基于双向DC/DC智能母联的直流电源系统的研究

张建华，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

为保障电力系统的安全运行，发电厂、变电站的控制及保护设备多采用双充双电直流电源系统供电方式[1]。

根据直流电源系统的接线方式，如下关键节点的故障将有可能导致直流系统故障，直流母线失压。

（1）降压硅链开路；（2）蓄电池开路或者容量不足；（3）蓄电池进线开关故障；（4）站用交流电源故障；（5）充电机故障。

此种直流系统在电网和蓄电池同时故障时必然导致故障段母线长时间失压，从而严重影响保护装置的正常运行和电网设备的安全运行[2]。基于此，本文提出了一种基于双向DC/DC的智能型母联装置，在保持原有直流系统的运行方式及运行参数不变的基础上，利用双向DC/DC变换器，实现两段直流母线互为备用。

1 智能型母联装置组成

智能型母联装置采用双向DC/DC变换器，由电压电流检测单元、功率开关、保护单元及储能单元等组成[3]。双向DC/DC为双端口结构，他的两个端口分别连接Ⅰ段直流母线和Ⅱ段直流母线，即双向DC/DC与母联开关KO为并联关系，由此构成的新型直流电源系统结构如图1所示。

双向DC/DC的输入特性与通信用DC/DC模块相同，输出特性与充电机的输出特性相同。双向DC/DC的两个直流端口之间是电气隔离的，其结构如图2所示。

图1 新型直流电源系统结构

图2 双向DC/DC模块连接图

收稿日期：2019-05-22

在两段直流母线均正常的情况下，双向DC/DC的两个直流端口均处于输入状态，当任一母线电压异常时，双向DC/DC的对应端口自动转换为输出状态，将另外一段母线的电能传输至故障段母线，保证故障段母线不间断供电。

此外，双向DC/DC每个端口处均含有滤波电容，该滤波电容能起到储能并防止输出状态转换时输出电压跌落的作用。

2 智能型母联装置的功能

采用双向DC/DC方案，因为不存在母联开关的闭合与断开的操作，因此响应速度快。由于双向DC/DC的输出具有可靠的限流保护特性，不会因为故障段母线过载或短路导致正常段母线过载，因此双向DC/DC的输出状态转换不需要考虑负载电流的大小，仅需检测母线电压，控制逻辑简单、可靠[4]。

本文研制的智能型母联装置，能实现如下功能。

（1）两段直流母线均正常时，双向DC/DC无输出、处于待机状态、待机功耗不超过双向DC/DC额定功率的0.1%，不影响直流母线的运行。

（2）任意一段直流母线电压低于设定值（包括单独蓄电池供电时发生开路故障）时，双向DC/DC立即转换为输出状态，保证直流母线电压始终不低于标称电压的90%。

（3）蓄电池在线放电维护过程中发生电网故障时，若对应的母线电压低于双向DC/DC的设定值，则双向DC/DC自动启动，协助被放电的蓄电池组供电。

（4)在蓄电池组单独供电情况下，若其中一组蓄电池容量不足，双向DC/DC自动启动，协助该组蓄电池供电。

（5）双向DC/DC的输出限流保护特性，可以确保故障段母线发生任何故障，不会影响正常段母线的安全运行。

（6）双向DC/DC的运行参数设定后，其运行状态的转换是自动的，无需外部控制。满足输出条件时，自动转为输出状态；满足限流条件时，自动进入限流状态；满足待机条件时，自动转为待机状态。

3 双向DC/DC电源模块功能试验

3.1 DC/DC电源模块输入输出切换功能

双向DC/DC的任一端口输入电压消失时，应能自动将该端口转换为输出状态。在额定负载下，应能在1 ms内将输出电压恢复到整定值的±5%范围内，整定值为105 V。

分别对情况（1）Ⅰ段母线电压消失时，Ⅰ段母线为Ⅱ段供电和情况；（2）Ⅰ段母线电压消失时，Ⅱ段母线为Ⅰ段供电的DC/DC模块输出特性进行试验，切换过程示波器捕捉图像，采样包括失压段母线电压和DC/DC模块输出电流，试验波形如图3所示。

图3 电压切换时DC/DC模块输出特性波形图

由图3可知，Ⅰ段母线为Ⅱ段供电时，Ⅱ段电压会有瞬时跌落，Ⅱ段母线最低电压为103.2 V，相对整定值105 V下降了1.7%，Ⅰ段电流会突增为两段总负荷。Ⅱ段母线为Ⅰ段供电时，原理类同。两种情况均能很好实现DC/DC切换过程失压段母线电压变化1 ms恢复到整定值的±5%范围内。

3.2 DC/DC电源模块过载能力

当一段母线失压，另一段母线的充电机带两段母线运行时，DC/DC电源模块应具备一定的过载能力。当输出电流在额定值的200%时，运行时间不小于1 min；1 min后自动转为限流输出。

3.3 DC/DC电源模块保护功能

DC/DC供电状态，当发生负载短路故障时，DC/DC限流保护，故障排除后应能自动回复工作。

DC/DC供电状态中，Ⅰ段输入电压为110 V，Ⅱ段输出为105 V时，模拟Ⅱ段母线短路故障，试验录波图如图4所示。

图4 Ⅱ段母线短路时DC/DC模块输出特性波形图

由图4可知，Ⅰ段直流母线为Ⅱ段母线供电时，输出电流为4 A，Ⅱ段短时故障时，DC/DC电源模块瞬间输出50 A（过载输出），在3 ms后限流输出5.25 A，Ⅱ段母线电压降为2 V，故障切除后电压恢复为105.3 V。

4 结 论

本文提出了新型直流电源系统中两段直流母线互为备用的控制策略，利用DC/DC智能型母线联络装置，保证失去蓄电池组的母线段连续供电。

该装置在各种直流故障情况下能保证整个直流系统的可靠供电，同时在其中一段直流系统故障及过载情况下能不影响正常直流段的可靠运行，在双电双充分列运行的电力系统站用直流应用前景广泛。