基于并聯電池和模塊化開關技術的一體化電源系統設計
日期：2025-04-10 瀏覽次數: 157
1、應用背景
交直流一體化電源系統作為變電站等重要用電場所必備的電源，為控制裝置、繼電保護、通信設備、消防安保系統等重要負荷提供工作電源。其中蓄電池可在外部交流電源停電后提供備用電能，是變電站監控、安保、消防等的重要保障。目前國家電網、南方電網等所屬變電站交直流電源中，將電池組串聯成組使用，對電池單體的一致性要求較高，不同容量、不同品牌、不同年限的電池不能混合使用，電池組需要停電進行維護，可靠性差，使用壽命短，費用高：對交直流饋電回路不能實現電流、電能測量以及用電量的分析，不能實時監測交流饋電回路的漏電流、線纜的絕緣程度，對安全隱患防范不夠。由此可見，傳統交直流一體化電源技術難以滿足智慧電網建設的需要。
2、工作原理
新型交直流一體化電源系統的核心是并聯電池組件和模塊化開關組件。
并聯電池組件由整流(AC/DC)、供電(DC/DC1)、充電(DC/DC2)、升壓(DC/DC3)、監控單元、蓄電池、儲能元件、限流元件等部件組成。
并聯電池組件工作原理如圖1所示。交流電源輸入，經AC/DC整流并由EMI濾波電路和PFC功率因數校正電路處理后變換為400V直流，經DC/DC1變換降壓為110V(220V)直流輸出到母線，提供負載使用，同時經DC/DC2變換降壓為24V的直流給電池進行充電。當交流失電后，電池輸出經DC/DC3變換升壓為110V(220V)直流輸出到母線，提供負載使用。
模塊化開關組件的工作原理：(1)智能單元具備信號采集、計算、通信功能，實現對回路的監控：(2)外殼具有標準化尺寸和結構，可實現狀態指示等功能：(3)熱插拔件能實現模塊化開關組件的帶電裝配，通過旁路回路實現負荷不斷電維修維護：(4)管理裝置通過通信接口與智能元件以及上級系統連接，實現信息接收處理和人機界面功能。
3、系統構成和功能
新型交直流一體化電源系統由交流電源模組、并聯電池電源模組、通信電源模組、UPS不間斷電源模組、交流饋電模組、直流饋電模組、綜合監控模組構成。各模組根據需要，既可單獨組屏，又可混合組屏。
交流電源模組：具備雙路電源進線，可實現對進線電流、功率、電度、開關狀態以及母線電壓的采集，具備主備自動投切功能。
并聯電池電源模組：由若干套并聯電池組件和管理裝置構成。單套并聯電池組件可實現對直流母線供電(DC220V/110V)、蓄電池充放電及容量管理。組件之間通過并聯均流功能實現負載均衡：當在線核容放電時，管理裝置根據負荷大小，可控制實驗組件放電，用軟件計算積分放電量。組件數量為N+2配置，在線檢修更換時，單組件檢修不影響系統運行。
通信供電模組：若干臺DC/DC降壓模塊并聯，將母線電壓(DC220V/110V)降低為DC48V輸出到匯流母線，通過饋電模塊給通信設備供電。
UPS不間斷電源模組：核心裝置是智能UPS供電模塊，供電由交流(AC220V)、旁路(AC220V)、直流(DC220V/110V)3種電源。交流為主供電源，旁路為備用電源，直流為應急電源，從而保證供電可靠、穩定。
交直流饋電模組：由管理裝置、匯流母線和若干交直流模塊化開關組件構成。模塊化開關通過RS485通信總線與管理裝置通信，將采集的開關量、模擬量和信號傳輸到管理裝置并接受管理裝置的控制。
綜合監控模組：該模組配置了工控機、顯示器和系統軟件，與各子模組通過以太網通信，采用61850協議，兼容性好，功能強大。綜合監控模組不僅能夠接收和轉發各模組監控裝置的信息，還可以根據收集的信息和系統結構進行拓撲分析、負載分析，進而判斷系統運行狀態，對異常狀態進行判斷并報警。
4、基于并聯電池和模塊化開關技術的系統原理
不同于目前傳統變電站一體化電源系統，基于并聯電池和模塊化開關技術的一體化電源系統由于采用了并聯電池技術，可以實現對蓄電池的并聯應用，避免了蓄電池成組應用帶來的一致性和停電維護問題：可根據負載分布就地化布置，使得工程應用更為靈活方便：多套電源互為備用的方式，使得整個電源系統更為可靠。另外由于模塊化開關技術的應用，不僅實現對各饋電回路工況進行全面監視，還可實現對電源系統管理和智能判斷。
并聯電池電源的系統配置，根據實際工程負載要求選擇模塊數量，然后根據現場負載分組情況和饋電回路數量，即可確定組屏方案。上述案例就是將并聯電池組件組成了兩組，分別組成三面屏。
雙路交流電源回路經ATs后，輸出到交流母線供給各并聯電池組件。各并聯電池組件并聯輸出到直流母線，組件間通過均流線均衡各模塊輸出負載大小，也可以通過管理裝置控制各模塊的輸出功率。對蓄電池充放電、核容及維護，均可通過對模塊的操作進行。既可以整套系統同時運行，也可以某個系統獨自運行。
與傳統直流供電系統不同的是，基于并聯電池和模塊化開關技術的一體化電源系統的模塊化開關的應用使饋電屏柜結構、裝配工藝與傳統直流供電系統大不相同。各系統具有如下特點：
(1)模塊化饋電開關組件采用熱插拔連接件，各功能組件能在線維護、在線更換、在線擴容。內部采用固定式斷路器，適應國內外多種品牌。同類型模塊具有互換性，一旦發生故障，可在系統供電情況下更換故障開關，迅速恢復供電。
(2)饋線開關組件內部的開關、指示燈、監測單元等安裝采用標準導軌，卡槽式安裝，只需要簡單工具即可完成在線更換。
(3)饋線開關組件內部二次連線，設置信號連接板，實現弱電系統接線電路板集成化，避免接線困擾，最大限度減少故障接點。各種接線采用了標準線束、插拔式連接器，安裝方便。
(4)饋線開關組件內各母線均用母線絕緣子、絕緣熱縮管實現隔離，防止人為誤觸及帶電導體。母線外露部分分相色套熱縮套管。
(5)饋電系統設置專用弱電敷設通道，信號連接板、連接線束等弱電信號通過該通道傳輸，避免了外界和屏內強電干擾。
5、結語
基于并聯電池和模塊化開關技術的一體化電源系統，并聯電池組件和模塊化開關組件的使用，使整個系統具備模塊化、標準化特點，有利于實現工業化大批量生產：模塊的互換性、可帶電插拔特點方便其操作維護：智能充供電模塊和處理單元的分布式應用，使得對電池動態管理、負載在線監視、系統工況分析功能得以進一步提升。基于并聯電池和模塊化開關技術的一體化電源系統是對電網智慧終端的有益探索，是智慧電網建設不可或缺的部分。
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