變電站的直流系統(tǒng)在電力、通信、信息領(lǐng)域均具有非常重要的作用，能夠?yàn)榭刂菩盘?hào)、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置及事故照明等提供可靠的穩(wěn)定直流電源，為操作系統(tǒng)提供可靠的操作。目前，變電站的蓄電池是按一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配備的：一般220kV變電站配備兩組蓄電池，接線方式是一組蓄電池接一段母線，母線之間由開關(guān)控制，互為后備電源；一般110kV及以下等級(jí)變電站僅配備一組蓄電池。

對(duì)于變電站，不管是配備一組蓄電池還是兩組蓄電池，在核容放電過(guò)程中都需要接入備用電池，出現(xiàn)兩組蓄電池直接并聯(lián)的情況。變電站直流系統(tǒng)操作規(guī)程中明確規(guī)定，兩組電池壓差小于2V時(shí)才能進(jìn)行短時(shí)間并聯(lián)切換，操作難度較大，對(duì)操作人員的要求和依賴性較高，存在誤操作的風(fēng)險(xiǎn)。

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)變電站直流系統(tǒng)并聯(lián)方式的分析，提出了用變電站直流系統(tǒng)并聯(lián)保護(hù)器支持變電站直流系統(tǒng)的并聯(lián)應(yīng)用，從而簡(jiǎn)化了直流系統(tǒng)之間備用切換的流程，降低了變電站的電力失效的風(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)的并聯(lián)方式及存在的風(fēng)險(xiǎn)

以220kV變電站直流系統(tǒng)為例，傳統(tǒng)的配置為直流屏1#接蓄電池組1#，直流屏2#接蓄電池組2#，直流母線之間由開關(guān)控制，在出現(xiàn)異?；蚓S護(hù)過(guò)程中互為后備電源，其配置如圖1所示。

在將直流系統(tǒng)2切換為直流系統(tǒng)1備用時(shí)，為了避免蓄電池組1#放電后與直流屏1#或蓄電池組2#回路壓差，造成大電流對(duì)直流系統(tǒng)造成的損害，需要控制母線合閘，直流屏1#退出，蓄電池組1#退出，由直流屏2#承擔(dān)直流系統(tǒng)1的后備電源供電的作用。

放電結(jié)束后，需要人工調(diào)節(jié)直流屏1#降低充電電壓，逐步提升直流屏的輸出電壓，對(duì)蓄電池組1#充電，充滿電后直流屏1#和蓄電池組1#重新接入系統(tǒng)，使控制母線和電源母線斷開，恢復(fù)放電前原有系統(tǒng)的連接。

圖1 220kV變電站直流系統(tǒng)傳統(tǒng)配置圖

在備用接入和備用退出時(shí)均會(huì)出現(xiàn)蓄電池直接并聯(lián)的情況，操作人員必須保證直流系統(tǒng)的壓差小于2V時(shí)再進(jìn)行短時(shí)并聯(lián)。當(dāng)兩組直接并聯(lián)的電池端電壓存在壓差時(shí)，會(huì)出現(xiàn)高電壓電池組向低電壓電池組放電，產(chǎn)生一個(gè)環(huán)流。蓄電池組內(nèi)阻差異越大，電壓差異越大，環(huán)流也越大。即使只是短時(shí)間的環(huán)流過(guò)程，也會(huì)嚴(yán)重影響到蓄電池的使用壽命，甚至可能導(dǎo)致電池?fù)p壞。

2 直流系統(tǒng)蓄電池組并聯(lián)保護(hù)器及安全性分析

為消除傳統(tǒng)直流系統(tǒng)并聯(lián)時(shí)蓄電池組之間的環(huán)流問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一個(gè)并聯(lián)保護(hù)器對(duì)兩組電池進(jìn)行完全獨(dú)立的充電管理系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)原理如圖2所示。

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

將并聯(lián)保護(hù)器連接至直流屏及蓄電池組之間，由直流屏提供直流輸入，由并聯(lián)保護(hù)器控制蓄電池組的充電電壓及充電電流。每組電池配備相應(yīng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立的充放電管理。為保證在外部交流供電異常時(shí)，使蓄電池組能夠及時(shí)對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，在蓄電池與直流母線之間的連接采用單向器件直接連接，以避免放電環(huán)流的影響。

并聯(lián)保護(hù)器是由CPU模塊作為核心處理器，外圍電路功能模塊包括充電功能模塊、放電功能模塊、接口模塊和電壓電流采集模塊。CPU模塊可以通過(guò)接口模塊輸入的電池信息，采用脈寬調(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模塊可以對(duì)電壓電流采集模塊所采集的電流、電壓等信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池充電電壓和充電電流的精確控制。

2.1 充電通道安全性分析

在并聯(lián)保護(hù)器中的直流屏與蓄電池組之間接入IGBT（insulated gate bipolar transistor），通過(guò)PWM電路控制充電電壓和充電電流大小，對(duì)充電電流進(jìn)行限制。兩組蓄電池通過(guò)并聯(lián)保護(hù)器并聯(lián)連接時(shí)，其充電通道并聯(lián)等效電路如圖3所示。

當(dāng)端電壓較低的蓄電池組充電電流較大時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)智能調(diào)節(jié)PWM1或PWM2的脈沖頻率，降低對(duì)蓄電池組的電流輸入，阻止充電電流進(jìn)一步增大，避免大電流充電對(duì)蓄電池造成損傷。

圖3 充電通道并聯(lián)等效電路圖

在進(jìn)行充電限制之后，不管在何種條件下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間并聯(lián)，均不會(huì)出現(xiàn)電池組大電流充電的情況。

2.2 放電通道安全性分析

在外部交流供電異常時(shí)，蓄電池組由連接在直流屏正極與蓄電池組正極之間的大功率二極管VD1/VD2無(wú)縫對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電。放電通道并聯(lián)等效電路如圖4所示。在電池組并聯(lián)時(shí)，即使兩組電池存在電壓差，高電壓蓄電池組與低電壓蓄電池組之間也不導(dǎo)通，不存在充電回路，故避免了環(huán)流現(xiàn)象的產(chǎn)生。

2.3 維護(hù)過(guò)程安全性分析

基于上述直流系統(tǒng)并聯(lián)技術(shù)，在變電站進(jìn)行蓄電池維護(hù)過(guò)程中，可在直接進(jìn)行母聯(lián)合閘后，將待維護(hù)直流系統(tǒng)中并聯(lián)保護(hù)器的充電回路斷開，使蓄電池在線進(jìn)行放電。放電完成后再將電池組自動(dòng)轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)，由并聯(lián)保護(hù)器控制系統(tǒng)對(duì)充電電壓和充電電流進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)。

例如：對(duì)測(cè)試蓄電池組進(jìn)行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(guò)程中直流系統(tǒng)的供電安全性，簡(jiǎn)化了蓄電池組放電維護(hù)作業(yè)流程。

圖4 放電通道并聯(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 單組蓄電池的改進(jìn)

在僅配備單組蓄電池的變電站中，可以將原有的蓄電池組與直流母線之間接入1套并聯(lián)保護(hù)器，當(dāng)需要對(duì)電池組進(jìn)行維護(hù)時(shí)，斷開并聯(lián)保護(hù)器的充電回路即可進(jìn)行在線核容放電試驗(yàn)，放電過(guò)程中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，可以利用本文并聯(lián)技術(shù)，另外增加1套并聯(lián)保護(hù)器和1組與原有蓄電池組電壓等級(jí)相同的蓄電池組接入直流母線。

特別是對(duì)于面臨退役的蓄電池組，在蓄電池組更換過(guò)程中，可以由此新增蓄電池組作為后備電源，如圖5所示。同時(shí)，還可以一定程度上滿足變電站容量擴(kuò)大的需求，或延長(zhǎng)變電站的供電時(shí)間，為交流供電的搶修爭(zhēng)取更多的時(shí)間。

3.2 雙組蓄電池的改進(jìn)

對(duì)于配備了兩組蓄電池的變電站，將原有的兩組蓄電池各增加1套并聯(lián)保護(hù)器。改進(jìn)后的直流系統(tǒng)在互為備用、母線刀閘閉合時(shí)，直流母線的壓差即使超過(guò)2V也不會(huì)造成蓄電池組的損傷，從而簡(jiǎn)化了蓄電池組放電維護(hù)作業(yè)的過(guò)程，也增強(qiáng)了直流系統(tǒng)的安全性，如圖6所示。

3.3 擬擴(kuò)容變電站的改進(jìn)

隨著社會(huì)的發(fā)展和電力需求的變化，變電站擴(kuò)容，變壓器臺(tái)數(shù)隨之增加，變電站內(nèi)的二次繼電保護(hù)和控制回路相應(yīng)增加，對(duì)直流系統(tǒng)的容量需求不斷加大，蓄電池的容量也需要進(jìn)行相應(yīng)的增加。

對(duì)于220kV的變電站，如果將原有的兩組蓄電池直接全部更換為更大容量的蓄電池組，將會(huì)造成蓄電池的巨大浪費(fèi)。本文蓄電池并聯(lián)保護(hù)器的應(yīng)用在實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容的同時(shí)充分利用了原有的蓄電池資源。變電站擴(kuò)容改造方案如圖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

將原有的兩組蓄電池通過(guò)本文方法進(jìn)行并聯(lián)使用，形成容量更大的蓄電池系統(tǒng)接入直流母線1。將另一個(gè)大容量的新蓄電池組及相應(yīng)的控制系統(tǒng)接入直流母線2。在運(yùn)行幾年后，待原有的兩組蓄電池到了使用壽命后，再更換成新的大容量的蓄電池組，將提高蓄電池組的利用率，降低電池采購(gòu)成本。

4 結(jié)論

本文提出了對(duì)直流蓄電池并聯(lián)保護(hù)器的應(yīng)用，將蓄電池通過(guò)大功率二極管無(wú)縫向直流母線供電，同時(shí)避免兩組電池并聯(lián)產(chǎn)生環(huán)流對(duì)蓄電池組造成損傷；通過(guò)IGBT器件對(duì)蓄電池的充電電壓和充電電流進(jìn)行控制，避免了蓄電池的大電流充電，在保護(hù)蓄電池充電安全的同時(shí)簡(jiǎn)化了蓄電池維護(hù)過(guò)程，增強(qiáng)了變電站直流系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的安全性與可靠性。

本文所闡述的方法可以在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)上對(duì)不同等級(jí)的變電站進(jìn)行簡(jiǎn)單的升級(jí)改進(jìn)，而不需要耗費(fèi)大量的人力物力，改造成本很低，安全性能更高。該應(yīng)用如果在電力系統(tǒng)中得以推廣，將能夠增強(qiáng)蓄電池的安全性，簡(jiǎn)化蓄電池維護(hù)作業(yè)程序，降低變電站的維護(hù)成本，故而具有廣闊的應(yīng)用前景。