直流系統(tǒng)蓄電池并聯(lián)保護(hù)器的應(yīng)用

時(shí)間：2022-09-01作者：北京嘉銘恒達(dá)科技有限公司瀏覽：52

以電池組為**的傳統(tǒng)變電站直流系統(tǒng)在核容放電過程中并聯(lián)，操作困難，容易導(dǎo)致環(huán)流和誤操作的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重威脅電池的使用壽命。

針對(duì)這一缺陷，研究人員蔣、王嘉斌、王森、毛榮、徐澤正在2020年*五期《電氣技術(shù)》雜志上寫道，提出使用電池并聯(lián)保護(hù)器對(duì)電池組進(jìn)行獨(dú)立的充放電管理，支持變電站直流系統(tǒng)的并聯(lián)應(yīng)用，并提出了變電站直流系統(tǒng)的應(yīng)用方案。如果大力推廣該技術(shù)，可以提高變電站電池組的安全性，簡化電池維護(hù)操作程序，降低變電站的維護(hù)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。




變電站直流系統(tǒng)在電力、通信和信息領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用，可以為控制信號(hào)、繼電器保護(hù)、自動(dòng)裝置和事故照明提供可靠穩(wěn)定的直流電源，為操作系統(tǒng)提供可靠的操作。目前，變電站電池按一定標(biāo)準(zhǔn)配備：一般為220kV變電站配備兩組電池，一組電池連接母線，母線由開關(guān)控制，相互為備用電源；一般110kV以下級(jí)別的變電站只配備一組電池。

對(duì)于變電站，無論配備一組電池還是兩組電池，都需要在核容放電過程中與備用電池連接，兩組電池直接并聯(lián)。變電站直流系統(tǒng)的操作規(guī)程明確規(guī)定，兩組電池的壓差小于2V短時(shí)間并聯(lián)切換，操作難度大，對(duì)操作人員的要求和依賴性高，存在誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。

通過對(duì)傳統(tǒng)變電站直流系統(tǒng)并聯(lián)模式的分析，提出了變電站直流系統(tǒng)并聯(lián)保護(hù)器的并聯(lián)應(yīng)用，簡化了直流系統(tǒng)之間備用切換的過程，降低了變電站電力故障的風(fēng)險(xiǎn)，提高了電力系統(tǒng)的安全性。

1 傳統(tǒng)變電站直流系統(tǒng)并聯(lián)，存在風(fēng)險(xiǎn)

以220kV以變電站直流系統(tǒng)為例。傳統(tǒng)配置為直流屏1#電池組1#，直流屏2#電池組2#。直流母線由開關(guān)控制，在異?；蚓S護(hù)過程中為后備電源。

當(dāng)直流系統(tǒng)2切換到直流系統(tǒng)1備用時(shí)，為避免電池組1#放電后與直流屏幕1#或電池組2#電路壓差，大電流對(duì)直流系統(tǒng)造成損壞，需要控制母線關(guān)閉，直流屏幕1#退出，電池組1#退出，直流屏幕2#承擔(dān)直流系統(tǒng)1備用電源的作用。

放電后，需要手動(dòng)調(diào)整直流屏幕1#以降低充電電壓，逐步提高直流屏幕的輸出電壓，充電電池組1#，直流屏幕1#和電池組1#重新接入系統(tǒng)，斷開控制母線和電源母線，恢復(fù)放電前原系統(tǒng)的連接。




圖1 220kV變電站直流系統(tǒng)傳統(tǒng)配置圖

電池在備用接入和備用退出時(shí)直接并聯(lián)，操作人員必須確保直流系統(tǒng)的壓差小于2V短時(shí)并聯(lián)。當(dāng)兩組直接并聯(lián)的電池端電壓有壓差時(shí)，高壓電池組會(huì)向低壓電池組放電，產(chǎn)生環(huán)流。電池組內(nèi)阻差越大，電壓差越大，環(huán)流越大。即使是短時(shí)間的環(huán)流過程也會(huì)嚴(yán)重影響電池的使用壽命，甚至損壞電池。

2 直流系統(tǒng)蓄電池組并聯(lián)保護(hù)器及安全性分析

為了消除傳統(tǒng)直流系統(tǒng)并聯(lián)時(shí)電池組之間的環(huán)流問題，本文設(shè)計(jì)了兩組電池的并聯(lián)保護(hù)器充電管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。




圖2 實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)并聯(lián)技術(shù)的原理圖

并聯(lián)保護(hù)器連接到直流屏幕和電池組之間，由直流屏幕提供直流輸入，并聯(lián)保護(hù)器控制電池組的充電電壓和充電電流。每組電池配備相應(yīng)的獨(dú)立充放電管理控制系統(tǒng)。為確保電池組在外部交流電源異常時(shí)能夠及時(shí)供電負(fù)載，電池與直流母線之間的連接采用單向設(shè)備直接連接，避免放電環(huán)流的影響。

并聯(lián)保護(hù)器是由的CPU外圍電路功能模塊作為**處理器，包括充電功能模塊、放電功能模塊、接口模塊和電壓電流采集模塊。CPU通過接口模塊輸入的電池信息可以由脈寬調(diào)制（pulse width modulation, PWM）電路智能調(diào)節(jié)充電模塊對(duì)電池的充電電壓和充電電流，CPU該模塊可處理電壓電流采集模塊采集的電流、電壓等信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電池充電電壓和充電電流的精確控制。

2.1 充電通道安全分析

并聯(lián)保護(hù)器中的直流屏與電池組之間的連接IG（insulated gate bipolar transistor），通過PWM電路控制充電電壓和充電電流，限制充電電流。當(dāng)兩組電池通過并聯(lián)保護(hù)器并聯(lián)連接時(shí)，充電通道的并聯(lián)等效電路如圖3所示。

當(dāng)端電壓較低的電池組充電電流較大時(shí)，控制系統(tǒng)將智能調(diào)節(jié)PWM1或PWM脈沖頻率為2，降低電池組的電流輸入，防止進(jìn)一步增加充電電流，避免大電流充電損壞電池。




圖3 充電通道并聯(lián)等效電路圖

充電限制后，無論在什么條件下長時(shí)間并聯(lián)，電池組都不會(huì)有大電流充電。

2.2 安全分析放電通道

當(dāng)外部交流電源異常時(shí)，電池組通過大功率二極管連接到直流屏幕正極和電池組正極VD1/VD2.無縫供電負(fù)載。放電通道并聯(lián)等效電路如圖4所示。當(dāng)電池組并聯(lián)時(shí)，即使兩組電池之間存在電壓差，高壓電池組和低壓電池組之間也沒有引導(dǎo)，也沒有充電電路，避免了環(huán)流。

2.3 安全分析維護(hù)過程

基于上述直流系統(tǒng)并聯(lián)技術(shù)，在變電站電池維護(hù)過程中，直接進(jìn)行母聯(lián)合閘后，可斷開直流系統(tǒng)中并聯(lián)保護(hù)器的充電電路，使電池在線放電。放電后，電池組自動(dòng)轉(zhuǎn)移到充電狀態(tài)，并聯(lián)保護(hù)器控制系統(tǒng)有效調(diào)整充電電壓和充電電流。

例如，電池組的0.1C的恒流充電，在蓄電池組充電達(dá)80%后再轉(zhuǎn)為恒壓充電，最后進(jìn)入涓流充電狀態(tài)，避免了大電流充電對(duì)蓄電池組的損傷；電池充滿電后直接斷開母聯(lián)，恢復(fù)正常連接。本文介紹的并聯(lián)技術(shù)保證了蓄電池組在維護(hù)過程中直流系統(tǒng)的供電安全性，簡化了蓄電池組放電維護(hù)作業(yè)流程。




圖4 并聯(lián)等效電路圖

3 直流系統(tǒng)并聯(lián)保護(hù)器的應(yīng)用

3.1 改進(jìn)單組電池

在只配備單組電池的變電站中，原電池組與直流母線之間可連接到一套并聯(lián)保護(hù)器。當(dāng)需要維護(hù)電池組時(shí)，可以斷開并聯(lián)保護(hù)器的充電電路進(jìn)行在線核容放電試驗(yàn)，電池仍可作為直流系統(tǒng)的備用電池。對(duì)于單組電池變電站，本文可采用并聯(lián)技術(shù)，增加一套并聯(lián)保護(hù)器和一套與原電池組電壓等級(jí)相同的電池組，連接到直流母線。

特別是對(duì)于面臨退役的電池組，在更換電池組的過程中，可以添加新的電池組作為備用電源，如圖5所示。同時(shí)，也能在一定程度上滿足變電站容量擴(kuò)大的需要，或延長變電站的供電時(shí)間，爭取更多的時(shí)間進(jìn)行交流供電的維修。

3.2 改進(jìn)雙組電池

對(duì)于配備兩組電池的變電站，將原來的兩組電池增加一套并聯(lián)保護(hù)器。當(dāng)改進(jìn)后的直流系統(tǒng)相互備用并關(guān)閉時(shí)，即使直流母線的壓差**過2V不會(huì)對(duì)電池組造成損壞，從而簡化了電池組的放電維護(hù)過程，增強(qiáng)了直流系統(tǒng)的安全性，如圖6所示。

3.3 改進(jìn)擬擴(kuò)容變電站

隨著社會(huì)的發(fā)展和電力需求的變化，變電站容量擴(kuò)大，變壓器平臺(tái)數(shù)量增加，變電站二次繼電保護(hù)和控制電路增加，直流系統(tǒng)容量需求增加，電池容量也需要相應(yīng)增加。

對(duì)于220kV變電站，如果將原來的兩組電池直接更換為較大容量的電池組，將造成電池的巨大浪費(fèi)。電池并聯(lián)保護(hù)器的應(yīng)用充分利用了原有的電池資源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展。變電站擴(kuò)建改造方案如圖7所示。




圖5 雙組電池并聯(lián)應(yīng)用方案




圖6 兩套直流系統(tǒng)備用并聯(lián)方案




圖7 變電站擴(kuò)容改造方案

通過本文并聯(lián)使用原來的兩組電池，形成較大容量的電池系統(tǒng)連接到直流母線1。將另一個(gè)大容量的新電池組和相應(yīng)的控制系統(tǒng)連接到直流母線2。運(yùn)行幾年后，將原來的兩組電池更換為新的大容量電池組，以提高電池組的利用率，降低電池采購成本。

4 結(jié)論

本文提出了直流電池并聯(lián)保護(hù)器的應(yīng)用，通過大功率二極管無縫向直流母線供電，避免兩組電池并聯(lián)對(duì)電池組造成損壞；通過IG該裝置控制了電池的充電電壓和充電電流，避免了電池的大電流充電，簡化了電池的維護(hù)過程，同時(shí)保護(hù)了電池的充電安全，提高了變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行過程中的安全性和可靠性。

本文描述的方法可以在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上簡單地升級(jí)和改進(jìn)不同級(jí)別的變電站，而不需要消耗大量的人力和物力資源。改造成本低，安全性能高。如果在電力系統(tǒng)中推廣該應(yīng)用，將能夠提高電池的安全性，簡化電池維護(hù)操作程序，降低變電站的維護(hù)成本，具有廣闊的應(yīng)用前景。


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