基于并联电池和模块化开关技术的一体化电源系统设计

1应用背景

交直流一体化电源系统作为变电站等重要用电场所必备的电源,为控制装置、继电保护、通信设备、消防安保系统等重要负荷提供工作电源。其中蓄电池可在外部交流电源停电后提供备用电能,是变电站监控、安保、消防等的重要保障。目前国家电网、南方电网等所属变电站交直流电源中,将电池组串联成组使用,对电池单体的一致性要求较高,不同容量、不同品牌、不同年限的电池不能混合使用,电池组需要停电进行维护,可靠性差,使用寿命短,费用高:对交直流馈电回路不能实现电流、电能测量以及用电量的分析,不能实时监测交流馈电回路的漏电流、线缆的绝缘程度,对安全隐患防范不够。由此可见,传统交直流一体化电源技术难以满足智慧电网建设的需要。

2工作原理

新型交直流一体化电源系统的核心是并联电池组件和模块化开关组件。

并联电池组件由整流（AC/DC）、供电(DC/DC1）、充电(DC/DC2）、升压(DC/DC3）、监控单元、蓄电池、储能元件、限流元件等部件组成。

并联电池组件工作原理如图1所示。交流电源输入,经AC/DC整流并由EMI滤波电路和PFC功率因数校正电路处理后变换为400V直流,经DC/DC1变换降压为110V（220V）直流输出到母线,提供负载使用,同时经DC/DC2变换降压为24V的直流给电池进行充电。当交流失电后,电池输出经DC/DC3变换升压为110V（220V）直流输出到母线,提供负载使用。

模块化开关组件由开关、智能元件、外壳、热插拔元件、管理装置等部件组成。

模块化开关组件的工作原理:（1）智能单元具备信号采集、计算、通信功能,实现对回路的监控:（2）外壳具有标准化尺寸和结构,可实现状态指示等功能:（3）热插拔件能实现模块化开关组件的带电装配,通过旁路回路实现负荷不断电维修维护:（4）管理装置通过通信接口与智能元件以及上级系统连接,实现信息接收处理和人机界面功能。

3系统构成和功能

新型交直流一体化电源系统由交流电源模组、并联电池电源模组、通信电源模组、UPS不间断电源模组、交流馈电模组、直流馈电模组、综合监控模组构成。各模组根据需要,既可单独组屏,又可混合组屏。

交流电源模组:具备双路电源进线,可实现对进线电流、功率、电度、开关状态以及母线电压的采集,具备主备自动投切功能。

并联电池电源模组:由若干套并联电池组件和管理装置构成。单套并联电池组件可实现对直流母线供电（DC220V/110V）、蓄电池充放电及容量管理。组件之间通过并联均流功能实现负载均衡:当在线核容放电时,管理装置根据负荷大小,可控制实验组件放电,用软件计算积分放电量。组件数量为N+2配置,在线检修更换时,单组件检修不影响系统运行。

通信供电模组:若干台DC/DC降压模块并联,将母线电压（DC220V/110V）降低为DC48V输出到汇流母线,通过馈电模块给通信设备供电。

UPS不间断电源模组:核心装置是智能UPS供电模块,供电由交流（AC220V）、旁路（AC220V）、直流（DC220V/110V）3种电源。交流为主供电源,旁路为备用电源,直流为应急电源,从而保证供电可靠、稳定。

交直流馈电模组:由管理装置、汇流母线和若干交直流模块化开关组件构成。模块化开关通过RS485通信总线与管理装置通信,将采集的开关量、模拟量和信号传输到管理装置并接受管理装置的控制。

综合监控模组:该模组配置了工控机、显示器和系统软件,与各子模组通过以太网通信,采用61850协议,兼容性好,功能强大。综合监控模组不仅能够接收和转发各模组监控装置的信息,还可以根据收集的信息和系统结构进行拓扑分析、负载分析,进而判断系统运行状态,对异常状态进行判断并报警。

4应用实例分析

上海供电公司某110kV变电站,直流供电电压为110V。以此变电站为例,分析新型交直流一体化电源系统的配置参数。

变电站负荷情况:直流负荷为二次设备室经常性负荷电流11.5A,断路器操作负荷电流为16.2A,通信、UPs负荷电流为18.6A,合计负荷电流为46.3A:10kV开关室负荷电流为27.8A:交流负荷为166A。

直流电源采用就地化布置方案,配置为:二次设备室和10kV开关室分别布置一套并联电池电源模组和直流馈电模组。参数为:额定输出DC110V/8A,配12V/150Ah电池2节,分别配置并联电池组件6+2台、4+2台,屏柜各2面:二次设备室直流馈电模组包括Z71-32型模块化开关组件14只和管理装置1台,屏柜组屏1面:10kV开关室直流馈电模组包括Z71-32型模块化开关组件24只,Z71-63型模块化开关组件8只和管理装置1台,屏柜组屏1面。

交流电源模组由主进线开关2只(额定电流250A）、双电源自动切换器1台(额定电流250A）、管理装置1台组成:交流馈电模组由J99-32型模块化开关组件(配2P微断开关）12只、J99-63型模块化开关组件(配3P微断开关）28只组成。2面屏柜,其中交流电源模组、管理装置和12只J99-32型模块化开关组件组成1面屏,28只J99-63型模块化开关组件组成1面屏。

通信供电模组:屏柜1面,配置DC48V/30A供电模块4台,每2台1组,两组模块互为备用,并联工作:配置TU71-32型模块化开关组件10只。

UPs不间断电源模组:屏柜1面,配置5kVAUPs主机1台:配置TU71-32型模块化开关组件12只。

综合监控模组由主机1台、显示器1台,2260mm(H）×800mm(w）×600mm(D）屏柜1面,组屏安装于综合监控屏。

5基于并联电池和模块化开关技术的系统原理

不同于目前传统变电站一体化电源系统,基于并联电池和模块化开关技术的一体化电源系统由于采用了并联电池技术,可以实现对蓄电池的并联应用,避免了蓄电池成组应用带来的一致性和停电维护问题:可根据负载分布就地化布置,使得工程应用更为灵活方便:多套电源互为备用的方式,使得整个电源系统更为可靠。另外由于模块化开关技术的应用,不仅实现对各馈电回路工况进行全面监视,还可实现对电源系统管理和智能判断。

并联电池电源的系统配置,根据实际工程负载要求选择模块数量,然后根据现场负载分组情况和馈电回路数量,即可确定组屏方案。上述案例就是将并联电池组件组成了两组,分别组成三面屏。

双路交流电源回路经ATs后,输出到交流母线供给各并联电池组件。各并联电池组件并联输出到直流母线,组件间通过均流线均衡各模块输出负载大小,也可以通过管理装置控制各模块的输出功率。对蓄电池充放电、核容及维护,均可通过对模块的操作进行。既可以整套系统同时运行,也可以某个系统独自运行。

与传统直流供电系统不同的是,基于并联电池和模块化开关技术的一体化电源系统的模块化开关的应用使馈电屏柜结构、装配工艺与传统直流供电系统大不相同。各系统具有如下特点:

(1）模块化馈电开关组件采用热插拔连接件,各功能组件能在线维护、在线更换、在线扩容。内部采用固定式断路器,适应国内外多种品牌。同类型模块具有互换性,一旦发生故障,可在系统供电情况下更换故障开关,迅速恢复供电。

(2）馈线开关组件内部的开关、指示灯、监测单元等安装采用标准导轨,卡槽式安装,只需要简单工具即可完成在线更换。

(3）馈线开关组件内部二次连线,设置信号连接板,实现弱电系统接线电路板集成化,避免接线困扰,最大限度减少故障接点。各种接线采用了标准线束、插拔式连接器,安装方便。

(4）馈线开关组件内各母线均用母线绝缘子、绝缘热缩管实现隔离,防止人为误触及带电导体。母线外露部分分相色套热缩套管。

(5）馈电系统设置专用弱电敷设通道,信号连接板、连接线束等弱电信号通过该通道传输,避免了外界和屏内强电干扰。

6结语

基于并联电池和模块化开关技术的一体化电源系统,并联电池组件和模块化开关组件的使用,使整个系统具备模块化、标准化特点,有利于实现工业化大批量生产:模块的互换性、可带电插拔特点方便其操作维护:智能充供电模块和处理单元的分布式应用,使得对电池动态管理、负载在线监视、系统工况分析功能得以进一步提升。基于并联电池和模块化开关技术的一体化电源系统是对电网智慧终端的有益探索,是智慧电网建设不可或缺的部分。