在各類發(fā)電廠、變電站中，為控制、信號、保護、自動裝置以及某些操作執(zhí)行機構(gòu)供電的電源系統(tǒng)，通常稱為控制電源。控制電源分為兩類：①直流電源；②交流電源。直流電源由于獨立于交流動力電源系統(tǒng)，不受交流電源系統(tǒng)事故的影響，具有安全可靠、運行維護方便等特點，得到了廣泛應(yīng)用。特別是對于高電壓和可靠性要求較高的電力設(shè)備，直流電源幾乎是惟一可選擇的控制電源，正因為如此，人們對直流電源十分重視。

1 直流電源系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前，變電站的直流電源分為電力操作電源和通信電源。通信電源一般采用48V電源系統(tǒng)，電力操作電源一般采用220V/110V電源系統(tǒng)。這兩種電源設(shè)備都是由系統(tǒng)監(jiān)控裝置、充電裝置、串聯(lián)蓄電池組和饋電回路4部分構(gòu)成。其中，串聯(lián)電池組是由單體電壓為2V或12V的蓄電池經(jīng)串接而成，作為變電站交流事故停電后直流電源系統(tǒng)的后備電源。

由于操作電源和通信電源通常獨立配備蓄電池，這樣就需要維護兩套直流電源設(shè)備，運維管理成本很高。特別是電力操作電源，蓄電池串聯(lián)的數(shù)量很多，更容易出現(xiàn)單體電池電壓不均衡的現(xiàn)象，進而導(dǎo)致有的電池長期過充電，有的電池長期過放電，嚴重影響整個蓄電池組的使用壽命。一旦某一只電池出現(xiàn)故障，整個電池組就發(fā)揮不了應(yīng)有的作用，甚至有時需要把整組電池更換掉，造成不必要的浪費。

為了保障直流供電的可靠性，國網(wǎng)公司要求定期對蓄電池做核對性放電測試，把電壓落后的電池換掉，這時就需要把電池組脫開直流母線來進行。對于110kV及以下變電站，大多只配置一組電池，電池組脫離直流母線會給電力系統(tǒng)的運行安全帶來巨大隱患。

由于直流系統(tǒng)標稱電壓為220V/110V，而蓄電池的單體電壓多為2V或12V，這就需要把大量電池串聯(lián)起來才能滿足要求。另外鉛酸蓄電池的充放電特性使得電池在充電過程中，整組電池電壓會升高，系統(tǒng)需要通過調(diào)壓裝置來維持直流母線電壓的穩(wěn)定。電力操作電源系統(tǒng)典型設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 蓄電池串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)方案圖

為解決單套直流電源中因單體蓄電池異常后整組蓄電池無法帶載的問題，提及的一種并聯(lián)型直流電源由若干個并聯(lián)電池模塊的高壓輸出端并聯(lián)連接組成。其中，每個電池模塊均獨立地配置12V蓄電池；使用時，電池模塊同時接入AC 220V交流電源和12V蓄電池，當交流失電時，電池模塊將蓄電池的12V電壓提升至DC 220V/110V。

這種并聯(lián)型直流電源雖可解決因單節(jié)蓄電池損壞造成整組蓄電池功能異常的問題，卻也存在著不足之處：

①因蓄電池的數(shù)量仍與傳統(tǒng)的方案一樣，并未減少，而帶有智能監(jiān)控和充電功能的電池模塊的數(shù)量卻需與蓄電池的數(shù)量相匹配，由于單只電池模塊的價格遠高于單節(jié)蓄電池的價格，使得整個直流電源的制造成本上升很多，不具有經(jīng)濟性；

②兼有充電和升壓功能的電池模塊是一種需將12V提升到220V/110V的大功率器件，如此數(shù)量眾多的電池模塊也會給組屏安裝帶來新的難題。

近十幾年來，隨著智能一體化電源設(shè)備的推廣應(yīng)用，在傳統(tǒng)直流屏的基礎(chǔ)上，配置DC/DC轉(zhuǎn)換模塊，輸出48V通信電源。但這種方案沒有改變傳統(tǒng)直流屏的蓄電池串聯(lián)數(shù)量，也不能改善原有設(shè)備的運行工況。隨著高壓開關(guān)的技術(shù)進步，操作電源的沖擊電流大大減小。220kV及以下變電站的常規(guī)負荷一般不會超過20A，通信電源的常規(guī)負荷也不超過30A。

目前變電站的直流電源設(shè)備配置大容量的蓄電池，不是因為負荷需要大電流，而是為了延長應(yīng)急供電時間。因此，在交流正常情況下，蓄電池組是處于備用狀態(tài)，并不需要對外輸出電能。

2 方案介紹

下面重點闡述一種混聯(lián)型直流電源系統(tǒng)方案的優(yōu)越性，系統(tǒng)方案如圖2所示。

基于蓄電池混聯(lián)型直流電源系統(tǒng)架構(gòu)是在原系統(tǒng)架構(gòu)基礎(chǔ)上的改進，其具有下列性能差異：

1）蓄電池采用混聯(lián)結(jié)構(gòu)，即共用電池組，每組電池串聯(lián)節(jié)數(shù)大大減少，降低了設(shè)備維護成本。由于N個電池組并聯(lián)使用，即便某一組退出，也不存在電池組脫離直流母線的風險。

2）電力操作電源由變流裝置直接輸出，單只模塊的輸出功率可達2kW，可并聯(lián)擴容，滿足不同場合的需求。

圖2 蓄電池混聯(lián)型直流電源系統(tǒng)方案圖

3）通信電源直接來自共用電池組的輸出，不需要任何轉(zhuǎn)換，利用現(xiàn)有技術(shù)，線路成熟可靠，組屏方便。

4）電力操作電源不再受蓄電池充放電特性的直接影響，可以取消傳統(tǒng)的調(diào)壓裝置，優(yōu)化了直流系統(tǒng)配置。

5）交流停電時，共用電池組自動輸出給變流裝置，以便把DC 48V轉(zhuǎn)換成DC 220V/110V，滿足電力操作電源的大功率需求。

6）系統(tǒng)監(jiān)控裝置通過交流電壓傳感器來判斷交流電是否停電，并管理充電裝置和變流裝置的運行。同時，實現(xiàn)對電池組的自動充放電維護，延長蓄電池的使用壽命。

7）該方案不需要每組電池配置一套充電裝置，幾個電池組之間通過共用電池組內(nèi)部的逆流裝置并聯(lián)運行，形成各自獨立的充放電回路。當其中一組處于維護狀態(tài)時，不影響另一組電池的運行，大大提高電源系統(tǒng)的可靠性。

8）共用電池組中若有某一組電池出現(xiàn)故障，只需更換該組的4節(jié)或24節(jié)電池，而傳統(tǒng)直流屏需要換掉的電池為18節(jié)或104節(jié)，因此，更換電池的數(shù)量大大減少，這樣在一定程度上就降低了資源的浪費。

3 系統(tǒng)方案特點

基于上述分析，結(jié)合目前變電站直流電源系統(tǒng)的實際運行情況，筆者認為針對傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)進行優(yōu)化整合是非常有意義的。現(xiàn)提出一種將操作電源和通信電源共用電池組的混合型直流電源系統(tǒng)解決辦法，該系統(tǒng)方案主要由監(jiān)控裝置、充電裝置、變流裝置、N個串聯(lián)電池組和饋電回路等構(gòu)成。

其具有以下特點：

1）在有交流電時，電力操作電源和通信電源各自都能獨立運行。電力操作電源采用變流裝置直接整流后供給DC 220V/110V直流母線，通信電源采用充電裝置經(jīng)由逆流裝置后供給-48V通信電源母線，避免從DC 220V/110V直流母線通過DC/DC二次電壓變換。在交流停電時，電力操作電源和通信電源共用蓄電池組。此時，通過逆流裝置并聯(lián)起來的蓄電池組，一方面可以經(jīng)變流裝置升壓后供給電力操作電源，另一方面可以直接供電給通信電源。

2）傳統(tǒng)的電力操作電源DC 220V/110V的充電裝置取消，變流裝置可以取代這種充電裝置的整流功能。變流裝置可多臺并聯(lián)輸出，方便系統(tǒng)擴容；當有交流電輸入時，變流裝置把AC 380V轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的DC 220V/110V；當交流失電時，則把混聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池組的DC 48V轉(zhuǎn)換成DC 220V/110V。

3）混聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池組，系統(tǒng)配備4節(jié)12V或24節(jié)2V的N個串聯(lián)電池組，且這些串聯(lián)電池組再以并聯(lián)方式運行。

4）充電裝置采用48V等級，充電裝置可多臺并聯(lián)輸出，方便系統(tǒng)擴容；經(jīng)過逆流裝置將充電和放電回路分開，一套充電裝置可以給兩組及以上蓄電池充電。

5）系統(tǒng)的組屏方式仍保留目前一體化電源設(shè)備的風格，盤面布置和內(nèi)部安裝空間都不需要進行大的變動。與傳統(tǒng)的系統(tǒng)方案相比后期維護成本變化不大。

6）系統(tǒng)共用電池組后，在進行單一蓄電池組的核容性放電或檢修時，其他的電池組仍能正常運行，無需考慮交流電源突然停電帶來的風險。采用電池組混聯(lián)型接線方式，改變了蓄電池組串聯(lián)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，解決了直流電源系統(tǒng)因單體蓄電池異常后整組蓄電池無法帶載的問題，極大改善了系統(tǒng)可靠性?？蓪我坏男铍姵亟M單獨檢修更換，提高了蓄電池利用效率。

7）正常運行時，變流裝置和充電裝置受系統(tǒng)監(jiān)控裝置控制，在系統(tǒng)監(jiān)控裝置故障時，也可以各自獨立運行在默認值狀態(tài)。另外，相較于獨立運行的電力操作電源系統(tǒng)和通信電源系統(tǒng)，該混合型直流電源系統(tǒng)中蓄電池的使用數(shù)量也明顯減少，從而大大降低了項目前期的投入成本。

4 結(jié)論

本文提出了一種采用蓄電池混聯(lián)方式的直流電源系統(tǒng)的思路，解決了因單體蓄電池異常后整組蓄電池無法帶載的問題。它整合了傳統(tǒng)的電力操作電源系統(tǒng)和通信電源系統(tǒng)，消除了蓄電池組在核容性放電或檢修過程中，遇交流突然停電導(dǎo)致直流電源癱瘓的風險，方便了變電站的直流電源系統(tǒng)的日常運行維護，從而極大地降低了直流電源系統(tǒng)的運維管理成本，進一步提高了直流電源系統(tǒng)的安全可靠性。