并联智能蓄电池模块技术的应用研究

1、采用并联智能蓄电池模块的直流系统设计研究龚丽1、杨运国2、杨运有2（1.金华电力设计院有限公司；2金华电业局）【摘 要】对常规变电站蓄电池运行存在的问题进行了分析，介绍了采用并联智能蓄电池模块进行直流系统设计的实施方案，并与常规方案进行了技术经济比较，采用并联智能蓄电池模块进行直流系统设计具有很大优势，是直流系统设计应用的主流方向。【关键词】直流系统；智能；维护1.常规变电站蓄电池运行存在的问题1.1变电站蓄电池组可靠性不容乐观变电站蓄电池组作为变电站应急电源，在全站交流系统失电情况下，提供保护测控、开关操作、通信设备、事故照明等应急电源。在正常运行时，蓄电池组处于浮充状态，并没有带载机会。每

2、年全国变电站蓄电池组因全站交流系统失电，而发挥应急电源作用的蓄电池组数量仅为极少部分。但即使是这些极少部分蓄电池组，每年的事故仍时有发生。从这个角度讲，蓄电池组目前并不安全。分析相关蓄电池组事故原因，常有：a) 单只蓄电池内部质量问题，造成整组蓄电池不能正常带载。b) 单只蓄电池连接线问题，造成整组蓄电池不能正常带载。c) 蓄电池组中最差1只蓄电池容量决定整组蓄电池容量，使在全站交流系统失电情况下蓄电池组不能发挥应有作用。d) 新更换蓄电池与原运行电池性能不匹配，造成整组电池性能迅速下降。 1.2 串联蓄电池组不能在线维护a) 目前铅酸蓄电池组容量因电池的记忆效应，只能靠定期离线全容量核容实验

3、才能真正确定实际容量。b) 即使发现蓄电池内部质量问题也不能进行在线更换维护。需将备用蓄电池组并联带载，再退出问题蓄电池组维护。1.3 铅酸蓄电池组一次二次投资比重较大a) 串联蓄电池组冗余方案只能采用相同数量串联蓄电池组作为备用，经济性不好。b) 除蓄电池组本身成本较高外，专用蓄电池房等基建投资也较大。c) 常规维护中蓄电池端电压校验、核容实验等工作占较大工作比重。1.4 铅酸蓄电池在变电站大量使用，环境保护压力大众所周知铅酸蓄电池在整个运行周期内，从生产到报废回收均有大量的重金属和废酸液污染存在，用量越大，污染越大。1.5 在目前蓄电池串联模式下许多问题难以解决蓄电池浮充状态下，监测蓄电池

4、端电压，并不能判断蓄电池容量问题；内部质量问题在不带载情况下难以发现；连接线问题在小电流情况下也表现不出来。新旧电池匹配问题在目前串联结构下也难以解决。2 并联智能蓄电池模块技术的原理如图1所示，通过将单只蓄电池与匹配的AC/DC充电模块、DC/DC升压模块等器件组合为“并联用智能蓄电池模块”，并通过多只蓄电池模块并联，组成满足实际需要的多并联蓄电池模块组，取代变电站传统设计中的充电模块、蓄电池组、蓄电池巡检设备配置，解决蓄电池串联方式下单只蓄电池质量、连接线影响整组电池可靠性，不能在线更换维护，新旧电池难以匹配,冗余配置不经济等问题。220VAC/DCDC/DC升压DC220V/DC110V

5、防冲击及储能电路均流线图1 并联用智能蓄电池模块原理框图DC12V单只蓄电池通信接口CPU智能电路并联用智能电池模块技术实现的基本方法如下：1） AC/DC实现原理框图如图2所示。图2：并联用蓄电池模块AC/DC环节原理框图2） DC/DC升压实现传统设计直流母线电压采用2V蓄电池串联方式获得220V或110V输出。本文推荐选用移相控制全桥零电压开关PWM变换器作为DC-DC升压环节。图3：并联用蓄电池模块DC/DC环节原理框图3） 单蓄电池电压、容量选择a) 电压选择模块内单蓄电池如选择2V蓄电池，在抗干扰、功率变换效率方面均有难度。而12V蓄电池为成熟产品，各种容量产品较丰富。b) 容量选

6、择一般常规变电站正常直流负荷不超过10A，推荐“并联用智能蓄电池模块”选择DC220V/1A作为基本模块参数。按2n配置，只需配置输出为DC220V/1A并联式智能蓄电池模块20只。4）在线蓄电池充放电管理实现a) 正常运行时充电模块与蓄电池并联，对其浮充电。b) 在线充放电实现方法整定均充曲线相关参数；停止充电模块输出；监测并存储蓄电池放电电压、电流、时间等状态参数，累加放电量，通信上传信息；控制充电模块按均充曲线进行充电，监测并存储蓄电池放电电压、电流、时间等状态参数，通信上传信息；产生相应事件记录，通信上传信息。3并联智能蓄电池模块组实施方案以某变电站为例，介绍并联智能蓄电池模块组实施方

7、案如下。3.1变电站（远景）概况a) 220千伏出线6回，采用双母线接线；b) 110千伏出线10回，采用双母线接线；c)10千伏出线24回，采用单母三分段接线；d) 配置12×0.8万千乏电容器；e) 按智能变电站设计，220kV和主变保护双重化配置，110kV保护测控一体化装置单套配置，10kV安装在开关柜上，合并单元和智能终端一体化装置场地智能小室组屏安装，220kV和110kV均采用户外GIS。3.2 负荷分析根据计算，负荷情况如下：1） 二次设备室：15kW其中：a)综自装置功率统计：1.5kWb）UPS功率统计： 6kWc）事故照明负荷统计：7.5kW2）220kV智能小

8、室：0.8kW3）110kV智能小室：0.6kW4） 10kV配电室：1.7kW3.3 并联智能蓄电池组件数量计算1） 二次设备室由于直流电源需分为2段，可将负荷平衡分配于2段直流母线。1段直流母线负荷：综自装置+UPS+事故照明；配置500W智能电池组件20个。2段直流母线负荷：综自装置+UPS+事故照明；配置500W智能电池组件20个。直流母线间设置联络刀闸。2） 220kV智能小室1段直流母线配置500W智能电池组件2个，2段直流母线配置500W智能电池组件2个。直流母线间设置联络刀闸。3）110kV智能小室1段直流母线配置500W智能电池组件2个，2段直流母线配置500W智能电池组件2

9、个。直流母线间设置联络刀闸。4） 10kV配电室1段直流母线配置500W智能电池组件4个，2段直流母线配置500W智能电池组件4个。直流母线间设置联络刀闸。4 技术经济比较4.1 技术比较比较内容传统串联蓄电池组设计并联用智能电池模块获得母线电压方式电池串联后电压叠加DC/DC升压电池连接方式串联通过DC/DC间接并联带负荷方式所有负荷集中在同一直流母线可按负荷类型分段冗余配置方式整组蓄电池冗余配置多模块并联冗余直流系统组成充电模块+蓄电池组+蓄电池巡检+绝缘检测+直流监控+馈线多并联用智能电池模块+绝缘检测+馈线一次投资常规设计一次投资蓄电池维护方式离线在线人工操作蓄电池组退出运行，并做全容

10、量核容试验。在线维护，离线全容量核容试验。检修更换方式停电退出检修在线检修更换放电稳压情况随放电母线电压下降通过DC/DC稳压智能监控程度有盲区高安装方式集中分散、集中均可应用范围变电站任何需要直流电源及电池备用电源场合环保因素蓄电池使用量大。大大减少蓄电池使用量，如改用磷酸铁锂电池则更环保。4.2 经济比较1）减少直流电源一次投资产生的效益a）直流电源设备效益以变电站10只并联用DC220V/1A智能蓄电池模块20万计算，10只DC220V/10A充电模块+ 108只2V铅酸蓄电池2组+蓄电池巡检2套30万计算，可节约直流电源设备投资33%即10万元。b）因智能电池模块已有防爆防燃隔离设计，

11、可组屏放于控制室内，不需设置专用电池室。以蓄电池室建筑面积10平米，每平米建筑造价5000元计算，则每变电站可节约基建投资5万元。而蓄电池室配套空调等设施按5000元计算，总计因智能电池模块已有防爆防燃隔离设计，不需设置专用电池室。可节约基建投资5.5万元。2)实现直流电源在线检修更换产生的效益由于并联式智能蓄电池模块并联冗余使用，部分模块检修更换可实现在线进行,可节约停电操作费。3)实现直流电源在线核容实验产生的效益并联式智能蓄电池模块只需降低充电电路输出电压，即可无风险实现蓄电池在线核容实验。4)直流电源绿色环保方面产生的效益使用12V铅酸蓄电池，可大大减少铅酸蓄电池使用量，产生了较好的环

12、保效益。5 小结采用并联智能蓄电池模块进行直流系统设计，具有以下优势，可供直流设计人员参考。5.1 提高直流系统可靠性采用并联智能蓄电池模块进行直流系统设计，可避免传统蓄电池串联方式下，单只蓄电池质量、连接线影响整组电池可靠性问题。5.2 实现直流系统在线维护多组并联蓄电池模块可在线进行单蓄电池模块更换维护，可分别对蓄电池模块中电池进行在线充放电管理。5.3 实现站用电源资源节约型设计a) 多并联蓄电池模块组取代传统设计中的充电模块、蓄电池组、蓄电池巡检设备配置，设备投资可大为节约。b) 组屏数量、基建面积缩小，可节约基建投资。c) 实现直流系统在线维护，维护投资节约。d) 并联蓄电池模块信息完全通过通信网络数字交互，可节约管理投资。5.4 实现站用电源环境友好型设计多并联蓄电池模块组使用的蓄电池数量大为减少。经测算：使用蓄电池模块后20只12V/200AH蓄电池可代替208只2V/200AH铅酸蓄电池。5.5 实现站用电源工业化设计并联用智能蓄电池模块为AC/DC、DC/DC、微电子技术、通信技术等高技术的高集成化综合体，为标准模块化设计，可进一步推动站用电源的工业化设计。5.6 可进一步推进智能电网、智能变电站技术发展a) 信息数字化、管理智能化符合智能电网、智能变电站技术发展方向。并联用智能蓄电池模块实现了上行下达信息数字化传输，可实现