智能变电站直流系统充电模块配置分析

苏志雄

摘 要：随着社会经济和科技的飞速发展，智能变电站直流系统采用传统开关电源技术已无法满足智能变电站安全稳定运行的要求。因此，本文分析智能变电站直流系统接线方式，并在此基础上对直流系统充电模块进行配置分析，以期给相关工作人员提供参考。

关键词：智能变电站;直流系统;充电模块

中图分类号：TM721 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）26-0038-03

Analysis of the Configuration of Charging Modules in the DC

System of Smart Substations

SU Zhixiong

（Xiamen Electric Power Survey and Design Institute Co.， Ltd.，  Xiamen Fujian 361000）

Abstract： With the rapid development of social economy and technology， the use of traditional switching power supply technology in smart substation DC systems can no longer meet the requirements of the safe and stable operation of smart substations. The configuration analysis of the charging module was carried out， which provided reference for related staff.

Keywords： smart substation;DC system;charging module

在智能变电站一体化交直流电源中，直流电源系统由充电装置、蓄电池组、逆变电源以及DC/DC通信电源设备等组成，主要用于开关操作、继电保护、安全自动装置、综自系统、逆变电源及DC/DC通信电源等，是智能变电站一体化电源的重要组成部分，关系着变电站的安全稳定运行。目前，智能变电站直流系统借助冗余和均流技术实现充电模块[N]+1配置，保证了直流系统的可靠运行。

1 智能变电站中直流系统的接线方式

智能变电站110 V或220 V直流系统采用一组充电装置及蓄电池组、两组充电装置及蓄电池组或三组充电装置及两组蓄电池组的运行方式[1]。采用一组充电装置及蓄电池组的直流系统的接线方式是单母线接线;采用两组充电装置及蓄电池组、三组充电装置及两组蓄电池组的直流系统接线方式为单母分段接线，同时分段开关正常运行时在断开位置，满足充电装置、蓄电池组、直流母线检修的需要;对于500 kV智能变电站110 V或220 V直流系统，应采取三组充电装置及两组蓄电池组的运行方式。第三组充电装置正常运行时处于备用状态，充电整流设备采用智能高频开关电源，通过充电模块并联方式实现对蓄电池的充电/浮充电的功能。直流系统采用主、分屏两级供电，主屏采用单母线分段接线，每段母线接一组蓄电池和一套高频开关电源。两段母线分开运行，采用联络屏双投开关切换进行联络。当第一组或者第二组充电装置故障或需要检修时，退出第一组或者第二组充电装置，由第三组充电装置代运行。三组充电装置的充电模块配置是一样的，因此具有代替性。单母分段接线方式具有很高的直流系统可靠性，三组充电装置可以在两段直流母线中进行切换，增加可靠性，减少设备投资。因此，为了保障500 kV智能变电站直流系统的可靠运行，其直流系统都要求采用单母分段接线方式。

智能变电站48 V通信电源直流系统根据变电站电压等级，可采用一组充电装置及蓄电池组、两组充电装置及蓄电池组的运行方式。对于两组充电装置及蓄电池组的48 V通信电源直流系统，其接线采用单母分段接线方式，分段开关正常运行时在断开位置，满足其中一组充电装置及蓄电池组退出运行检修的要求，智能变电站48 V直流两组高频开关电源系统各自带负荷独立运行。每个高频开关电源有两路交流输入，正常时两路均投上，故障发生时自动切换，从而保障智能变电站中48 V通信电源安全稳定运行。在工程实际运用中，220 kV及以下变电站DC/DC通信电源通常不单独设置蓄电池及充电装置，而是采用DC/DC电源模块接于直流母线。

2 直流充电模块配置分析

直流充电模块主要由EMI防雷单元、全桥整理单元、DC/DC变换单元、平滑滤波单元、交流单元、直流单元、过温保护单元以及模块监控单元等部分组成，如图1所示。充电模块三相交流输入先进行防雷处理和EMI滤波，后经整流转换成高压直流，再通过全桥PWM电路逆变为高频交流，经高频变压器隔离降压后通过高频整流滤波成为直流电，最后经EMI滤波和防反接保护输出。

2.1 技术参数

直流充电模块对电压调节范围、输出限流范围、稳流以及稳压精度进行了规定，具有输出过压保护、欠压告警的作用。直流系统充电模块技术参数如表1所示[2]。

2.2 高频开关电源

由于充电模块高频开关元器件的额度容量限制，单个充电模块高频开关电源模块的最大输出功率只有几千瓦到幾十千瓦，但实际上需要几十千瓦到几百千瓦才能为变电站直流系统负荷供电。因此，变电站直流系统充电装置一般采用多个高频开关电源模块并联的方式来实现高输出功率。高频充电模块减小了隔离变压器的体积和质量，实现了模块化。此外，高频开关电源采用的软开关技术可以显著降低开关损耗，提高转换效率。模块监控单元持续监测直流系统正负极母线对地的绝缘情况。其中：正极母线接地会导致保护装置误动;负极母线接地会导致断路器拒动。直流系统220 V或者110 V蓄电池组一般由104个串联的2 V单节电池组成，电池浮充电压为2.15～2.25 V。充电模块监控单元通过采集电池端电压、充电电流以及巡检单节电池电压来监控电池的运行状态。直流馈线为开关操作电源、保护和自动控制装置等提供可靠的直流电源。

直流系统充电模块的数量[N]通常按式（1）进行配置[3]：

N=（1.00∼1.25）I+I/IN （1）

式中：I为110 V或220 V蓄电池组10 h均衡放电电流;I为直流系统最大经常性负荷电流;I为单个充电模块额定电流。

2.3 供电方式

110 V或者220 V直流充电电源和48 V通信电源充电模块均采用[N]+1模块化并联冗余供电方式。高频开关电源的小型化、高频化、模块化有利于[N]+1冗余技术的发展。所谓[N]+1冗余，是指[N]个电源可以并联供电，满足所有负载的用电需求，再并联另一个电源模块，进一步提高电源的可靠性。如果其中一个模块出现故障，则将剩余的[N]个模块并联，以满足电源要求。这种类型的电源比使用单个充电模块电源更可靠，且不停电插拔的方式使得维护和维修更加方便，因为故障电源模块可以在不停电的情况下从供电系统中脱离。

2.4 输出特性

[N]+1并联的各个充电模块的輸出特性并不完全一致。输出电压和输出电流的变化率越小，输出特性越好。如果输出电压相同，输出特性好的充电模块会比输出特性差的充电模块承载更大的电流，而输出特性差的充电模块会承载更小的电流或空载，导致输出特性好的充电模块因通过电流过大而发热严重，从而造成使用寿命缩短。这就要求[N]+1并联的各个充电模块能够均匀分配充电电流。

2.5 均流技术

直流充电模块常用的均流技术是输出阻抗均流技术。这种均流方式精度较低，需要手动指定主模块进行主从均流技术通信。对于[N]+1并联冗余配置的充电模块，如果其中任一个充电模块故障退出运行，将无法自动指定主模块。这种均流方式不满足[N]+1并联配置充电模块的要求。为了保证，每个模块可以在正常运行与故障退出运行的状态下相互互换，需要另一种均流技术即民主均流技术，根据最大输出电流实现自动均流。民主均流技术和主从均流技术的主要区别在于，不用手动预先指定每个并联运行的电源模块的主从模块设置，而是根据输出电流实现自动均流，从而满足[N]+1并联配置充电模块的要求[4]。

3 直流充电模块配置案例

某220 kV智能变电站220 V直流系统采用两台充电装置、两组蓄电池组的单母分段接线方式，考虑到用于开关操作、继电保护、自动装置、综自系统以及通道电源的负荷，蓄电池选用800 Ah阀控式密封铅酸蓄电池组。控制、保护、自动化系统负荷为20 kW;DC/DC变换装置负荷为16.8 kW;选用单个充电模块额定输出电流为40 A的直流充电模块;根据[N]+1的并联冗余配置充电模块的要求，单台充电装置配置7个40 A充电模块。其中，一台充电装置的接线图如图2所示。

直流系统正常运行时两套充电装置分别投入运行，直流母线联络隔离开关在分闸位置，充电模块交流电源输入电压在380 V±15%范围内变化[5]。采用强迫风冷散热方式，直流系统过电压后充电模块自动闭锁，相应充电模块故障指示灯亮，故障充电模块自动退出工作而不影响整个直流系统正常运行。在充电模块工作的每个时间段，如果通过充电模块的电流超过充电模块承受电流，则关闭充电模块功率器件，达到保护充电模块功率器件的目的，过流保护可自动恢复。当充电模块检测散热器温度超过90 ℃时自动关机保护，散热器温度降低后充电模块自启动。充电模块采用同缩下垂限流方式，输出短路时充电模块在瞬间把输出电压拉低到零，限制短路电流在额定输出电流的15%以下，此时充电模块输出功率很小，已达到保护充电模块和用电设备的目的。模块可长期工作在短路状态，不会损坏，排除故障后充电模块可自动恢复工作。每个充电模块内部均有并联保护电路，绝对保证故障充电模块自动退出系统，而不影响其他正常充电模块工作[6]。

4 结语

智能变电站直流系统采用传统开关电源技术已无法满足智能变电站安全稳定运行的要求。本文分析了智能变电站直流系统接线方式，并在此基础上对直流系统充电模块进行配置分析，给出了直流系统充电模块配置公式，同时结合直流系统所带负载功率，按照[N]+1冗余配置原则进行充电模块配置，实现了智能变电站直流系统的可靠运行。

参考文献：

[1]阮佳.智能变电站中高频开关电源技术应用[J].通信电源技术，2019（12）：92-93.

[2]林兆红.浅谈智能变电站中高频开关电源技术应用[J].电子世界，2019（14）：157-158.

[3]胡晶霞.智能变电站中高频开关电源技术应用[J].通讯世界，2015（16）：84.

[4]朱世盘，张永超，史忠诚.智能变电站中高频开关电源技术应用[J].中国电力，2015（1）：142-145.

[5]程玉凯，吴智强.智能变电站一体化电源的典型应用探讨[J].山东电力高等专科学校学报，2020（6）：12-16.

[6]谢清宇.智能变电站交直流一体化电源系统分析[J].电子技术与软件工程，2021（2）：210-211.

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