多蓄電池模組并聯直流電源系統研究與應用

高 鋒 劉文平 李新海 梁建龍 楊 婷 何欣欣

（1.南方電網廣東中山供電局 2.廣東信通通信有限公司）

0 引言

配網環網電房直流電源系統為配網保護、控制、信號、自動裝置、斷路器的操作等設備提供直流工作電源，是確保配網設備安全可靠的重要環節[1-2]。目前配網DC 48V/24V 直流電源系統的蓄電池組由多節單體電池串聯組成，這種設計方式為串聯直流電源系統，該系統存在單只蓄電池故障會影響整組電池輸出、新舊電池不能混合使用、無法在線核容、不能在線更換電池、蓄電池組冗余配置、投資成本高等問題[3-5]。

近年來，國內外對直流電源系統開展了相應的研究，文獻[6]從均流的原理及特性上設計了一種數字控制均流技術，實現了蓄電池故障檢測、故障信息顯示等功能，提高了直流電源系統的可靠性。文獻[7]在變電站通信電源系統中應用并聯直流電源技術，實現了蓄電池在線核容、單體電池參數調節等功能。文獻[8]設計了一種并聯直流電源系統，實現了蓄電池遠程在線核容及全參數在線監測功能。文獻[9]設計了并聯型直流電源屏替換實施方案，極大提高了直流系統可靠性。針對多蓄電池模組并聯直流電源系統相關領域尚無現有相關文獻研究。

為了解決上述問題，本文集成應用并聯直流電源技術、多模塊均流技術、在線核容技術、蓄電池在線監測技術，提出并研制了多蓄電池模組并聯直流電源系統，實現了多套直流電源模塊組合并聯為配網自動化及保護設備提供直流工作電源的功能，在不增加蓄電池數量的前提下，提高了直流電源系統供電可靠性，確保任一并聯電源模塊的蓄電池模組發生劣化或開路故障時不影響配網環網電房直流系統供電可靠性，可有效防止配網自動化開關拒動，從而提高配網系統供電可靠性。此外該系統還實現可在線更換蓄電池、可新舊蓄電池混用、可任意擴容、可自動在線核容的功能，提升了配網環網電房直流系統蓄電池組運維技術水平。

1 多蓄電池模組并聯直流電源系統結構與功能設計

1.1 系統結構設計

多蓄電池模組并聯直流電源系統主要由直流監控裝置、絕緣監察裝置、并聯電源變換模塊、蓄電池、通信設備等部分組成，系統結構設計如圖1 所示。

圖1 多蓄電池模組并聯直流電源系統結構圖

單套并聯電源模塊由控制模塊、整流模塊（AC/DC）、充電模塊（DC/DC）、放電模塊（DC/DC）、蓄電池模塊組成。單個蓄電池模塊由4 只12V 或2 只12V 電池串聯組成，整流模塊（AC/DC）將輸入的交流電源變換為直流電源，為并聯電源模塊的控制模塊、充電模塊（DC/DC）提供工作電源；控制模塊可控制充電模塊（DC/DC）、放電模塊（DC/DC）對蓄電池進行充放電，通過放電模塊（DC/DC）為直流母線提供電源，可實現蓄電池在線核容；交流電源可通過整流模塊（AC/DC）直接為直流母線提供電源；多套并聯電源變換模塊并聯于直流系統中，即可構成并聯直流電源裝置，為直流母線提供了帶冗余備用的直流電源。

監控裝置采集各并聯電源模塊電壓、蓄電池內阻、溫度等數據，控制各并聯電源模塊實現均壓、均流的功能，并對并聯電源模塊、蓄電池隱患進行智能分析、診斷、預警。通過該裝置可查詢蓄電池巡檢信息、系統信息、交流信息、歷史信息、告警記錄。

絕緣監察裝置監測直流系統母線、饋線直流的絕緣狀況并預警故障，將相關信息顯示在監控裝置監控界面[10]。

1.2 功能設計

多蓄電池模組并聯直流電源系統實現可在線更換蓄電池、可新舊蓄電池混用、可任意擴容、可自動在線核容的功能，其主要功能如下：

1）提高蓄電池供電可靠性。該系統由多套并聯電源模塊并聯供電，為直流母線提供了帶冗余備用的直流電源，任一并聯電源模塊故障退運均不影響其余并聯電源模塊為直流母線供電。

2）保障直流系統均衡供電。該系統設計采用均壓、均流技術，直流監控管理模塊采集各并聯電源模塊電壓、電流等數據，控制各并聯電源模塊實現均壓、均流的功能，確保各并聯電源模塊出力均衡。

3）提升直流系統運維技術水平。該系統可實現在線更換蓄電池、任意擴容并聯電源模塊、自動在線核容等功能，大幅提升了直流系統維護運維技術水平及人機功效。

4）提高蓄電池使用效率。該系統每套并聯電源模塊獨立配置1 套蓄電池模組，故不同并聯電源模塊可配置不同的蓄電池模組，即不同并聯電源模塊可實現新舊蓄電池、多品牌蓄電池混用等功能。針對不同廠家的在運蓄電池，僅需準備單一品牌的蓄電池備品即可滿足應急消缺的需求，降低了蓄電池備品種類及數量，提高了蓄電池使用效率。

2 多蓄電池模組并聯直流電源系統關鍵技術

2.1 并聯直流電源技術

串聯直流電源系統中單個蓄電池故障會造成整組電池輸出異常，新舊電池、不同品牌電池不能混用，蓄電池技術參數必須保持一致，蓄電池組不能實現在線核容、在線更換新電池、單體電池狀態監測，蓄電池應至少配置兩組、集中布置、防燃爆處理成本高，如圖2 所示。并聯直流電源系統通過多蓄電池模組電源模塊并聯，可實現在線更換蓄電池、新舊蓄電池混用、任意擴容、自動在線核容的功能，并聯型與串聯型直流電源對比如下表所示。

表 并聯型與串聯型直流電源對比

圖2 串聯型直流電源系統

多蓄電池模組并聯直流電源由若干單個并聯電源模塊并聯組成，單個并聯電源模塊由若干蓄電池串聯，并聯電源模塊根據直流電源充放電特點，采用電力電子技術，設置直流電源系統相關技術參數，采用高性能控制算法，實現蓄電池充放電均衡控制，其結構如圖3 所示。將多個電源模塊并聯于直流電源系統中，輔以通信設備，可構成并聯直流電源系統。

圖3 單個并聯電源模塊

2.2 多模塊均流技術

并聯直流電源系統采用多模塊均流技術，通過數字均流法實現各并聯電池模塊的負載電流相等，利用數字化控制技術，改變各并聯電池模塊的輸出電壓來改變輸出電流，調整至輸出電流相等，即可實現負荷電流均分，如圖4 所示。

圖4 并聯直流電源系統數字均流通信

多蓄電池模組并聯直流電源系統采用多模塊均流技術，通過局域網總線采集電流信號，通過控制算法實現均流，如圖5 所示。系統實時采集各并聯電池模塊的電流值，并與電流平均值進行對比，將實時電流值與電流平均值之差輸出至均流環，對均流環的給定量進行比例校正；在模塊的濾波電感中將均流環和電壓環經過PI 控制后的輸出和電流的平均值一起看作是輸出電流環的總輸入；再利用均流環調節PI 的作用，對PWM 的占空比進行進一步的調節，使之達到均流目。

圖5 并聯直流電源系統均流設計原理

多模塊均流技術實現各并聯電池模塊輸出電流相等。該方法對系統負載的控制容易，具有很好的兼容性，可靠性高，監控裝置可控制多個并聯電池模塊，均流效果好。

2.3 在線核容技術

多蓄電池模組并聯直流電源系統在交流電源不停電情況下，按監控裝置設置的時間值向并聯電池模塊下發指令；并聯電池模塊在接收指令后，隔斷交流電源，退出負載均流功能，啟動放電DC/DC 電路，對蓄電池進行放電，在蓄電池滿容量的狀態下，調節單只12V蓄電池以0.1C10倍率放電；蓄電池放電至設定下限電壓值（10.8V）時停止放電，按下式計算出放電容量。

式中，C為蓄電池容量，Ah；If為放電電流，A；tf為放電時間，h。

2.4 蓄電池在線監測技術

多蓄電池模組并聯直流電源系統中并聯電池模塊對48V/24V 蓄電池組實施一一對應精細化管理，實時監測直流電源系統情況，如電池充放電狀態、環境溫度管理、容量計算、絕緣監測、告警值設置、通信監視等，并按照充放電過程中的電流、電壓值計算出蓄電池的內阻，在監測到單體電池內阻過大時，立即切斷對應并聯電池模塊與直流母線的連接，完成對蓄電池各項技術參數在線監測工作，如圖6 所示。

圖6 運行狀態界面

3 應用實例

本文研制的多蓄電池模組并聯直流電源系統在調試穩定后，在中山供電局某供電分局配網環網電房直流系統進行試運行，經過兩個月正常運行，跟蹤蓄電池運行數據，驗證了該系統的有效性，監控裝置系統控制界面如圖7 所示。多蓄電池模組并聯直流電源系統由監控界面、控制器、采集單元、并聯電池模塊等組成。該系統可監測交流電壓、母線電壓、母線電流、蓄電池組電壓、單體電池電壓、母線絕緣數據、電池環境溫度、開關狀態量與負荷支路漏電流，并具有故障預警、告警功能。通過對數據的采集、運算及處理，實時進行信息查看、參數設置、異常預警等功能。

圖7 監控裝置系統控制界面

4 結束語

本文在分析傳統配網環網電房的串聯直流電源系統運行問題的基礎上，提出了多蓄電池模組并聯直流電源系統。在不增加蓄電池數量的情況下增加了蓄電池模組供電冗余度，任一并聯電源模塊的蓄電池模組發生劣化或開路故障時均不影響配網環網電房直流系統可靠供電，可有效防止配網自動化開關拒動，提高配網系統供電可靠性，降低系統運維成本。

配電網直流電源系統隨著智能配電網的快速發展，對電源的安全性、可靠性和適應能力要求日益提高。多蓄電池模組并聯直流電源系統可為配網直流電源系統建設與應用改造提供技術方案，具有較好的應用價值。