一种220kV变电站并联型直流电源的应用与研究

杨思安

(深圳市泰昂能源科技股份有限公司 深圳 518133)

变电站直流系统为站内继电保护、控制、信号、计算机控制、事故照明、交流不间断电源等提供可靠供电，对变电站的安全运行起着重要作用，是变电站安全运行的保障。此系统中蓄电池组通过104只单体2V蓄电池串联达到DC220V电压，与充电机组输出端并联形成直流母线，经过直流馈线开关为直流负荷提供可靠性稳定的直流电源，是国内使用最为广泛的系统方案，图1为常规直流系统原理图。

图1 串联电池直流系统原理图

近几十年来，这种串联结构没有任何变化，虽有着直流电能转换技术、在线监测技术、蓄电池技术不断发展，却难以根本改善蓄电池的安全可靠性问题，从而使得蓄电池串联连接结构产生的“单只蓄电池故障影响整组输出”“严格要求串联蓄电池电参数保持一致，部分蓄电池损坏导致整组报废”“蓄电池不能在线全容量自动核容”“蓄电池不能在线更换”等诸多问题变得越来越突出。基于上述问题，提出并联型直流电源系统，并对该系统的配置及电池容量计算进行研究。

1 并联型直流电源系统

为满足高电压等级站点直流系统大功率需求，可采用多模块并联的方式实现。并联型直流电源系统由若干个并联电池模块高压输出端并联，模块高压端稳压输出，形成直流母线通过馈线开关为负载供电，取代常规直流系统中的充电模块、蓄电池组、蓄电池巡检装置及降压硅链装置，其它装置与常规直流系统保持一致。

1.1 并联电池模块工作原理

并联电池模块基本工作原理：模块同时接入AC220V交流电源及12V蓄电池，通过AC/DC电路形成内部母线电压400V，此母线电压同时为输出变换器DC/DC及双向DC/DC提供能量，输出变换器DC/DC输出为高压端，双向DC/DC输出给12V蓄电池充电，当交流失电时，内部母线电压400V降低至360V时，双向DC/DC变换器由充电转为升压，输出DC320V为输出变换器DC/DC供电，使模块可以实现不间断切换至蓄电池供电。每个变换器受模块内部CPU智能电路监测和控制，精确控制模块的工作状态，并通过485通信端口与直流系统的监控器进行通信，接受系统的指令。单个并联电池模块内部原理图见图2。

图2 并联电池内部原理图

1.2 并联型直流电源系统方案

并联型直流电源系统采用多个图2所示的模块高压输出端并联，并联型直流电源系统原理如图3所示，每个模块独立配置12V蓄电池，蓄电池类型可以是阀控式铅酸蓄电池或磷酸铁锂电池，模块的额定输出功率460W(DC115V/4A，DC230V/2A)，短时1min输出功率可以达到2.5倍的额定功率，支持反时限输出特性。每个模块之间采用CAN通讯、支持热插拔、在线更换，结合系统监控可实现自动在线核容。各蓄电池均与模块交流输入、直流母线输出侧隔离。根据系统配置，一个标准二次屏柜内可以放置最多8个并联电池模块及所配置的蓄电池。

图3 并联型直流系统原理图

1.3并联型直流电源系统的亮点

1.3.1系统可靠性更高 (a)突破常规直流系统蓄电池串联使用方式，改变为蓄电池通过并联电池模块并联使用。解决了蓄电池串联方式下因单只蓄电池质量、连接线影响整组电池输出可靠性问题，提高直流系统的运行可靠性。(b)并联电池模块的输入、输出侧均与蓄电池端隔离电路，实现单节蓄电池故障全隔离，提高系统蓄电池运行可靠性。

1.3.2系统实现对蓄电池全容量在线核容，智能化更高 (a)并联型直流系统是由若干个模块并联组成，各个模块单独配置一节12V蓄电池，蓄电池与模块的交流输入、直流输出侧隔离，蓄电池之间是相互隔离的，单节蓄电池异常不会影响交流输入和直流母线电压，单节蓄电池故障可以单独更换蓄电池，每个模块支持热插拔，当模块故障时可以在线更换，使系统更加智能化。(b)通过在并联型直流系统中各模块独立配置12V蓄电池的设计方案，组件采用间歇性调控输出电压方式，实现蓄电池在线0.1C10全容量核容功能，解决自动核容管理问题。通过自动核容，提前发现落后蓄电池，其核容结果保存在直流监控中，监控屏中的核容数据支持数据U盘导出，系统维护更为简单。

1.3.3系统提高蓄电池利用率 并联型直流系统通过监控对逐一对每节蓄电池进行0.1C10在线核容，提前发现异常单节蓄电池，把每只蓄电池使用至寿命终止期，提高蓄电池利用率。

1.4 并联型直流系统的与常规直流系统的对比

与常规直流系统相比，并联型直流系统由于增加了模块数量，前期投资成本比常规串联蓄电池直流系统略高。综合考虑系统可以减少后期维护成本，采用并联型直流系统可以减少全寿命周期投入，详细的对比项目见表1。

表1 并联型直流系统与常规直流系统对比

2 220kV站并联型直流系统模块配置及蓄电池容量计算方法

2.1 并联电池模块数量计算

并联电池模块数量应满足事故下全站负荷(含冲击负荷)，因此并联电池模块选择应按下式计算：

n=n1+n2

(1)

基本模块的数量应按下式计算：

n1=Pn÷Pr

(2)

n1=(Pn+Pc)÷2.5Pr

(3)

选取(2) 、(3)计算结果大的为n1。

附加模块的数量应按下列公式计算：

n2=1(当n1≤6时)

(4)

n2=2(当n1≥7时)

(5)

式(4)和(5)中：n―并联电池模块选择数量，当模块选择数量不为整数时，选大的临近值； n1―基本模块数量； n2―附加模块数量； Pn―考虑负荷系数的事故负荷；Pc—冲击负荷；Pr―单模块额定输出功率，460W。

2.2蓄电池容量计算

并联型直流电源系统中的并联电池模块输出均流运行，电池供电下各电池的放电电流Is大小相同,单个蓄电池放电电流:

Is= (Pn+Ps) ÷n÷η÷U

(6)

式(6)中:Is―单个蓄电池放电电流值； η―并联电池模块电池供电下的效率，取0.9； U―电池标称电压12V。

单只蓄电池容量按下列公式计算：

Cc=Krel*(IS/KC)

(7)

式(7)中:Is―单个蓄电池放电电流值； Cc―单体蓄电池容量； Krel―单体蓄电池容量可靠系数,取1.4 ； KC―容量换算系数，12V放电至10.8V的容量换算系数，取0.429。

3案例演示

文章以南网地区典型的220kV变电站直流系统为例进行设计，全站配置3台主变，220kV部分采用双母线方式运行，110kV部分采用双母线方式运行。站内直流系统按两段母线配置，每段母线采用并联型直流系统设计，相当于常规的两充两电配置。

#1母线负荷包括保护测控装置、录波装置等经常负荷，事故负荷包括UPS电源、事故照明装置，冲击负荷包括断路器操作储能等，直流负荷统计如表2所示。

表2 #1母线负荷统计表

以1min为第1阶段，2h为第2阶段，第1阶段Pn=10 069W，第2阶段Pn=10 069W，随机负荷PR=2 400W。

(1)并联电池模块数量计算。 根据式(1)、(2)和(3)，n=22，考虑冗余后配置24个模块。

(2)系统在蓄电池供电情况下，每个蓄电池放电电流计算，根据式(6)可得：第1阶段单个蓄电池负荷电流为：42.4A；第2阶段单个蓄电池负荷电流为42.4A；随机5s单个蓄电池负荷电流为：10.1A。

(3)蓄电池容量计算

根据式(7)可得：蓄电池容量为138.4Ah；随机5s负荷计算容量为7.1Ah。取上述各个阶段计算容量的最大值再加上随机如何计算容量138.4Ah+7.1Ah=145.5Ah，此母线可选用标称容量为12V/200Ah。

综上所述，220kV典型变电站中并联型直流系统可选用2组24个模块配置12V/200Ah的蓄电池，且由于单只蓄电池容量不超过200Ah，根据电力相关设计规程，蓄电池可放置于控制室，节省了变电站专用蓄电池室建筑面积，亦可以把系统屏柜安装于蓄电池室。

4结论

文章首先介绍了并联型直流系统的组成原理及并联模块原理，系统实现蓄电池间接并联使用，提高了直流电源系统的运行可靠性和提高蓄电池利用率，实现在线全容量核容功能减少系统维护工作量。同时，基于该系统方案提出了该直流系统配置及容量选择的计算方法，并以南网地区典型的220 kV变电站的算例进行分析验证，从而为并联型直流系统在高电压等级变电站中的应用，提供了理论计算方法。