CN203481883U

CN203481883U - 一种变电站直流电源系统

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Publication number: CN203481883U
Application number: CN201320596235.2U
Authority: CN
Inventors: 杨文呈; 乐军培; 赵汝有; 杨绍露; 徐军华; 张继军; 倪江; 陈颖平; 陈威; 李航; 宋为; 李民万; 温业盛; 刘丽琴
Original assignee: KUNMING SHENGRUNTAI ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD; Lincang Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Current assignee: KUNMING SHENGRUNTAI ELECTRONIC TECHNOLOGY CO LTD; Lincang Power Supply Bureau of Yunnan Power Grid Co Ltd
Priority date: 2013-09-26
Filing date: 2013-09-26
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2023-09-26

Abstract

本实用新型公开了一种变电站直流电源系统，包括蓄电池模块组，所述蓄电池模块组包括多个并联的蓄电池模块，每个所述蓄电池模块包括AC/DC充电模块、磷酸铁锂蓄电池组和DC/DC升压模块；所述变电站直流电源系统还包括供电电流调整模块、充放电电流调整模块、保护装置和电池管理模块；所述供电电流调整模块、充放电电流调整模块、保护装置、电池管理模块均与所述蓄电池模块组电性连接。实施本实用新型能够解决蓄电池整组串联、整组供电方式下单只蓄电池性能落后、连接线松动、电池均流因素影响整组蓄电池的可靠性，以及不能在线更换维护单节电池，电池冗余配置不经济的问题。

Description

一种变电站直流电源系统

技术领域

本实用新型涉及变电站直流电源系统领域，尤其涉及一种基于模块化并联磷酸铁锂电池组的变电站直流电源系统。

背景技术

目前变电站直流电源存在如下问题：

（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，意义重大。在正常运行时，蓄电池组处于浮充状态，并没有带载。每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：1）单只蓄电池内部质量问题，造成整组蓄电池不能正常带载；2）单只蓄电池连接线问题，造成整组蓄电池不能正常带载；3）蓄电池组中最差一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；

4）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。

（2）串联蓄电池组不能在线维护

1）目前蓄电池组容量只能靠定期核容实验才能真正确定实际容量；

2）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。

（3）蓄电池组一次二次投资比重较大

1）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；

2）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；

3）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；

（4）铅酸蓄电池在变电站大量使用，环境保护压力越来越大

（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。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种变电站直流电源系统，使用并联用磷酸铁锂智能蓄电池模块实现对直流电源不同的负荷和控制回路分布式供电，彻底解决蓄电池整组串联、整组供电方式下单只蓄电池性能落后、连接线松动、电池均流等因素影响整组蓄电池的可靠性，以及不能在线更换维护单节电池，电池冗余配置不经济等问题。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是，提供一种变电站直流电源系统，包括蓄电池模块组，所述蓄电池模块组包括多个并联的蓄电池模块，每个所述蓄电池模块包括用于充电的AC/DC充电模块、用于储存电能的磷酸铁锂蓄电池组和用于输出电能DC/DC升压模块；所述变电站直流电源系统还包括用于调整每个所述蓄电池模块提供的供电电流的供电电流调整模块、用于调整每个所述蓄电池模块中每个电池的充放电电流的充放电电流调整模块、用于对所述蓄电池模块组进行安全保护的保护装置和用于对所述蓄电池模块组进行监控管理的电池管理模块；所述供电电流调整模块、充放电电流调整模块、保护装置、电池管理模块均与所述蓄电池模块组电性连接。

在本实用新型所述的变电站直流电源系统中，所述磷酸铁锂蓄电池组包括4只串联的3.2V/120AH磷酸铁锂蓄电池。

在本实用新型所述的变电站直流电源系统中，所述DC/DC升压模块包括用于DC-DC升压的移相控制全桥零电压开关PWM变换器。

在本实用新型所述的变电站直流电源系统中，所述供电电流调整模块为UCC3902均流控制芯片。

在本实用新型所述的变电站直流电源系统中，所述充放电电流调整模块包括控制器和与所述控制器相连接的通断开关，所述控制器与所述通断开关组成的电路与所述蓄电池模块组电性连接，所述控制器通过控制通断开关的通断以调节所述蓄电池模块组每个电池的充放电电流。

在本实用新型所述的变电站直流电源系统中，所述保护装置用于进行输入过/欠压保护、输出过/欠压告警、输出短路保护、模块过温保护和蓄电池过/欠压保护。

在本实用新型所述的基于模块化并联磷酸铁锂电池组的变电站直流电源系统中，所述电池管理模块包括数据采集模块、通讯模块和监控模块；所述数据采集模块用于采集所述蓄电池模块内的电压、电流、功率和温度信息，并通过通讯模块将所述信息传送至监控模块，所述监控模块对所述信息进行处理并显示。

因此，本实用新型可以获得以下的有益效果：使用磷酸铁锂蓄电池替代铅酸蓄电池作为直流电源系统的主要部件，符合目前的环保方向；将单节的磷酸铁锂蓄电池创新组合为单体的“并联用智能磷酸铁锂蓄电池模块”，改变了以前蓄电池整组供电的模式，使用并联用磷酸铁锂智能蓄电池模块实现对直流电源不同的负荷特性和控制回路分布式供电；使用UCC3902均流控制芯片解决并联电池组之间的均流问题。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型一个实施例的变电站直流电源系统的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例的蓄电池模块的结构示意图；

图3是本实用新型一个实施例的AC/DC充电模块的结构示意图；

图4是本实用新型一个实施例的DC/DC升压模块的结构示意图；

图5是本实用新型一个实施例的移相控制全桥零电压开关PWM变换器的电路原理图；

图6是本实用新型一个实施例的供电电流调整模块的工作原理示意图；

图7是本实用新型一个实施例的充放电电流调整模块的工作原理示意图；

图8是本实用新型一个实施例的电池管理模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1是本实用新型一个实施例的变电站直流电源系统的结构示意图。如图1所示，系统包括蓄电池模块组1，蓄电池模块组1包含多个单体的蓄电池模块11；与蓄电池模块组1相连的供电电流调整模块2，用于解决并联蓄电池模块组之间的均流问题；与蓄电池模块组1相连的充放电电流调整模块3，用于对蓄电池模块组1进行分流均衡以实现各节电池均衡充电的目的；与蓄电池模块组1连接的用于对蓄电池模块组1进行安全保护的保护装置4和与蓄电池模块组1连接的用于对蓄电池模块组1进行监控管理的电池管理模块5。在本实施例中，保护装置4包括如下功能：①输入过/欠压保护：模块具有输入过/欠压保护并告警功能，当输入电压小于145VAC时或者大于295VAC时，模块进入保护状态，无直流输出，保护告警；当电压恢复到155VAC或者285VAC之间后，模块自动恢复工作；②输出过/欠压告警：模块具有输出过压保护和欠压告警功能，当输出电压大于235VDC时，模块保护，无直流输出；③输出短路保护：模块具有输出短路恒流限流功能，模块输出短路时，输出电流不大于额定电流；短路因素排除后，模块自动恢复正常输出；④模块过温保护：当模块的进风口堵塞或其他原因引起的模块内部环境温度升高超过模块预设值时，模块会自动进入过温保护状态，模块无电压输出。当异常条件清除，模块内部温度恢复正常后，模块自动恢复进入正常工作模式；⑤当模块所带蓄电池在充电或放电过程中出现电池电压过压或欠压时，模块自动关闭电池充电或放电功能，并及时发送故障告警信息。同时在本实施例的变电站直流电源系统中，还提供在线检修更换功能，以保证单模块检修不影响直流母线运行。

图2是本实用新型一个实施例的蓄电池模块的结构示意图。如图2所示，蓄电池模块11包括AC/DC充电模块111、磷酸铁锂蓄电池组112和DC/DC升压模块113。在单蓄电池电压选择时，蓄电池模块11内的单蓄电如选择2V蓄电池，在抗干扰、功率变换效率方面均有难度。而3.2V磷酸铁锂蓄电池为成熟产品，各种容量产品较为丰富。本实施例的磷酸铁锂蓄电池组112选择4只3.2V蓄电池串联作为内部基本配置。在单蓄电池容量选择时，一般常规110KV变电站正常直流负荷不超过10A，本实施例中蓄电池模块组1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。计算DC220V/1A并联用智能蓄电池模块内蓄电池容量：在全站交流失电情况下，加上事故照明等应急负荷,假设蓄电池持续放电20A*4H，按照能量守恒定律：

1A*4H(240V)=20A*4H(12V)=80AH(12V)

使用磷酸铁锂电池能以1C持续放电，故120AH配置适用于使用磷酸铁锂电池情况。因此在本实施例中，对于每只DC220V/1A并联式智能蓄电池模块，其基本组成为：①充电模块AC220V/DC120V30A；②3.2V/120AH磷酸铁锂蓄电池4只（按输出20A*4小时选择）；③升压模块DC/DC：DC12V20A/DC220V1A。

图3是本实用新型一个实施例的AC/DC充电模块的结构示意图。本实施例中的AC/DC环节为现有技术，输出电压、电流技术参数保证上无特别问题。正常运行时，充电模块111（AC220V/DC120V30A）与磷酸铁锂蓄电池组112并联，用于对其浮充电。在线充放电实现方法为：S1、整定均充曲线相关参数；S2、停止充电模块输出；S3、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；S4、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；S5、产生相应事件记录，通信上传信息。

图4是本实用新型一个实施例的DC/DC升压模块的结构示意图。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，本实施例中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。设计指标为：输入直流电压为10.5V-14.5V；输出直流电压为220V-250V可调，持续输出电流为1A；最大输出功率为1000W。

图5是本实用新型一个实施例的移相控制全桥零电压开关PWM变换器电路原理图。如图5所示，Vin为输入直流电压，D1-D4分别为Q1-Q4内部寄生二极管，C1-C4分别为Q1-Q4的寄生电容或外接电容，Lr是谐振电感，它包括变压器的漏感。Q1和Q2组成的桥臂为超前桥臂，Q3和Q4组成的桥臂为滞后桥臂。

图6是本实用新型一个实施例的供电电流调整模块的工作原理示意图。供电电流调整模块是保证蓄电池模块安全运行的基础条件，为解决各单体电池的均流问题，采取各个单体电池之间加装均流线及结合软件技术进行处理。均流控制模块核心为UCC3902均流控制芯片。如图6所示，系统设置“+”、“-”均流母线，模块输出欠压时自动从均流母线断开，均流电路停止工作。均流电路调节输出电压能力小于0.5V。

图7是本实用新型一个实施例的充放电电流调整模块的工作原理示意图。并联电池组模块由多节较大容量单体电池串联而成。由于加工制造过程中材质不均和使用过程中电池温度、寿命等存在差异，电池件存在内阻、端电压、容量等参数的不一致性，在一组电池充电过程中，各个电池由于参数的不一致性，各个电池充电速度和端电压是不一致的。因此有必要提供一种有效的均衡充电方法，最大限度地发挥磷酸铁锂电池的效用，延长电池的使用寿命，增加站用直流系统的可靠性。如图7所示，充放电电流调整模块3通过控制器31控制电阻网络的通断对电池组进行分流均衡，在电池组充电的过程中，当某节电池充电速度较快，电压高于其他电池，系统通过控制开关的通断来控制均衡电阻的导通分流，以达到各节电池均衡充电的目的。电池在放电时，电池单体电压或串联总电压小于或等于设计值时，CPU下指令给开关QF1，让其断开，从而保证电池不过放。控制器31可以是中央处理器CPU。

图8是本实用新型一个实施例的电池管理模块的结构示意图。如图8所示，电池管理模块5包括数据采集模块51、监控模块53和通信接口。通信接口为可扩充通信接口，通过RS485/以太网口/RS-232/I2C总线等，将数据采集模块采集到的蓄电池模块内的电压、电流、功率、温度等实时信息传送给监控模块53，从而使监控模块能够远程在线了解各蓄电池模块运行状态并做智能化管理。电池管理模块5可对蓄电池的电压和温度实时在线检测，同时可测量电池的充放电流，对电池电压过低或过高、温度值超温等情况触发保护装置进行提示报警，数据采集模块51可对3组以下（含3组）电池采集板的数据进行采集，并通过监控模块53进行数据的处理和显示。

上面结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。

Claims

1.一种变电站直流电源系统，其特征在于，包括蓄电池模块组（1），所述蓄电池模块组（1）包括多个并联的蓄电池模块（11），每个所述蓄电池模块（11）包括用于充电的AC/DC充电模块（111）、用于储存电能的磷酸铁锂蓄电池组（112）和用于输出电能DC/DC升压模块（113）；所述变电站直流电源系统还包括用于调整每个所述蓄电池模块（11）提供的供电电流的供电电流调整模块（2）、用于调整每个所述蓄电池模块（11）中每个电池的充放电电流的充放电电流调整模块（3）、用于对所述蓄电池模块组（1）进行安全保护的保护装置（4）和用于对所述蓄电池模块组（1）进行监控管理的电池管理模块（5）；所述供电电流调整模块（2）、充放电电流调整模块（3）、保护装置（4）、电池管理模块（5）均与所述蓄电池模块组（1）电性连接。

2.如权利要求1所述的变电站直流电源系统，其特征在于，每个所述磷酸铁锂蓄电池组（112）包括4只串联的3.2V/120AH磷酸铁锂蓄电池。

3.如权利要求1所述的变电站直流电源系统，其特征在于，所述DC/DC升压模块（113）包括用于DC-DC升压的移相控制全桥零电压开关PWM变换器。

4.如权利要求1所述的变电站直流电源系统，其特征在于，所述供电电流调整模块（2）为UCC3902均流控制芯片。

5.如权利要求1所述的变电站直流电源系统，其特征在于，所述充放电电流调整模块（3）包括控制器(31)和与所述控制器（31）相连接的通断开关（32），所述控制器（31）与所述通断开关（32）组成的电路与所述蓄电池模块组（1）电性连接，所述控制器(31)通过控制通断开关（32）的通断以调节所述蓄电池模块组（1）每个电池的充放电电流。

6.如权利要求1所述的变电站直流电源系统，其特征在于，所述保护装置（4）用于进行输入过/欠压保护、输出过/欠压告警、输出短路保护、模块过温保护和蓄电池过/欠压保护。

7.如权利要求1所述的变电站直流电源系统，其特征在于，所述电池管理模块（5）包括数据采集模块（51）、通讯模块（52）和监控模块（53）；所述数据采集模块（51）用于采集所述蓄电池模块组（1）内的电压、电流、功率和温度信息，并通过通讯模块（52）将所述信息传送至监控模块（53），所述监控模块（53）对所述信息进行处理并显示。