一種輕便型分體組合式不間斷交直流一體化電源的設計

孔 健，譚明哲，公冶如晶，尋瀟瀟

（國網山東省電力公司曲阜市供電公司，山東 曲阜273100）

1 項目背景調查

在變電站改造時，都需要先組建一套臨時的交直流電源系統，以供保護、監控、信號系統使用，通常需要一蓄電池屏、直流屏、交流屏、UPS屏，往往由于場地限制，組建困難，費時費力，且不規范，安全性不高，所以現場需要一個體積小、質量輕、方便搬運，易于安裝的一體化交直流電源。

110kV電壓等級以下的變電站蓄電池組都是單組配置，在進行全核容放電時須利用鉛酸電池組組建臨時的備用蓄電池組，接入直流系統后再將電池組退出進行全核對性放電，這種方式的缺點是鉛酸電池組笨重，組建連接費時費力。所以此類工作現場需要便于搬運又便于連接的蓄電池組來使用。

在變電站的UPS電源設備停電檢修時，需要一套備用UPS接入系統后替換原UPS設備后才能進行檢修，同樣直流設備檢修時也需要先接入臨時的直流設備后才能對原直流設備停電檢修，所以現在需要輕便的備用UPS交流設備和直流設備。

現在須保電的大型活動現場越來越多，以往利用發電機作為熱備用的保電方式，存在噪音大、不能0s切換的缺點，所以現在需要大容量的交流電源設備。

鑒于以上問題現狀，需要一款能在滿足實現各自功能的情況下，又能夠方便組合連接實現一體化交直流電源的整體功能，且輕便，易于搬運安裝的設備，所以亟須研發一種輕便型分體組合式不間斷交直流一體化電源。

2 項目原理與設計

2.1 總體方案

設計一種輕便型分體組合式不間斷交直流一體化電源，將電池模塊、整流模塊和UPS模塊分別集成在彼此獨立的箱體中，各箱體通過鎖扣機械連接，再利用航插式通信電纜和電力電纜完成通信連接和電氣連接，使得電池模塊、整流模塊和UPS模塊既能夠單獨發揮各自的功能，也能夠根據實際使用需求形成不同的組合滿足作業要求。

磷酸鐵鋰電池在質量、體積和壽命上都要優于鉛酸電池，且在安全上也被業界所認可，所以選擇磷酸鐵鋰電芯來組建電池組。考慮輕便性，將電池組設計成可以多組并聯的模式，以便以能滿足容量需求，又能實現便攜性。

設計電池管理系統（BMS），實現對電芯的采集測量及保護控制，實現對電池組自動智能充放電控制，并實現各功能單元之間的通信管理。

2.2 電池組

選用32700磷酸鐵鋰電池電芯組建電池組。

單體容量6Ah；標稱電壓≥3.2V；放電截止電壓2.2V；單只電池重量145g。

每組電池采用70串4并，電池組容量為24Ah重量≤45kg（包括電芯、模架、緊固件、BMS等）電池組工作電壓范圍189～255.5V，平臺電壓224V。輸出能量≥5.3kWh，最大負載電流72A（時間小于5s），正常持續工作電流≤24A，循環壽命≥2000次（100%DOD放電第2000次時電池組容量大于等于初始容量的70%）。每組電池固定在獨立的箱體內，箱體背部設有電源開關及電源航插插座與通信航插插座。

圖1 32700磷酸鐵鋰電池電芯

表1 BMS功能設計表

電池組箱體上安裝有一塊觸控液晶屏，其與電池管理設備（BMS）實現通信連接，能對各串電池的狀態進行監控。

2.3 電池管理系統

可靠的電池管理系統（BMS）設計，對于整串電池組的可靠運行起到關鍵作用，BMS的作用為：

采集功能：每串電池的電壓采集，電池組總電流采集1路，溫度采集最多18路。

保護功能：支持過充保護，過放保護，短路保護（采用熔斷器物理器件進行保護，在危機時刻采用器件自毀滅的形式來保證系統的安全性），過流保護，高低溫保護。

通信：隔離485通信，主要用于與顯示屏進行通信、與充電機進行通信。

2.4 高頻開關整流電源模塊

采用3臺額定輸出10A/234V高頻開關電源并聯使用，符合N+1標準，3臺設備放置在一個獨立的箱體內，箱體背部設有電源開關及電源航插插座與通信航插插座。高頻開關電源輸出198～286V可調，輸出過壓保護296±5VDC，不可恢復，輸入欠壓保護158±10VAC（恢復電壓173±10VAC）交流電壓正常后，自動恢復工作，設均流保護功能實現并聯時負載均衡。

2.5 電力UPS模塊

采用兩臺3kVA電力UPS并聯使用，符合N+標準，電力UPS具有雙變換在線、零轉換功能。交流工作電壓范圍為176～264VAC；在直流供電時直流輸入工作范圍為198～286VDC。交流到直流輸入之間的切換時間為0s，逆變輸出到旁路輸出時間≤4ms。UPS自帶保護功能：輸入欠/過壓、過溫輸出過載保護、可自恢復，輸出短路時間在3s內可自恢復，超過3s不可自恢復。電力UPS箱體后設電源開關及電源航插插座與通信航插插座，用于和蓄電池組連接及交流輸出。

2.6 一體化監控

在主電池組箱體上裝設一塊7寸觸控屏，用于對整個一體化電源進行集中監控，可編程觸控屏作為人機界面，能實現與BMS、充電機、電力UPS的通信，設電池監控、充電監控、UPS監空等功能界面時時的監控整個裝置的工作狀態，并實現對各參數的整定，還可實現對各部件啟停的手動控制。裝置能夠實現與調度的通信，實現裝置信息的實時上傳。

圖2 電池組原理接線圖

主顯示界面，顯示2組電池充放電狀態，顯示充電機、逆變器開關狀態，控制充電機、逆變器開關及禁止充電和整個系統關機。

電池監控界面，可顯示電池相關信息及電池報警信息，包括電池組電壓、電池組電流、單體電池最高電壓、最低電壓、電池溫度、剩余容量、剩余電流百分比。顯示電池過壓、欠壓、充電過流、充放電過溫等預警信息。

逆變器監控界面，可顯示逆變器相關信息包括輸出電壓、輸出電流、輸出頻率、逆變電壓、電池輸入電壓等信息。

充電機監控界面，可顯示2臺充電機相關信息包括輸出電壓、輸出電流、脫機電壓、限流百分數、等信息。

用戶登錄界面輸入密碼登錄成功后可以讀取及設置充電機相關參數。接線原理圖設計，如圖3、圖4所示。

圖3 高頻電源模塊原理接線圖

圖4 UPS原理接線圖

外觀圖設計，如圖5所示。

圖5 裝置外觀圖

3 結束語

采用分體組合式結構設計，靈活易用，整體組合后能實現變電站內一體化交直流電源的基本作用，高頻電源模塊與電池組組合使用可以獲得220V不間斷直流輸出，電力UPS與電池組組合使用可以獲得220V不間斷交流電源輸出，各單體又可單獨使用，實現各自的功能。各單體部件輕便，設有提手，方便搬抬，底部設有滾輪，方便移動。

采用磷酸鐵鋰電池組作為電源核心的設備，相比原來笨重的同等kWh的鉛酸電池組質量減少為1/9，體積減少為1/8，且能增加10倍的使用壽命。

借助完善的電池管理系統，實現對電池組的自動充放電控制、保護及監測。電池組設計可實現多組并聯使用，各組電池負載均衡控制。在直流輸出的回路上設有防反向充電的二極管，能防止在與其他直流電源并聯時對電池組反充電。

一體化監控測控屏設置在頂部，有45°的傾角便于觀察控制，監控控界面直觀清晰。

裝置各單元背部以航插作為連接方式，可擴展性強，根據需要，可以增加絕緣監測儀、降壓硅鏈等設備，以增強裝置的功能。