直流系统蓄电池并联保护器的应用

时间：2022-09-01

以电池组为核心的传统变电站直流系统在核容放电过程中并联，操作困难，容易导致环流和误操作的风险，严重威胁电池的使用寿命。

针对这一缺陷，研究人员蒋、王嘉斌、王森、毛荣、徐泽正在2020年*五期《电气技术》杂志上写道，提出使用电池并联保护器对电池组进行独立的充放电管理，支持变电站直流系统的并联应用，并提出了变电站直流系统的应用方案。如果大力推广该技术，可以提高变电站电池组的安全性，简化电池维护操作程序，降低变电站的维护成本，具有广阔的应用前景。

变电站直流系统在电力、通信和信息领域发挥着非常重要的作用，可以为控制信号、继电器保护、自动装置和事故照明提供可靠稳定的直流电源，为操作系统提供可靠的操作。目前，变电站电池按一定标准配备：一般为220kV变电站配备两组电池，一组电池连接母线，母线由开关控制，相互为备用电源；一般110kV以下级别的变电站只配备一组电池。

对于变电站，无论配备一组电池还是两组电池，都需要在核容放电过程中与备用电池连接，两组电池直接并联。变电站直流系统的操作规程明确规定，两组电池的压差小于2V短时间并联切换，操作难度大，对操作人员的要求和依赖性高，存在误操作的风险。

通过对传统变电站直流系统并联模式的分析，提出了变电站直流系统并联保护器的并联应用，简化了直流系统之间备用切换的过程，降低了变电站电力故障的风险，提高了电力系统的安全性。

1 传统变电站直流系统并联，存在风险

以220kV以变电站直流系统为例。传统配置为直流屏1#电池组1#，直流屏2#电池组2#。直流母线由开关控制，在异常或维护过程中为后备电源。

当直流系统2切换到直流系统1备用时，为避免电池组1#放电后与直流屏幕1#或电池组2#电路压差，大电流对直流系统造成损坏，需要控制母线关闭，直流屏幕1#退出，电池组1#退出，直流屏幕2#承担直流系统1备用电源的作用。

放电后，需要手动调整直流屏幕1#以降低充电电压，逐步提高直流屏幕的输出电压，充电电池组1#，直流屏幕1#和电池组1#重新接入系统，断开控制母线和电源母线，恢复放电前原系统的连接。

图1 220kV变电站直流系统传统配置图

电池在备用接入和备用退出时直接并联，操作人员必须确保直流系统的压差小于2V短时并联。当两组直接并联的电池端电压有压差时，高压电池组会向低压电池组放电，产生环流。电池组内阻差越大，电压差越大，环流越大。即使是短时间的环流过程也会严重影响电池的使用寿命，甚至损坏电池。

2 直流系统蓄电池组并联保护器及安全性分析

为了消除传统直流系统并联时电池组之间的环流问题，本文设计了两组电池的并联保护器充电管理系统，实现原理如图2所示。

图2 实现直流系统并联技术的原理图

并联保护器连接到直流屏幕和电池组之间，由直流屏幕提供直流输入，并联保护器控制电池组的充电电压和充电电流。每组电池配备相应的独立充放电管理控制系统。为确保电池组在外部交流电源异常时能够及时供电负载，电池与直流母线之间的连接采用单向设备直接连接，避免放电环流的影响。

并联保护器是由的CPU外围电路功能模块作为核心处理器，包括充电功能模块、放电功能模块、接口模块和电压电流采集模块。CPU通过接口模块输入的电池信息可以由脉宽调制（pulse width modulation, PWM）电路智能调节充电模块对电池的充电电压和充电电流，CPU该模块可处理电压电流采集模块采集的电流、电压等信号，实现电池充电电压和充电电流的精确控制。

2.1 充电通道安全分析

并联保护器中的直流屏与电池组之间的连接IG（insulated gate bipolar transistor），通过PWM电路控制充电电压和充电电流，限制充电电流。当两组电池通过并联保护器并联连接时，充电通道的并联等效电路如图3所示。

当端电压较低的电池组充电电流较大时，控制系统将智能调节PWM1或PWM脉冲频率为2，降低电池组的电流输入，防止进一步增加充电电流，避免大电流充电损坏电池。

图3 充电通道并联等效电路图

充电限制后，无论在什么条件下长时间并联，电池组都不会有大电流充电。

2.2 安全分析放电通道

当外部交流电源异常时，电池组通过大功率二极管连接到直流屏幕正极和电池组正极VD1/VD2.无缝供电负载。放电通道并联等效电路如图4所示。当电池组并联时，即使两组电池之间存在电压差，高压电池组和低压电池组之间也没有引导，也没有充电电路，避免了环流。

2.3 安全分析维护过程

基于上述直流系统并联技术，在变电站电池维护过程中，直接进行母联合闸后，可断开直流系统中并联保护器的充电电路，使电池在线放电。放电后，电池组自动转移到充电状态，并联保护器控制系统有效调整充电电压和充电电流。

例如，电池组的0.1C的恒流充电，在蓄电池组充电达80%后再转为恒压充电，最后进入涓流充电状态，避免了大电流充电对蓄电池组的损伤；电池充满电后直接断开母联，恢复正常连接。本文介绍的并联技术保证了蓄电池组在维护过程中直流系统的供电安全性，简化了蓄电池组放电维护作业流程。

图4 并联等效电路图

3 直流系统并联保护器的应用

3.1 改进单组电池

在只配备单组电池的变电站中，原电池组与直流母线之间可连接到一套并联保护器。当需要维护电池组时，可以断开并联保护器的充电电路进行在线核容放电试验，电池仍可作为直流系统的备用电池。对于单组电池变电站，本文可采用并联技术，增加一套并联保护器和一套与原电池组电压等级相同的电池组，连接到直流母线。

特别是对于面临退役的电池组，在更换电池组的过程中，可以添加新的电池组作为备用电源，如图5所示。同时，也能在一定程度上满足变电站容量扩大的需要，或延长变电站的供电时间，争取更多的时间进行交流供电的维修。

3.2 改进双组电池

对于配备两组电池的变电站，将原来的两组电池增加一套并联保护器。当改进后的直流系统相互备用并关闭时，即使直流母线的压差**过2V不会对电池组造成损坏，从而简化了电池组的放电维护过程，增强了直流系统的安全性，如图6所示。

3.3 改进拟扩容变电站

随着社会的发展和电力需求的变化，变电站容量扩大，变压器平台数量增加，变电站二次继电保护和控制电路增加，直流系统容量需求增加，电池容量也需要相应增加。

对于220kV变电站，如果将原来的两组电池直接更换为更大容量的电池组，将造成电池的巨大浪费。电池并联保护器的应用充分利用了原有的电池资源，同时实现了扩展。变电站扩建改造方案如图7所示。

图5 双组电池并联应用方案

图6 两套直流系统备用并联方案

图7 变电站扩容改造方案

通过本文并联使用原来的两组电池，形成更大容量的电池系统连接到直流母线1。将另一个大容量的新电池组和相应的控制系统连接到直流母线2。运行几年后，将原来的两组电池更换为新的大容量电池组，以提高电池组的利用率，降低电池采购成本。

4 结论

本文提出了直流电池并联保护器的应用，通过大功率二极管无缝向直流母线供电，避免两组电池并联对电池组造成损坏；通过IG该装置控制了电池的充电电压和充电电流，避免了电池的大电流充电，简化了电池的维护过程，同时保护了电池的充电安全，提高了变电站直流系统运行过程中的安全性和可靠性。

本文描述的方法可以在传统电力系统的基础上简单地升级和改进不同级别的变电站，而不需要消耗大量的人力和物力资源。改造成本低，安全性能高。如果在电力系统中推广该应用，将能够提高电池的安全性，简化电池维护操作程序，降低变电站的维护成本，具有广阔的应用前景。

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