輕便型一體化不間斷交直流電源的研制

國(guó)網(wǎng)山東省電力公司曲阜市供電公司 李 寧 孔 健 屈 強(qiáng) 韋勝?gòu)?qiáng)

在變電站交直流電源改造或者停電檢修時(shí)，都需要先組建一套臨時(shí)的交直流電源系統(tǒng)，以供保護(hù)、監(jiān)控、信號(hào)系統(tǒng)使用，通常需要蓄電池屏、直流屏、交流屏、UPS 屏進(jìn)行組建，組建這一套設(shè)備非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以我們結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，研制一款輕便型一體化不間斷交直流電源。

1 項(xiàng)目原理與設(shè)計(jì)

輕便式一體化不間斷交直流電源包括220V30AH 三元鋰電池組、電力直流電源模塊、電力UPS 模塊、可觸摸監(jiān)控顯示屏及電池管理系統(tǒng)（BMS）組成的監(jiān)控系統(tǒng)等部件，本裝置AC220V電源輸入，利用直流電源模塊對(duì)電池組進(jìn)行自動(dòng)智能充電，由電池組與充電機(jī)實(shí)現(xiàn)額定電壓DC220V不間斷直流輸出，額定輸出電流20A。由外接交流和電池組直流接入電力UPS 能實(shí)現(xiàn)AC220V 不間斷交流輸出，額定輸出功率5kW。

上述部分集成在尺寸：545mm×610mm×490mm（寬×高×厚）的箱體內(nèi)，質(zhì)量為90公斤，箱體底部設(shè)有可剎車(chē)滾輪，兩側(cè)設(shè)有4個(gè)提手。此裝置采用能量密度高的三元鋰電池組作為電源核心的設(shè)備，并借助完善的電池管理系統(tǒng)（BMS）實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的自動(dòng)充放電控制、保護(hù)及監(jiān)測(cè)，相比原來(lái)笨重的同等kWh 的鉛酸電池，將質(zhì)量減少為1/10,體積減少為1/12，且能增加5倍的使用壽命。此裝置能同時(shí)實(shí)現(xiàn)不間斷的交流和直流輸出，兩臺(tái)高頻開(kāi)關(guān)整流電源模塊與三元鋰電池組實(shí)現(xiàn)不間斷的直流輸出，切換時(shí)間為0S；UPS 交流電源與電池組逆變輸出共同能實(shí)現(xiàn)不間斷的交流輸出，切換時(shí)間為0S。本裝置將原變電站多面交直流電源屏的功能整合在一個(gè)裝置中，輕便易于搬運(yùn)、安裝。

圖1 外觀圖

三元鋰電池組。其電體電芯容量5Ah，開(kāi)路電壓≥4.15V（充滿(mǎn)電后2h 內(nèi)），終止電壓2.75V，單只電池重量約95克。電池組共計(jì)60串，每串采用26650單體電池6組并合而成，電池組容量為30Ah，重量≤37kg（包括電芯、模架、緊固件、BMS 等）。電池組工作電壓范圍168V～252V，平臺(tái)電壓216V，輸出能量≥6.4kWh，最大負(fù)載電流60A（時(shí)間小于5S），正常持續(xù)工作電流≤20A，循環(huán)壽命≥500次（100%DOD 放電第500次時(shí)電池組容量大于等于初始容量的80%）。

整流模塊。采用兩個(gè)220V、10A 高頻開(kāi)關(guān)電源模塊并聯(lián)使用，符合N+1標(biāo)準(zhǔn)。高頻開(kāi)關(guān)整流模塊先進(jìn)的LLC 諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，效率高；采用APFC技術(shù)，功率因數(shù)高；散熱風(fēng)扇采用溫度聯(lián)合電流控制模式，噪音低，風(fēng)扇壽命長(zhǎng)。

電力UPS。國(guó)網(wǎng)五通規(guī)定110kV 及以下的變電站電力UPS 配置1套即可以，所以為節(jié)省資金、質(zhì)量和體積，我們選擇1臺(tái)5kVA 電力UPS 的配置方案。UPS 具有雙變換在線、零轉(zhuǎn)換功能，UPS 的直流輸入與交流（輸入和輸出）完全電氣隔離，滿(mǎn)足電力行業(yè)相關(guān)要求；在市電供電模式下，220V 交流經(jīng)過(guò)雙BOOST 升壓為±380VDC，后級(jí)通過(guò)半橋逆變器，經(jīng)LC 濾波后輸出220V 穩(wěn)定交流；在市電停電時(shí)UPS 無(wú)間斷切換到電池供電，直流220V 輸入經(jīng)隔離的高頻全橋變換后升壓為隔離的±380VDC，供后級(jí)逆變使用。

BMS 管理系統(tǒng)。采用一主兩從的BMS 管理系統(tǒng)。采集功能：每串電池的電壓采集，電池組總電流采集1路，溫度采集最多18路；保護(hù)功能：支持過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、短路保護(hù)（采用熔斷器物理器件進(jìn)行保護(hù)，在危機(jī)時(shí)刻采用器件自毀滅的形式來(lái)保證系統(tǒng)的安全性）、過(guò)流保護(hù)、高低溫保護(hù)；通訊：隔離485通信，主要用于與顯示屏進(jìn)行通信、與充電機(jī)進(jìn)行通訊。

觸摸屏顯示及功能設(shè)置。此裝置設(shè)一觸控屏實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰電池組、電力用高頻開(kāi)關(guān)整流模塊及電力UPS 模塊的工作狀態(tài)的集中監(jiān)控，監(jiān)控共分主界面、電池監(jiān)控界面、逆變器監(jiān)控界面、充電機(jī)監(jiān)控界面、單體電池電壓監(jiān)控界面、參數(shù)設(shè)置界面、用戶(hù)登錄界面七個(gè)界面，主分界面清晰，分工明確，便于操控。集中監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)、顯示系統(tǒng)故障信息，同時(shí)具有整流模塊開(kāi)、關(guān)機(jī)，以及整流模塊均、浮充，電池測(cè)試、均充電壓設(shè)置、浮充電壓設(shè)置、充電限流設(shè)置、電池維護(hù)均充周期設(shè)置、整流模塊限流控制功能。還顯示UPS 運(yùn)行數(shù)據(jù)、系統(tǒng)狀態(tài)，也可以對(duì)UPS 相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

充電策略。充電機(jī)后接入交流電源，BMS 上電工作自檢完成后,BMS 與充電機(jī)正常通訊則充電繼電器KT2閉合，充電機(jī)開(kāi)始以20A 電流恒流充電。當(dāng)單體電壓大于等于4.185V、電流小于200mA、置SOC 為100%，此時(shí)充電機(jī)繼續(xù)保持充電狀態(tài)，充電到252V 時(shí)轉(zhuǎn)為恒壓充電，當(dāng)電池有過(guò)壓保護(hù)（大于252V，充電電流小于1.5A）則充電繼電器KT2斷開(kāi)，停止充電，待單體電池電壓低于4.1V 時(shí)充電繼電器KT2重新閉合，電池重新進(jìn)入充電狀態(tài)。在輸出的“+”回路上裝設(shè)有防止反向充電的二極管，可以保證接入系統(tǒng)后防止系統(tǒng)電壓高于鋰電池組電壓而對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電。

圖2 原理圖設(shè)計(jì)

其他配件。1路交流電源輸入與3路交流電源輸出、3路直流電源輸出采用航空插頭，且分別對(duì)應(yīng)有空氣斷路器進(jìn)行控制。

2 實(shí)施效果歸納及適用范圍

本裝置將原變電站多面交直流電源屏的功能整合在一個(gè)裝置中，輕便易于搬運(yùn)、安裝。在變電站改造時(shí)，可以將此裝置方便快捷的接入作為交直流一體化電源使用，節(jié)省組建臨時(shí)交直流電源設(shè)備的人力物力投入。此裝置能作為變電站備用交直流電源，在變電站交流或直流系統(tǒng)檢修時(shí)或故障時(shí)可以暫時(shí)替代，且能方便接入。

將此裝置接入變電站直流系統(tǒng)替換下原鉛酸電池組，對(duì)其進(jìn)行全核容放電，接入系統(tǒng)的此電池組必要時(shí)可以作為電源輸出，可以20A 電流持續(xù)輸出1.5小時(shí)。此裝置可多機(jī)并聯(lián)使用以增大容量滿(mǎn)足交直流輸出容量的需求，這樣就完美的解決了以往解決單組蓄電池配置的變電站無(wú)法對(duì)蓄電池組進(jìn)行全核對(duì)性充放電的問(wèn)題。

本裝置輕便、易用、高效，不但可以應(yīng)用在變電站，也可以應(yīng)用在配電臺(tái)區(qū)，作為臺(tái)區(qū)設(shè)備故障停電后的應(yīng)急供電，它還可以用于多種保電場(chǎng)合以及搶險(xiǎn)、抗災(zāi)、救援領(lǐng)域使用，相比使用發(fā)電機(jī)供電的方式有無(wú)噪音、無(wú)污染、更便捷的優(yōu)點(diǎn)。本裝置既可以在電力行業(yè)推廣，也可以向其他行業(yè)領(lǐng)域推廣使用。