基于光伏取電原理的電房低壓直流供電裝置

何 悅

（廣東電網有限責任公司廣州花都供電局，廣東 廣州 510800）

1 項目研究背景

一般配電房內除了10 kV開關設備外，還有一些設備需要用到低壓設備，包括照明設備、防潮燈、驅鼠器、排氣扇及配電自動化終端（Distribution Terminal Unit，DTU）等。目前，因為部分配電房無低壓供電電源，成為“黑電房”，導致低壓設備無法正常取電，進而出現夜間在電房里作業不便、電房內設備受潮易銹蝕、電房內設備因老鼠發生短路接地故障跳閘、DTU無法正常運行采集電流電壓數據、無法進行故障判斷及隔離等問題[1]。雖然可以采取小型站用變或者PT柜解決一部分“黑電房”問題，但小型站用變或者PT柜占用空間較大，部分電房不滿足要求。為此，急需研制一種為配電房提供低壓直流供電的裝置。

2 本發明設計要點分析

2.1 設計思路

本研究重點需要攻克如下問題：配電房面積小無法運用小型站用變或PT柜問題；電房內DTU與其他低壓設備取電問題；DTU遙控分合開關需要瞬時大電流問題；蓄電池在欠壓時大電流快速充電、接近額定電壓時小電流浮充問題。同時，要求裝置穩定性良好，故障率較低，能夠確保在充電電路故障或太陽能板故障時主電池仍可運行。根據這些要求，具體設計思路如下。

（1）在裝置中配備兩個升壓電路，采用并聯方式。當一個升壓電路失效時，另一個升壓電路仍可以工作，保證裝置的可靠性。

（2）由輔助電池和超級電容組構成緩沖電路，作用是在合分閘時連續多面開關柜時提供一個平穩控制的工作電壓及足夠分合開關的較大電流[2]。

（3）開機恒流充電，并限制充電電流大小，從而保護主電池組、輔助電池組及升壓電路。

2.2 關鍵技術問題分析

（1）在不操作開關時電房DTU由48 V供電，經過測試發現幾款DTU工作電流為400～600 mA。操作合分閘開關時其工作電流較大，不同型號開關柜差別大，電機啟動電路瞬時電流達到近十幾安培。

（2）裝置需要提供瞬間大電流與穩定的工作電壓。因為DTU遙控分合開關需要瞬時大電流，常規低壓供電裝置一般無大電流輸出，而且在合分閘時連續多面開關柜時無法提供穩定的工作電壓與足夠分合開關的大電流[3]。

（3）現有光伏取電技術雖然解決了DTU取電問題，但輸出功率及電流較小，僅能滿足DTU的遙控、遙測信號的采集計算，無法實現DTU的遙控功能。本裝置增設了蓄電池組及電容充放電電路，獲得較大的輸入功率，確保遙控分合閘開關的可靠性。

（4）該裝置主要為戶外無常規低壓電源的設備供電，如DTU、照明、防潮燈以及排氣扇等。常規的DTU持續耗電約48 V/0.3 A，照明用電約為40 W，防潮燈打開時用電約為250 W×2，排氣扇約為50 W，整個裝置必須有2倍以上的冗余功率。

（5）光伏板的使用效率為0.6～0.7，因此光伏板的容量最少應該為裝置供電功率的1.5倍。

（6）部分電房因為空間受限，無法使用小型站用變或者PT柜解決低壓供電問題，裝置體積盡可能小。

（7）裝置二次元件多，如果有一個元件損壞，整個裝置將無法正常工作，需要設計冗余備用電路。

（8）裝置需要較多的蓄電池，但是蓄電池的使用壽命有限。為提高蓄電池以及裝置其他硬件的使用壽命，需要加強對蓄電池組的保護。裝置集成了多個保護電路，包括充電電流控制電路、充電電壓控制電路、過放電保護電路及開機恒流充電保護電路等[4]。

2.3 設計原理說明

該設備要提供穩定工作電壓及瞬間大電流。

（1）根據主電池容量，裝置需要4塊光伏板（38 V/300 W）。

（2）設備啟動后由電池電壓檢測電路BG1檢測到電池電壓值，在有光情況下檢測電路啟動欠壓時大電流充電控制電路BG2或正常電壓浮充控制電路BG3，對主電池進行從充電。檢測到電池電壓在欠壓或只有60%～70%時對電池進行大電流充電；檢測到電池在接近電池額定電壓時對電池進行浮充電，充電到額定電壓時轉入浮充狀態。電池電壓由電壓顯示器U1顯示（見圖1）。

（3）過放電保護電路BG4時作為電池過放電關閉控制，保證太陽能板或充電電路故障時主電池不會損壞[5]。

（4）本裝置采用BG2和BG3兩套控制電路有利于提高光伏板效率。因為DC/DC升壓或降壓均損耗很大、容易造成設備發熱，另外還需要對發熱設備進行降溫，白白耗掉有限的太陽能源，因此先完成對24 V主電池組的充電，再用DC/DC升壓模塊將電壓提升至48 V，而不是直接使用DC/DC升壓模塊將36 V的光伏板輸出電壓升到48 V再輸出到48 V蓄電池組。這提高了光伏板的使用效率，避免了直接升壓造成的過高電量損耗，也避免了因電路發熱而使用散熱裝置[6]。

（5）在主電池電壓達到額定電壓時由過放電保護電路BG4供電給DC/DC升壓電路V1和升壓電路V2。由于V1、V2處于長時間運行狀態，該DC/DC升壓電路是DTU供電關鍵電路，因此，配置兩個電路并聯運行。即使一個電路有故障另一個也能保證整個裝置可靠運行。該工作電壓由電壓顯示器U2進行顯示監測。

（6）由升壓電路V1、V2輸出48 V電直流電源提供給DTU控制電路。因開關柜合閘、分閘部分由48 V電機驅動，所以該電機啟動電流較大，僅靠V1、V2提供電流難以實現分合閘。同時，電房內如果有多面開關柜，多面柜分合閘操作時會使V1、V2頻繁遭受大電流沖擊，增加故障概率，從而增加運維成本。因此，在V1、V2輸出后加入輔助電池和超級電容組組成緩沖電路，使其在合分閘時連續多面開關柜時可以提供穩定的工作電壓。

（7）因超級電容組漏電流較大，在極短時間內電壓會大幅下降，因此在設備停用或儲存（不供電工作）時，電容電壓接近零時開機可能會損壞備供電（輔助電池組）和V1、V2[7]。利用電壓檢測控制BG5電路對電池電壓進行檢測，設定了開機恒流對電容組進行恒流充電1 A左右（限制其充電電流），待充滿后再并入B+電路。

（8）過放電保護電路BG4出來后送電電房照明電路。用24 V低電壓直流給LED燈直接供電，減少DC/DC升壓電路損耗[8]。

3 本發明的綜合效益分析

3.1 經濟效益

本項發明每套裝置連安裝費用在內一般為1.1萬元左右。而常規的站用變、PT柜的使用，平均一間電房的改造費用需要25萬元。可見，使用該裝置一間電房就能節省24萬元。此外，該裝置安裝方便，不占用開關站內有限的柜位空間。

圖1 本設備工作原理圖

3.2 社會效益

該裝置施工安裝不用停電，極大地減少了用戶停電時間。電房改造安裝完成后，減少電房因設備銹蝕、環境潮濕帶來的設備跳閘，發生跳閘后可通過配電自動化終端告警信息迅速判斷故障區域、對開關進行遙控操作，進一步減少停電時間，從而提高供電可靠性。

3.3 安全效益

在電房內配備該裝置，可用于電房內相關設備的低壓供電，滿足照明設備、防潮燈、驅鼠器、排氣扇以及配電自動化終端（DTU）的用電需求。同時，工作人員在夜間電房內作業也不用抹黑，作業安全性更有保障如改善了電房內設備受潮銹蝕情況，減少了電房內設備因老鼠發生短路接地故障跳閘事故。DTU可以正常運行采集電流電壓數據以及其他遙信、遙測信息，發生故障時可通過主站DTU進行遙控實現開關柜的分合及故障轉電，大幅提高了設備安全運行水平。

4 結 論

本文介紹了一款基于光伏取電原理的電房低壓直流供電裝置，可以為配電房提供安全、可靠、持續的低壓直流供電，能夠滿足配電房的低壓用電需求，可投入到生產實踐中。