變電站的直流系統在電力、通信、信息領域均具有非常重要的作用，能夠為控制信號、繼電保護、自動裝置及事故照明等提供可靠的穩定直流電源，為操作系統提供可靠的操作。目前，變電站的蓄電池是按一定的標準進行配備的：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，母線之間由開關控制，互為后備電源；一般110kV及以下等級變電站僅配備一組蓄電池。

對于變電站，不管是配備一組蓄電池還是兩組蓄電池，在核容放電過程中都需要接入備用電池，出現兩組蓄電池直接并聯的情況。變電站直流系統操作規程中明確規定，兩組電池壓差小于2V時才能進行短時間并聯切換，操作難度較大，對操作人員的要求和依賴性較高，存在誤操作的風險。

本文通過對傳統變電站直流系統并聯方式的分析，提出了用變電站直流系統并聯保護器支持變電站直流系統的并聯應用，從而簡化了直流系統之間備用切換的流程，降低了變電站的電力失效的風險，提高了電力系統的安全性。

1 傳統變電站直流系統的并聯方式及存在的風險

以220kV變電站直流系統為例，傳統的配置為直流屏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控制，在出現異常或維護過程中互為后備電源，其配置如圖1所示。

在將直流系統2切換為直流系統1備用時，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，造成大電流對直流系統造成的損害，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#承擔直流系統1的后備電源供電的作用。

放電結束后，需要人工調節直流屏1#降低充電電壓，逐步提升直流屏的輸出電壓，對蓄電池組1#充電，充滿電后直流屏1#和蓄電池組1#重新接入系統，使控制母線和電源母線斷開，恢復放電前原有系統的連接。

圖1 220kV變電站直流系統傳統配置圖

在備用接入和備用退出時均會出現蓄電池直接并聯的情況，操作人員必須保證直流系統的壓差小于2V時再進行短時并聯。當兩組直接并聯的電池端電壓存在壓差時，會出現高電壓電池組向低電壓電池組放電，產生一個環流。蓄電池組內阻差異越大，電壓差異越大，環流也越大。即使只是短時間的環流過程，也會嚴重影響到蓄電池的使用壽命，甚至可能導致電池損壞。

2 直流系統蓄電池組并聯保護器及安全性分析

為消除傳統直流系統并聯時蓄電池組之間的環流問題，本文設計一個并聯保護器對兩組電池進行完全獨立的充電管理系統，其實現原理如圖2所示。

圖2 直流系統并聯技術實現原理圖

將并聯保護器連接至直流屏及蓄電池組之間，由直流屏提供直流輸入，由并聯保護器控制蓄電池組的充電電壓及充電電流。每組電池配備相應的控制系統進行獨立的充放電管理。為保證在外部交流供電異常時，使蓄電池組能夠及時對負載進行供電，在蓄電池與直流母線之間的連接采用單向器件直接連接，以避免放電環流的影響。

并聯保護器是由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模塊可以通過接口模塊輸入的電池信息，采用脈寬調制（pulse width modulation, PWM）電路智能調節充電模塊對電池的充電電壓和充電電流，CPU模塊可以對電壓電流采集模塊所采集的電流、電壓等信號進行處理，實現對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

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

當端電壓較低的蓄電池組充電電流較大時，控制系統會智能調節PWM1或PWM2的脈沖頻率，降低對蓄電池組的電流輸入，阻止充電電流進一步增大，避免大電流充電對蓄電池造成損傷。

圖3 充電通道并聯等效電路圖

在進行充電限制之后，不管在何種條件下進行長時間并聯，均不會出現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，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無縫對負載進行供電。放電通道并聯等效電路如圖4所示。在電池組并聯時，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通，不存在充電回路，故避免了環流現象的產生。

2.3 維護過程安全性分析

基于上述直流系統并聯技術，在變電站進行蓄電池維護過程中，可在直接進行母聯合閘后，將待維護直流系統中并聯保護器的充電回路斷開，使蓄電池在線進行放電。放電完成后再將電池組自動轉入充電狀態，由并聯保護器控制系統對充電電壓和充電電流進行有效的調節。

例如：對測試蓄電池組進行0.1C的恒流充電，在蓄電池組充電達80%后再轉為恒壓充電，最后進入涓流充電狀態，避免了大電流充電對蓄電池組的損傷；電池充滿電后直接斷開母聯，恢復正常連接。本文介紹的并聯技術保證了蓄電池組在維護過程中直流系統的供電安全性，簡化了蓄電池組放電維護作業流程。

圖4 放電通道并聯等效電路圖

3 直流系統并聯保護器的應用

3.1 單組蓄電池的改進

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套并聯保護器，當需要對電池組進行維護時，斷開并聯保護器的充電回路即可進行在線核容放電試驗，放電過程中電池仍可作為直流系統的備用電池。對于單組電池變電站，可以利用本文并聯技術，另外增加1套并聯保護器和1組與原有蓄電池組電壓等級相同的蓄電池組接入直流母線。

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

3.2 雙組蓄電池的改進

對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套并聯保護器。改進后的直流系統在互為備用、母線刀閘閉合時，直流母線的壓差即使超過2V也不會造成蓄電池組的損傷，從而簡化了蓄電池組放電維護作業的過程，也增強了直流系統的安全性，如圖6所示。

3.3 擬擴容變電站的改進

隨著社會的發展和電力需求的變化，變電站擴容，變壓器臺數隨之增加，變電站內的二次繼電保護和控制回路相應增加，對直流系統的容量需求不斷加大，蓄電池的容量也需要進行相應的增加。

對于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，將會造成蓄電池的巨大浪費。本文蓄電池并聯保護器的應用在實現擴容的同時充分利用了原有的蓄電池資源。變電站擴容改造方案如圖7所示。

圖5 雙組電池并聯應用方案

圖6 兩套直流系統備用并聯方案

圖7 變電站擴容改造方案

將原有的兩組蓄電池通過本文方法進行并聯使用，形成容量更大的蓄電池系統接入直流母線1。將另一個大容量的新蓄電池組及相應的控制系統接入直流母線2。在運行幾年后，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，降低電池采購成本。

4 結論

本文提出了對直流蓄電池并聯保護器的應用，將蓄電池通過大功率二極管無縫向直流母線供電，同時避免兩組電池并聯產生環流對蓄電池組造成損傷；通過IGBT器件對蓄電池的充電電壓和充電電流進行控制，避免了蓄電池的大電流充電，在保護蓄電池充電安全的同時簡化了蓄電池維護過程，增強了變電站直流系統運行過程中的安全性與可靠性。

本文所闡述的方法可以在傳統電力系統的基礎上對不同等級的變電站進行簡單的升級改進，而不需要耗費大量的人力物力，改造成本很低，安全性能更高。該應用如果在電力系統中得以推廣，將能夠增強蓄電池的安全性，簡化蓄電池維護作業程序，降低變電站的維護成本，故而具有廣闊的應用前景。