CN115833346A - 可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组及其工作方法，克服了现有的变电站中的直流母线上的单组蓄电池的供电存在的供电无冗余的弊端；属于输送电变电站领域；将变电站中的直流母线上的单组蓄电池组供电形式，拆分为多组小容量蓄电池组供电的形式，形成冗余型直流电源蓄电池组供电的电路结构；在各小容量蓄电池组与变电站中的直流母线之间，设置可双向供电的DC/DC直流变压模块，即智能型双向直流电源装置（MK），通过对DC/DC直流变压模块的控制，实现了冗余型的各组蓄电池组对直流母线的恒压供电；在各组蓄电池组两端，均并联有由直流接触器与阻性电阻串联的冲击试验回路，可分组轮流对各蓄电池组进行在线冲击试验。

Description

可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种变电站直流母线，特别涉及一种变电站中配备的冗余型直流电源阀控密封铅酸电池组及其向直流母线供电的工作方法。

背景技术

在变电站中配备有直流电源母线系统，该直流电源母线系统一般包括充电机和直流电源蓄电池组，它们分别连接在直流母线上；当充电机由于交流输入异常，或其它原因不能输出直流电时，直流电源蓄电池组将成为变电站保护和安全自动装置正确动作的最后防线，因此，要求蓄电池组必须承担起可靠后备的直流供电作用；在现有的变电站中的直流母线上，一般只配备有一组蓄电池组，该蓄电池组普遍使用的是阀控密封铅酸蓄电池，各蓄电池是采用串联方式连接在一起的，在运行中，若发生某节蓄电池开路或放电能力下降等故障，恰逢需要蓄电池组放电工作时，会造成向直流母线供电中断的现象发生，导致电网设备无保护运行，若此时正巧遇到变电站母线上的高压线路发生故障，将会引发严重的电网事故；如何避免该巨大安全隐患的发生，是变电站运行中急需要解决的一个问题；直流母线常规接线对蓄电池的可靠性要求极高，事故放电情况下，母线电压会随着电池组端电压的下降而下降，为了维持母线最低工作电压的要求，放电过程中对电池电压的一致性要求极高，如果出现几只落后电池，就可能引起母线电压的急剧下降，整组中放电能力正常的电池能量不能有效利用，为此，规程规定蓄电池组容量测试时，只要有一只电池电压低于放电终止电压（单只一般为1.8V），立即停止放电；整组容量就只能以这只最落后电池容量为准，常常是发现几只落后电池后，整组电池提前退役报废，电池能量不能得到有效地利用。

在现有的通信直流电源投运设备中，多数采用多组蓄电池组并联运行的模式，但存在各蓄电池组之间无保护措施，没有实现对并联的各组蓄电池进行单独充放电管理的功能；长时间运行后，随着单体电池的电压、内阻一致性变差，会在并联的各蓄电池组之间产生环流现象，进一步导致单只蓄电池性能下降，降低了蓄电池的使用寿命；在储能技术领域，多只蓄电池串联形成高电压，为了实现大容量，需要把串联高电压蓄电池进行多组并联，尽管配备有保证蓄电池之间均衡的BMS（电池管理系统）系统，但这种运行模式同样也存在各并联的蓄电池组容易形成环流的风险，特别是某只蓄电池出现故障，需要更换时，更容易造成误操作，使短路现象发生。

现有的变电站中的直流电源母线的运行模式均为一组充电机配置一组蓄电池组的电路构架模式；站用380伏交流电通过整流器整流成直流后，为直流母线供电，若交流电由于故障停止供电时，直流电源母线上唯一的一组蓄电池组，承担起为直流母线供电的任务，也就是说：当故障发生时，需要蓄电池组为直流母线提供稳定的直流电源，但蓄电池组给直流母线供电的过程中，有时会发生大电流冲击现象，特别是在事故放电的初期阶段，断路器跳闸、储能电机及UPS等负载会对蓄电池回路有较大的冲击电流，相对落后的电池在冲击电流作用下经常发生突然开路的现象，造成整组电池不能持续给母线供电，因母线上只有一组电池，此时一定会导致直流母线失压。防止运行中电池突然开路是行业目前最大的痛点；特别是一组蓄电池供电方式，还存在总容量较大的现状，发生的大电流冲击波动的概率会较大，如何克服电压波动，为直流母线提供恒定的电压，也是变电站现场面临的一个难题。

变电站直流电源母线系统在投运前，要对蓄电池组进行冲击试验，以验证蓄电池持续供电能力；但实际上由于传统接线方式的限制，运行中并不具备冲击试验的条件。原因一是充电机与蓄电池直接并联，冲击可能影响充电机的正常运行从而引起母线电压波动，二是可能引发落后电池单体开路故障，存在直接引起蓄电池脱离母线的风险。所以，规程要求冲击试验的冲击电压不能加到直流电源母线上，现场在进行冲击试验前，需要将蓄电池组与直流母线的连线断开，冲击试验完成后，再进行蓄电池组与直流母线的连线工作，这就存在工作效率低下的问题。如何实现在线进行冲击试验，提前发现落后单体电池，且能防范蓄电池脱离母线也是现场需要解决的一个技术难题。发明内容

本发明提供了一种可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组及其工作方法，克服了现有的变电站中的直流母线上的单组蓄电池的供电方式存在的供电无冗余的弊端，克服了将蓄电池组切入到直流母线上时的电压波动，并通过巧妙的电路结构设计，实现了蓄电池冲击试验的在线进行。

本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的：

本发明的总体构思是：（1）将变电站中的直流母线上的单组蓄电池组供电形式，拆分为多组小容量蓄电池组供电的形式，形成冗余型直流电源蓄电池组供电的电路结构；（2）在各小容量蓄电池组与变电站中的直流母线之间，设置可双向供电的DC/DC直流变压模块，即智能型双向直流电源装置（MK），通过对DC/DC直流变压模块（MK）的控制，实现了冗余型的各组蓄电池组对直流母线的恒压供电；（3）在可双向供电的DC/DC直流变压模块（MK）两端，并联可单向向直流母线大电流供电的单向二极管导通支路，并在单向二极管导通支路上设置接触器开关，若遇到某直流馈线故障，需要提供较大短路电流，以断开故障馈线的空气断路器，为蓄电池组向直流母线提供大电流输出建立起应急通道；（4）在各组蓄电池组两端，均并联有由直流接触器与阻性电阻串联的冲击试验回路，可分组轮流对各蓄电池组进行在线冲击试验，而不会引起母线电压波动；即使引发落后电池单体开路故障，也不会造成蓄电池脱离母线的事故，因为母线上还有其他蓄电池组，只要及时更换开路电池或整组电池即可，实现了因试验而导致蓄电池脱离母线的风险防范要求。

一种可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组，包括变电站直流母线和小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组，在变电站直流母线上，连接有充电机，在变电站直流母线上，分别连接有n组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组；每组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组均是通过一个智能型双向直流电源装置与变电站直流母线连接在一起的，在智能型双向直流电源装置与变电站直流母线之间设置有第一空气开关，在小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组与智能型双向直流电源装置之间，依次串联有电池开关和第二空气开关；在电池开关与第二空气开关之间的蓄电池组正极电路支路上，连接有第一工频二极管的正极，第一工频二极管的负极连接在变电站直流母线的正极电路上；第二工频二极管的负极与第三直流接触器串联后，连接在电池开关与第二空气开关之间的蓄电池组负极电路支路上，第二工频二极管的正极连接在变电站直流母线的负极电路上；在电池开关与第二空气开关之间的蓄电池组正极电路支路，与电池开关与第二空气开关之间的蓄电池组负极电路支路之间，连接有对该组蓄电池组进行在线冲击试验的冲击回路；在小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组上并联有蓄电池检测装置。

在冲击回路上并联有两条支路，在第一条支路上串联有第一直流接触器和第一电阻，在第二条支路上串联有第二直流接触器和第二电阻；投入冲击回路验证蓄电池的放电能力和蓄电池放电回路的可靠性。

小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组，在220V直流母线系统上，是由104节2伏100安时的蓄电池串联组成的；电池开关为100安培隔离开关；第一电阻为23欧姆2.3千瓦的阻性电阻；第二电阻（R2）为1.5欧姆4.7千瓦的阻性电阻。

一种可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组的工作方法，其特征在于以下步骤：

若，变电站直流母线处于正常运行时，充电机将正常供电的380伏交流电整流成直流，为变电站直流母线提供直流电；第一空气开关、第二空气开关、电池隔离开关和第三直流接触器常闭触点均处于闭合状态，第一直流接触器、第二直流接触器均处于断开状态；智能型双向直流电源装置工作在电池端恒压模式，给电池提供浮充电流，小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组处于浮充工作状态；

若，为充电机供电的380伏交流电出现故障，出现断电时，监控装置判断母线电压有下降的趋势，通过控制智能型双向直流电源装置工作在母线侧恒压输出方式，使各组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组向变电站直流母线，提供输出电压恒定的直流电；

若，遇到某直流馈线故障，馈线断路器需要大电流冲击才能自动跳闸从而断开故障馈线时，小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组，以及由第一工频二极管和第二工频二极管组成的放电电路，为变电站直流母线提供冲击大电流，同时智能型双向直流电源装置自动工作在限流模式，故障馈线空开跳闸后，智能型双向直流电源装置自动回复至浮充运行模式。

若，需要对某组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组进行在线冲击试验时，不需要将该组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组与变电站直流母线之间的电池隔离开关、第一空气开关和第二空气开关断开，通过控制智能型双向直流电源装置暂停工作，只要将该组的第一直流接触器和第二直流接触器依次接通后，即可进行该组蓄电池组的冲击试验。

本发明实现了直流母线稳压供电，提升了蓄电池使用寿命，降低运维专业人员工作强度，同时降低了直流母线故障风险提升设备全寿命周期投运时间和可靠性，并降低设备全寿命周期总投资的费用。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组，包括变电站直流母线1和小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组BAT，在变电站直流母线1上，连接有充电机M1，在变电站直流母线1上，分别连接有n组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组BAT；每组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组BAT，均是通过一个智能型双向直流电源装置MK与变电站直流母线1连接在一起的，在智能型双向直流电源装置MK与变电站直流母线1之间，设置有第一空气开关1QF1，在小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组BAT与智能型双向直流电源装置MK之间，依次串联有电池开关DK和第二空气开关2QF1；在电池开关DK与第二空气开关2QF1之间的蓄电池组正极电路支路上，连接有第一工频二极管VD1的正极，第一工频二极管VD1的负极连接在变电站直流母线1的正极电路M+上；第二工频二极管VD2的负极与第三直流接触器KM3串联后，连接在电池开关DK与第二空气开关2QF1之间的蓄电池组负极电路支路上，第二工频二极管VD2的正极连接在变电站直流母线1的负极电路M-上；在电池开关DK与第二空气开关2QF1之间的蓄电池组正极电路支路，与电池开关DK与第二空气开关2QF1之间的蓄电池组负极电路支路之间，连接有对该组蓄电池组进行在线冲击试验的冲击回路2；在小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组BAT上并联有蓄电池检测装置NZ。

在冲击回路2上并联有两条支路，在第一条支路上串联有第一直流接触器KM1和第一电阻R1，在第二条支路上串联有第二直流接触器KM2和第二电阻R2；投入冲击回路验证蓄电池的放电能力和蓄电池放电回路的可靠性。

小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组BAT是由104节2伏100AH的蓄电池串联组成的，或由其他较小容量，一般不大于100AH的蓄电池串联组成的，考虑一面标准屏柜一组电源，易于实现电源的标准化；电池开关DK为100安培隔离开关；第一电阻R1为23欧姆2.3千瓦的阻性电阻；第二电阻R2为1.5欧姆4.7千瓦的阻性电阻。

一种可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组的工作方法，其特征在于以下步骤：

若，变电站直流母线1处于正常运行时，充电机M1将正常供电的380伏交流电整流成直流，为变电站直流母线1提供直流电；第一空气开关1QF1、第二空气开关2QF1、电池隔离开关DK和第三直流接触器常闭触点KM3均处于闭合状态，第一直流接触器KM1、第二直流接触器KM2均处于断开状态；智能型双向直流电源装置MK工作在电池端恒压模式（浮充），给电池提供浮充电流，小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组BAT处于浮充工作状态；

若，为充电机M1供电的380伏交流电出现故障，出现断电时，监控装置判断母线电压有下降的趋势，通过控制智能型双向直流电源装置MK工作在母线侧恒压输出方式，使各组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组BAT向变电站直流母线1，提供输出电压恒定的直流电；

若，遇到某直流馈线故障，馈线断路器需要大电流冲击才能自动跳闸从而断开故障馈线时，小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组BAT，以及由第一工频二极管VD1和第二工频二极管VD2组成的放电电路，为变电站直流母线1提供冲击大电流，同时智能型双向直流电源装置MK自动工作在限流模式，故障馈线空开跳闸后，智能型双向直流电源装置MK自动回复至浮充运行模式。

若，需要对某组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组BAT进行在线冲击试验时，不需要将该组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组BAT与变电站直流母线1之间的电池隔离开关DK、第一空气开关1QF1和第二空气开关2QF1断开，通过控制智能型双向直流电源装置MK暂停工作，只要将该组的第一直流接触器KM1和第二直流接触器（KM2）依次接通后，即可进行该组蓄电池组的冲击试验。

某变电站220V直流电源传统设计方案为：将104只2V400Ah阀控密封铅酸电池串联，并与充电机并联运行，将104只2V104Ah阀控密封铅酸电池进行串联形成蓄电池组，与智能双向电源装置串联预留接线端口；每个冗余型直流电源，按照标准柜体的宽×深×高=800×600×2260毫米，配置监控、蓄电池检测装置、智能双向电源装置、蓄电池组、二极管、断路器、直流接触器、电阻棒以及母线接线端口等；正常运行时每个220V100Ah冗余型直流电源分别由各自独立的监控器控制智能型双向直流电源装置（MK）给蓄电池组进行浮充电；正常运行时每个220V100Ah冗余型直流电源分别由各自独立的监控器控制智能型双向直流电源装置（MK）给蓄电池组进行浮充电；某蓄电池组需要充电试验时：其监控器控制智能型双向直流电源装置（MK）工作在均充模式（恒流限压，一般设置为10A、244V），充电能量来源是直流母线上的充电机；220V100Ah冗余型直流电源由监控器控制直流接触器KM1进行0.1C10（10A）放电供电能力10秒，控制直流接触器KM2进行0.2C10（20A）放电供电能力10秒，通过蓄电池检测装置检测每只蓄电池单只电压上传至监控数据分析，判断蓄电池组放电性能；当监控器检测到直流母线电压低于母线正常运行电压（一般设置为234V）时，因控制智能型双向直流电源装置（MK）退出浮充、均充或核容输出模式，应立即转为事故放电模式（稳压限流模式）。

Claims (5)

1.一种可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组，包括变电站直流母线（1）和小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组（BAT），在变电站直流母线（1）上，连接有充电机（M1），其特征在于，在变电站直流母线（1）上，分别连接有n组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组（BAT）；每组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组（BAT），均是通过一个智能型双向直流电源装置（MK）与变电站直流母线（1）连接在一起的，在智能型双向直流电源装置（MK）与变电站直流母线（1）之间，设置有第一空气开关（1QF1），在小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组（BAT）与智能型双向直流电源装置（MK）之间，依次串联有电池开关（DK）和第二空气开关（2QF1）；在电池开关（DK）与第二空气开关（2QF1）之间的蓄电池组正极电路支路上，连接有第一工频二极管（VD1）的正极，第一工频二极管（VD1）的负极连接在变电站直流母线（1）的正极电路（M+）上；第二工频二极管（VD2）的负极与第三直流接触器（KM3）串联后，连接在电池开关（DK）与第二空气开关（2QF1）之间的蓄电池组负极电路支路上，第二工频二极管（VD2）的正极连接在变电站直流母线（1）的负极电路（M-）上；在电池开关（DK）与第二空气开关（2QF1）之间的蓄电池组正极电路支路，与电池开关（DK）与第二空气开关（2QF1）之间的蓄电池组负极电路支路之间，连接有对该组蓄电池组进行在线冲击试验的冲击回路（2）；在小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组（BAT）上并联有蓄电池检测装置（NZ）。

2.根据权利要求1所述的一种可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组，其特征在于，在冲击回路（2）上并联有两条支路，在第一条支路上串联有第一直流接触器（KM1）和第一电阻（R1），在第二条支路上串联有第二直流接触器（KM2）和第二电阻（R2）。

3.根据权利要求2所述的一种可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组，其特征在于，小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组（BAT）是由104节2伏100安时的蓄电池串联组成的；电池开关（DK）为100安培的隔离开关；第一电阻（R1）为23欧姆2.3千瓦的阻性电阻；第二电阻（R2）为1.5欧姆4.7千瓦的阻性电阻。

4.如权利要求2所述的一种可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组的工作方法，其特征在于以下步骤：

若，变电站直流母线（1）处于正常运行时，充电机（M1）将正常供电的380伏交流电整流成直流，为变电站直流母线（1）提供直流电；第一空气开关（1QF1）、第二空气开关（2QF1）、电池隔离开关（DK）和第三直流接触器常闭触点（KM3）均处于闭合状态，第一直流接触器（KM1）、第二直流接触器（KM2）均处于断开状态；智能型双向直流电源装置（MK）工作在电池端恒压模式（浮充），给电池提供浮充电流，小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组（BAT）处于浮充工作状态；

若，为充电机（M1）供电的380伏交流电出现故障，出现断电时，监控装置判断母线电压有下降的趋势，通过控制智能型双向直流电源装置（MK）工作在母线侧恒压输出方式，使各组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组（BAT）向变电站直流母线（1），提供输出电压恒定的直流电；

若，遇到某直流馈线故障，馈线断路器需要大电流冲击才能自动跳闸从而断开故障馈线时，小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组（BAT），以及由第一工频二极管（VD1）和第二工频二极管（VD2）组成的放电电路，为变电站直流母线（1）提供冲击大电流，同时智能型双向直流电源装置（MK）自动工作在限流模式，故障馈线空开跳闸后，智能型双向直流电源装置（MK）自动回复至浮充运行模式。

5.如权利要求4所述的一种可在线冲击的冗余型直流电源蓄电池组的工作方法，其特征在于以下步骤：

若，需要对某组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组（BAT）进行在线冲击试验时，不需要将该组小容量的直流电源阀控密封铅酸蓄电池组（BAT）与变电站直流母线（1）之间的电池隔离开关（DK）、第一空气开关（1QF1）和第二空气开关（2QF1）断开，通过控制智能型双向直流电源装置（MK）暂停工作，只要将该组的第一直流接触器（KM1）和第二直流接触器（KM2）依次接通后，即可进行该组蓄电池组的冲击试验。

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