC模块和有源逆变模块，可同时实现两段直流母线的互为备用功能和蓄电池组自动核容功能。

图2 一种基于蓄电池组自动核容的新型直流系统构架

2.1 蓄电池组自动核容功能

本文以某220 V直流电源系统为例，详述图2所示蓄电池组自动核容功能。蓄电池组Ⅰ和蓄电池组Ⅱ的配置完全一致，容量均为200 Ah，均充电压Ue=242 V，浮充电压Uf=230 V，放电终止电压Uset=194.4 V，恒流放电电流Iset=20 A；直流母线Ⅰ和直流母线Ⅱ的最低工作电压Umin=192.5 V。系统正常工作情况下，直流母线Ⅰ和直流母线Ⅱ的电压为蓄电池组的浮充电压UⅠ＝UⅡ＝230 V，双向DC/DC模块的第一直流端口和第二直流端口的电压均为UDC/DC=200 V，放电控制开关处于C位，有源逆变模块处于关机状态，母联开关处于断开状态。其对蓄电池组Ⅰ进行自动核容的流程如图3所示。

图3 蓄电池组I自动核容流程图

由图3可知，蓄电池组自动核容主要包括以下4个步骤。

S1：蓄电池组的核容周期nT在系统监控器中事先预设，到期自动启动。

S2：当蓄电池组Ⅰ自动核容周期到时，系统监控器下发指令对双向DC/DC模块进行自检。调整双向DC/DC模块的第一直流端口的输出电压UDC/DC1大于直流母线Ⅰ的电压，令UDC/DC1＝232 V，并且维持时间t1。若t1内，若双向DC/DC模块自动转换为输出状态，并且能为直流母线Ⅰ供电，则双向DC/DC模块自检通过；否则自检失败，UDC/DC1将被调整为200 V，发出告警信号，蓄电池组不再进行核容放电下一个流程。

S3：双向DC/DC模块自检通过之后，系统监控器通过对充电机，双向DC/DC模块，控制开关和有源逆变模块的控制，实现对被维护蓄电池组的均衡充电和恒流放电。

系统监控器将控制充电机Ⅰ的输出电压UCI和双向DC/DC模块第一直流端口的输出电压UDC/DC1均大于直流母线Ⅰ的最低工作电压Umin（192.5 V）且小于蓄电池组Ⅰ的放电终止电压Uset（194.4 V），假设取193.5 V。UCI、UDC/DC1设置完成后，系统监控器将放电控制开关投切到A端，使蓄电池组Ⅰ与有源逆变模块的直流端口连接，同时设置有源逆变模块的输入电流为蓄电池组Ⅰ的放电电流20 A，启动有源逆变模块，使蓄电池组Ⅰ通过有源逆变模块向交流电网以20 A恒流放电。

S4：当系统监控器检测到蓄电池组Ⅰ的端电压UXI小于等于放电终止电压Uset时，系统监控器关闭有源逆变模块，并操作控制开关投切到C端，使得蓄电池组Ⅰ与有源逆变模块的直流端口断开连接，同时系统监控器将计算出蓄电池组Ⅰ的容量。然后系统监控器控制充电机Ⅰ的输出电压为均充电压242 V，为蓄电池组Ⅰ进行均衡充电。均衡充电结束后，系统监控器控制充电机Ⅰ的输出电压为浮充电压230 V，使蓄电池组Ⅰ进入浮充电状态，并控制双向DC/DC模块的第一直流端口的输出电压恢复到200 V，至此蓄电池组Ⅰ的在线维护过程结束。

2.2 双向DC/DC模块智能后备功能

蓄电池组的放电维护过程中，若发生蓄电池组状态异常导致母线电压低于UDC/DC1，双向DC/DC智能模块将自动投入，即使同时发生交流电源失电，仍能保证直流母线的连续供电。

以蓄电池组Ⅰ自动维护过程为例，此时充电机输出电压UCI和双向DCD端口1的输出电压均设定为193.5 V。若在蓄电池组Ⅰ自动核容放电的过程中，蓄电池组Ⅰ和交流电网同时发生故障，直流母线Ⅰ的电压将下降，当其下降到193.5 V时，双向DC/DC模块将自动将第一直流端口设置为输出状态，第二直流端口设置为输入状态，直流母线Ⅱ将通过双向DC/DC模块自动为直流母线Ⅰ供电，保证直流母线Ⅰ供电的连续性。当直流母线Ⅰ的电压恢复正常后，双向DC/DC模块将自动恢复原备用状态，直流系统恢复正常运行。

3 结 论

总结了现有直流系统系统在工程应用中的不足，即直流母线并列和蓄电池核容放电均需要专业人员手动现场操作，存在较大的安全隐患，且人工成本高，过程繁琐，大大降低了直流电源系统的供电可靠性。

提出了一种基于蓄电池组自动核容的新型直流系统设计。这种新型的直流系统能够实现蓄电池自动核容维护策略，大幅度减少人力成本，且充电机和智能母联装置都处在实时热备状态，为核容蓄电池组提供在线后备电源，保障蓄电池组在核容过程中直流母线供电的可靠性。