CN113507162A - 一种变电站直流供电系统的自动核容装置及核容方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变电站直流供电系统的自动核容装置及核容方法，由蓄电池组AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路、核容电路、双向升降压电路、电池管理系统、通讯接口和动态监控电路所构成，AC/DC整流电路和多路备份蓄电池组为直流母线供电，在需要对蓄电池组进行放电和充电的核容时，采用在线核容的方法并通过核容电路内部的双向升降压电路调整放电电压和充电电压，在对直流负载放电的同时，通过DC/AC逆变电路对电网放电，加快放电速度，由AC/DC整流电路对蓄电池组进行恒流充电，在放电和充电过程中保证直流母线电压的稳定，实现电池充放电状态的自动检测和远程监控，减少人为干预，实现放电电能的再利用。

Description

一种变电站直流供电系统的自动核容装置及核容方法
技术领域
本发明涉及变电站直流供电领域，尤其涉及一种变电站直流供电系统的核容装置及核容方法。
背景技术
变电站直流供电系统广泛服务于水力、变电站、火力发电厂及其它使用直流设备的用户，是一种为信号设备、断电保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分合闸操作提供直流电源的供电设备。直流供电系统是一种独立的电源，它不受发电机、厂用电及系统运行方式的影响，能够在外部交流电中断的情况下，由作为后备电源的蓄电池继续提供直流电源。
新安装的阀控蓄电池在验收时需要进行全容量核对性充放电，以后每隔6个月应进行1次全容量核对性充放电，运行了2年以后的阀控蓄电池，宜每3个月年进行1次全容量核对性充放电。对仅有一组蓄电池的变电站，采用备用蓄电池组替换，该组蓄电池应进行全容量核容。
现有阀控蓄电池主要采用离线核容的方法，核容实验开始时，将蓄电池组从直流母线脱离，利用外部负载或其它设备对电池进行完整放电，通过计算电流×电压×时间，从而统计电池的核电状态，然后通过整流系统对电池进行充电和放电。
还有一种如专利CN108551189A的核容方法，该方案利用脉冲宽度调制PWM技术，通过调节开关模块的导通频率，对电池进行恒流放电，通过负载消耗的方式来实现在线放电核容，通过电池管理系统BMS由整流器实现充电。
采用现有技术进行离线核容时，需要人力参与系统的核容工作，人员投入多；为了加快核容速度就要采用电阻箱等外部设备来消耗放电电能，虽然放电电流加大，但电能浪费多；如果采用在线核容，由于变电站日常使用设备的负载功率较小，放电电流最大不会超过负载电流，因而放电电流小，放电时间长，而且无法保证核容过程中直流母线电压的稳定，从而对负载设备的正常工作带来影响。
发明内容
本发明的目的是：提供一种变电站直流供电系统的自动核容装置及采用这种装置的核容方法，可以在无人值守的情况下实现在线核容；通过加大放电电流，加快核容速度；通过放电和充电电路的电压自动调整作用，实现核容状态下直流母线电压的稳定。
本发明的技术方案是：一种变电站直流供电系统自动核容装置，包括直流母线、AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路、蓄电池组，AC/DC整流电路的输入端与电网相连，输出端与直流母线及直流负载相接，DC/AC逆变电路的输入端与直流母线相连，输出端与电网相接，蓄电池组为多组备份，且包括蓄电池组B1和蓄电池组B2，还包括核容电路、电池管理系统BMS、通讯接口和动态监控电路，每一个蓄电池组与一个核容电路相对应，每一个核容电路包含有一个DC/DC充电电路和一个DC/DC放电电路，多路核容电路启、停工作状态的切换由动态监控装置的控制指令控制；DC/DC充电电路的输入端与直流母线相连，输出端与蓄电池组相接；DC/DC放电电路的输入端与蓄电池组相连，输出端与直流母线相连接；蓄电池组由多个单体电池连接而成，随着放电过程电量增加或减少，连接电池的数量及电压输出值由动态监控装置的指令控制，电池管理系统BMS设在核容电路的内部，AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路、蓄电池组、DC/DC充电电路和DC/DC放电电路均设有通信接口，并通过RS485总线与动态监控装置相连接。
可选地，蓄电池组内部包含有用于监控单体电池电压、温度、电流、荷电状态和健康状态的检测部件，这些检测部件与设在核容电路内部的电池管理系统BMS电连接。
可选地，DC/DC充电电路和DC/DC放电电路相同，分别由断路器1、双向升降压电路2、放电旁路3、电源唤醒电路4和FLY-BUCK电路5所构成，断路器的输入端与直流母线相连，断路器的输出端经双向升降压电路与蓄电池组相接，放电旁路与双向升降压电路并联，FLY-BUCK电路连接于双向升降压电路与电池管理系统之间，电源唤醒电路的输入、输出端分别与断路器及FLY-BUCK电路相连。
可选地，蓄电池组和直流母线电压均为230V时，蓄电池组经DC/DC放电电路与DC/AC逆变电路相连接，动态监控装置控制DC/DC放电电路内的升降压电路2升压，并经DC/AC逆变电路由蓄电池组向电网放电，同时向直流负载供电，完成蓄电池组的放电核容；AC/DC整流电路经DC/DC充电电路与蓄电池组相连接，动态监控装置控制DC/DC充电电路内的升降压电路2降压，并由AC/DC整流电路向蓄电池组充电，完成蓄电池组的充电核容。
一种变电站直流供电系统的核容方法，多个互为备份的蓄电池组分别经核容电路与直流母线相连接，分别实现对每个蓄电池组的核容步骤如下：
步骤1、由动态监控装置通过通信接口对蓄电池组的核容电路发出核容放电指令，同时启动DC/DC放电电路和DC/AC逆变电路，控制蓄电池组向DC/AC逆变电路和直流母线负载恒流放电，通过DC/DC放电电路中的双向升降压电路调整动态放电电压，保持直流母线电压稳定，电池管理系统检测到满放电信号后反馈给动态监控装置，完成蓄电池组的放电核容；
步骤2、由动态监控装置通过通信接口对蓄电池组的核容电路发出核容充电指令，同时启动DC/DC充电电路和AC/DC整流电路，控制AC/DC整流电路向蓄电池组限流充电，通过DC/DC充电电路中的双向升降压电路调整动态动态电压，保持直流母线电压稳定，电池管理系统检测到满充电信号后反馈给动态监控装置，完成蓄电池组的充电核容。
本发明的有益效果是：
1、减少人工干预：由于在蓄电池组和各种电路中安装有电池管理系统和动态监控装置，可以通过通信接口和互联网实现远程控制，将离线核容转换为在线核容，减少了核容操作过程中的人工参与，实现了无人值守和远程操作。
2、节省时间和能源：由于在核容放电过程中将蓄电池组的电能通过DC/AC逆变电路送入电网，加大了负载电流，减少了核容时间，实现了能源再利用。
3、母线电压稳定：由于在核容电路中采用了双向升降压电路来调整充电和放电的电流，保证了核容过程中母线电压的稳定，减小了在线核容过程中对直流母线电压的影响。
4、供电安全：由于本装置由多个蓄电池组并线互备，轮流充电和放电，在核容过程中仍有一个蓄电池组处于备电状态，因而保证了直流供电系统的不间断供电。
附图说明
图1为本发明变电站直流供电系统核容装置系统方块图。
图2为本发明DC/DC充电和放电电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种变电站直流供电系统自动核容装置，包括直流母线、AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路、蓄电池组，AC/DC整流电路的输入端与电网相连，输出端与直流母线及直流负载相接，DC/AC逆变电路的输入端与直流母线相连，输出端与电网相接，直流母线的经常性负载约为15A，以变电站信号设备、断电保护、自动装置、事故照明、应急电源及断路器分合闸操作等直流不间断供电设备为主，负载功率很小，需要按规定的期限对蓄电池组进行核容，以检测蓄电池组长期运行后的质量。根据供电站功率的大小，蓄电池组为多组备份，在本实施例中为2组蓄电池组B1和蓄电池组B2与直流母线并联备份，核容时也分时进行。本技术方案还包括核容电路、电池管理系统BMS、通讯接口和动态监控电路，每一个蓄电池组与一个核容电路相对应，每一个核容电路包含有一个DC/DC充电电路和一个DC/DC放电电路，多路核容电路及每路核容电路内部DC/DC充、放电电路启、停工作状态的切换由动态监控装置的控制指令决定。DC/DC充电电路的输入端与直流母线相连，输出端与蓄电池组相接，DC/DC放电电路的输入端与蓄电池组相连，输出端与直流母线相连接，构成充电和放电回路，供电站的直流电压可以为任何需要的电压值，本供电站直流母线电压为230V，蓄电池组由多个单体电池连接而成，例如采用磷酸铁锂电池64节串联形成，单节电池电压范围为2.8V～3.6V,额定电压3.2V，该蓄电池组的电压根据配置数量的多少其输出值为180V-242V，蓄电池组根据电网电压的变化或有无，平时工作时处于浮充电或向直流母线供电的状态，连接电池的数量及电压输出值由动态监控装置的指令控制。电池管理系统BMS设在核容电路的内部，AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路、蓄电池组、DC/DC充电电路和DC/DC放电电路均设有通信接口，并通过RS485总线与设在管理中心的动态监控装置相连接，管理中心以移动基站、接入网、固话模块、光缆中继站等方式对各供电站实现动态环境检控，保证不间断电源设备的运转和维护。
蓄电池组内部包含有用于监控单体电池电压、温度、电流、荷电状态SOC和健康状态SOH的检测部件，这些检测部件与设在核容电路内部的一电池管理系统BMS电连接，就地检测后与动态监控装置相连接。例如当单体电池的电压达到2.8V的满放电状态，或3.6V满充电的状态时，会将检测信号A/D变换和放大后传递给动态监控装置。
如图2所示，DC/DC充电电路和DC/DC放电电路相同，分别由断路器1、双向升降压电路2、放电旁路3、电源唤醒电路4和FLY-BUCK电路5所构成，断路器的输入端与直流母线相连，断路器的输出端经双向升降压电路与蓄电池组相接，放电旁路与双向升降压电路并联，FLY-BUCK电路连接于双向升降压电路与电池管理系统之间，电源唤醒电路的输入、输出端分别与断路器及FLY-BUCK电路相连。与每组蓄电池组相对应的核容电路中安装的断路器、电源唤醒电路、维修按按键、维护唤醒按键等装置可以配合本地的电池管理系统BMS和远地的动态监控装置进行自动或手动操作。其中，断路器为塑壳断路器，为蓄电池组和直流母线提供断开/接通的手动操作，并提供过流、过温保护；双向升降压电路为DC/DC变换电路，蓄电池组放电时通过升压或降压的自动调整，为直流母线输出稳定的230V电压；放电旁路为二极管放电旁路；唤醒电路用于唤醒BMS工作，提供对外输出电源。
作为实施例1，直流母线电压为常态的230V时，蓄电池组电压<＝230V，蓄电池组经DC/DC放电电路与DC/AC逆变电路相连接，动态监控装置控制DC/DC放电电路内的升降压电路2升压，并经DC/AC逆变电路由蓄电池组向电网放电，同时向直流负载供电，完成蓄电池组的放电核容，此处的升压是为保证放电过程中直流母线电压的稳定，向电网放电是为增大负载，加速放电。AC/DC整流电路经DC/DC充电电路与蓄电池组相连接，动态监控装置控制DC/DC充电电路内的升降压电路2降压，为电池组充电。并由AC/DC整流电路向蓄电池组充电，完成蓄电池组的充电核容。AC/DC整流电路内包括稳压电路，在充电过程中的升压和放电过程中的降压都是为了维持母线电压的稳定，核容过程也是为了维持电池容量的稳定。
作为实施例2，蓄电池组的电压高于直流母线电压230V并介于230V-242V之间时，例如蓄电池组的电压处于242V的高压状态时，为了保证母线电压的稳定，动态监控装置控制DC/DC放电电路内的升降压电路2降压，并经DC/AC逆变电路由蓄电池组向电网放电，同时向直流负载供电，完成蓄电池组的放电核容，母线电压维持230V稳定电压。又如，通过对电池电压计算，当单体电池电压为2.8～3.6V时，其96串电池的电压为268V～345.6V，蓄电池组中的单体电池可以是任何串数或任何组合，并构成需要的蓄电池组供电系统。
作为实施例3，蓄电池组放电时，DC/AC逆变电路与直流母线脱离，动态监控装置控制DC/DC放电电路内的升降压电路2升压或降压，并向直流负载供电，完成蓄电池组的放电核容；蓄电池组充电时，动态监控装置控制DC/DC充电电路内的升降压电路2降压或升压，并由AC/DC整流电路向蓄电池组充电，完成蓄电池组的充电核容。即是否向电网放电，以及是采用升压放电还是降压放电，是采用升压充电还是降压充电，可以经过检测自动切换或手动控制。
如图1所示，一种变电站直流供电系统的核容方法，直流母线电压为230V，多个互为备份的蓄电池组分别经核容电路与直流母线相连接，分别实现对每个蓄电池组的核容步骤如下：
步骤1、由动态监控装置通过通信接口对蓄电池组的核容电路发出核容放电指令，同时启动DC/DC放电电路和DC/AC逆变电路，控制蓄电池组向DC/AC逆变电路和直流母线负载恒流放电，通过DC/DC放电电路中的双向升降压电路调整动态放电电压，保持直流母线电压稳定于230V，电池管理系统检测到满放电信号后反馈给动态监控装置，完成蓄电池组的放电核容；
步骤2、由动态监控装置通过通信接口对蓄电池组的核容电路发出核容充电指令，同时启动DC/DC充电电路和AC/DC整流电路，控制AC/DC整流电路向蓄电池组限流充电，通过DC/DC充电电路中的双向升降压电路调整动态动态电压，保持直流母线电压稳定于230V，电池管理系统检测到满充电信号后反馈给动态监控装置，完成蓄电池组的充电核容。
采用一种变电站直流供电系统自动核容装置及核容方法，通过电池管理系统和动态监控装置减少了人工干预，实现了远程控制。通过DC/AC逆变电路向电网和直流负载放电，加大了负载电流，减少了核容时间，实现了能源再利用。通过核容电路中双向升降压电路的升降压调整作用，实现了恒流放电和限流充电，保证了直流母线电压的稳定。

Claims (7)

1.一种变电站直流供电系统的自动核容装置，包括直流母线、AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路和蓄电池组，AC/DC整流电路的输入端与电网相连，AC/DC整流电路的输出端与直流母线及直流负载相接，DC/AC逆变电路的输入端与直流母线相连，AC/DC整流电路的输出端与电网相接，其特征在于：所述的蓄电池组为多组备份，且包括蓄电池组(B1)和蓄电池组(B2)，还包括核容电路、电池管理系统(BMS)、通讯接口和动态监控电路，每一个蓄电池组与一个核容电路相对应，每一个核容电路包含有一个DC/DC充电电路和一个DC/DC放电电路，多路核容电路启、停工作状态的切换与动态监控装置的控制指令相对应；所述DC/DC充电电路的输入端与直流母线相连，输出端与蓄电池组相接；所述DC/DC放电电路的输入端与蓄电池组相连，输出端与直流母线相连接；所述的蓄电池组由多个单体电池连接而成，连接电池的数量及电压输出值与动态监控装置的指令相对应；所述的电池管理系统(BMS)设在核容电路的内部，所述的AC/DC整流电路、DC/AC逆变电路、蓄电池组、DC/DC充电电路和DC/DC放电电路均设有通信接口，并通过RS485总线与动态监控装置相连接。
2.根据权利要求1所述的一种变电站直流供电系统的自动核容装置，其特征在于：所述的蓄电池组内部包含有用于监控单体电池电压、温度、电流、荷电状态和健康状态的检测部件，这些检测部件与设在核容电路内部的电池管理系统(BMS)电连接。
3.根据权利要求1所述的一种变电站直流供电系统的自动核容装置，其特征在于：所述的DC/DC充电电路和DC/DC放电电路相同，分别由断路器(1)、双向升降压电路(2)、放电旁路(3)、电源唤醒电路(4)和FLY-BUCK电路(5)所构成，断路器的输入端与直流母线相连，断路器的输出端经双向升降压电路与蓄电池组相接，放电旁路与双向升降压电路并联，FLY-BUCK电路连接于双向升降压电路与电池管理系统之间，电源唤醒电路的输入、输出端分别与断路器及FLY-BUCK电路相连。
4.根据权利要求1所述的一种变电站直流供电系统的自动核容装置，其特征在于：所述的直流母线电压为230V时，蓄电池组经DC/DC放电电路与DC/AC逆变电路相连接，动态监控装置控制DC/DC放电电路内的升降压电路(2)升压至230V，并经DC/AC逆变电路由蓄电池组向电网放电，同时向直流负载供电，完成蓄电池组的核容放电；AC/DC整流电路经DC/DC充电电路与蓄电池组相连接，动态监控装置控制DC/DC充电电路内的升降压电路(2)降压，并由AC/DC整流电路向蓄电池组充电，完成蓄电池组的核容充电。
5.根据权利要求1所述的一种变电站直流供电系统的自动核容装置，其特征在于：所述蓄电池组的电压高于直流母线电压230V并介于230V-242V之间时，动态监控装置控制DC/DC放电电路内的升降压电路(2)降压，并经DC/AC逆变电路由蓄电池组向电网放电，同时向直流负载供电，完成蓄电池组的核容放电，母线电压维持230V稳定电压。
6.根据权利要求1所述的一种变电站直流供电系统的自动核容装置，其特征在于：蓄电池组放电时，所述的DC/AC逆变电路与直流母线脱离，动态监控装置控制DC/DC放电电路内的升降压电路(2)升压或降压，并向直流负载供电，完成蓄电池组的核容放电；蓄电池组充电时，动态监控装置控制DC/DC充电电路内的升降压电路(2)降压或升压，并由AC/DC整流电路向蓄电池组充电，完成蓄电池组的核容充电。
7.一种变电站直流供电系统的核容方法，多个互为备份的蓄电池组分别经核容电路与直流母线相连接，其特征在于：分别实现对每个蓄电池组的核容步骤如下：
步骤1、由动态监控装置通过通信接口对蓄电池组的核容电路发出核容放电指令，同时启动DC/DC放电电路和DC/AC逆变电路，控制蓄电池组向DC/AC逆变电路和直流母线负载恒流放电，通过DC/DC放电电路中的双向升降压电路调整动态放电电压，保持直流母线电压稳定，电池管理系统检测到满放电信号后反馈给动态监控装置，完成蓄电池组的核容放电；
步骤2、由动态监控装置通过通信接口对蓄电池组的核容电路发出核容充电指令，同时启动DC/DC充电电路和AC/DC整流电路，控制AC/DC整流电路向蓄电池组限流充电，通过DC/DC充电电路中的双向升降压电路调整动态动态电压，保持直流母线电压稳定，电池管理系统检测到满充电信号后反馈给动态监控装置，完成蓄电池组的充电核容。
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