摘要：提出了一种基于车载蓄电池的、由逆变器和可调电源组成的变电站应急直流电源方案，解决了110kV 及35kV变电站中直流蓄电池退出运行且直流充电机因各种原因也退出运行时，全站面临停电的问题。
关键词：车载蓄电池；逆变器；直流电源
Abstract
A scheme of emergency DC power supply for transformer substation based on vehicle battery，which is composed of inverter and adjustable power supply，is proposed.The problem of power failure faced by the whole substation in 110kV and 35kV transformer substations is solved when the battery is discharged.
Key words：Vehicle battery，Inverter，DC Power Supply
1 引言
为确保站用直流蓄电池的运行状况正常，工作人员需要按规定周期对直流蓄电池进行全容量核对性充放电试验。在进行充放电试验前需要将直流蓄电池退出运行。目前部分110kV变电站以及35kV变电站、10kV配电房仅仅配置了一套直流蓄电池，不满足直流电源N-1的要求。尤其当进行直流蓄电池充放电试验时，唯一的一套直流蓄电池也被退出运行，站内保护、测控等装置就仅仅靠直流充电机维持直流供电。此时若由于外部进线故障或者站用变压器故障等原因导致站内交流失压，则会导致直流充电机停止工作，进而导致全站直流电源消失，保护、测控等装置退出运行。全站设备无保护运行对电网稳定危害极大，绝不允许。
针对直流充放电试验时直流蓄电池退出运行的问题，目前通行的解决办法是调集备用蓄电池至工作现场，作为直流电源备用。这种方法的缺点是：备用蓄电池体积大，重量大，搬运安装不方便，需耗费大量人力。另外，备用蓄电池在不用时需要维持充电状态，以保证其可靠运行值班，导致对备用蓄电池的维护工作量较大。另外，特殊情况也可以调集应急发电车至工作现场作为交流备用。由于发电车的吨位大，使用成本高，且只能持续发电4小时就需要停机1小时，使得这种方法耗费大量人力物力，不能大规模推广。
基于车载蓄电池的、由逆变器和可调电源组成的变电站应急直流电源方案，就是在直流蓄电池退出运行且直流充电机因各种原因也退出运行时，接入变电站直流电源系统母线，保证全站的供电。这个方案克服了上述的缺点。该系统可以自动检测直流母线状态而做到自动投入，投入时间快，使全站失电造成的影响小；系统可以持续供电，避免中途停机；系统也可以多台并联使用，极大扩展了系统的适用范围；此外，系统还具备重量轻，携带方便等优点。这些优点使该方案特别适合直流应急电源需求场合，具有广阔的应用前景。
2 应急直流电源系统结构
本系统的基本框图如图1所示，系统由DC/AC逆变器、AC/DC直流电源、检测与控制等三个模块组成。
图1 系统的基本结构
DC/AC逆变器将12V直流转为220V交流，既可以给AC/DC直流电源供电，也可以对外提供220V AC的应急交流电源。AC/DC直流电源是一个输出可调的直流电源，以适应不同变电站的蓄电池直流母线电压。检测与控制模块负责检测直流模型电压和三相380V交流电压。
该系统的工作原理如下：
（1）该应急直流电源系统接入直流母线以后，当检测到直流母线失压（失压定值可以设置），即变电站直流蓄电池退出运行且直流充电机因各种原因也退出运行时，该系统自动投入到直流系统带直流母线负荷。
（2）在该应急直流电源系统自动投入以后，检测三相交流电源同时来电（交流来电定值可设定）时，该系统具备手动/自动停止输出：当选择为手动时，系统检测到交流来电以后系统提供声光报警功能，提示使用者手动切除输出。当选择自动的时候，系统检测到交流来电以后自动切除输出。
3 详细设计
3.1 DC/AC逆变器
本系统DC/AC逆变器是将车载蓄电池的12V直流电压逆变为交流220V/50Hz的电压，采用的是正弦脉宽调制逆变电路方案，如图2，该电路由12V直流输入以及输入过压保护电路、输入欠压保护电路、过热保护电路、输出过压保护电路、输出过流保护电路、PWM全桥逆变电路I、隔离升压与整流滤波电路、PWM全桥逆变电路II、输出滤波电路等组成。
图2 DC/AC逆变器电路框图
本方案是采用了比较典型的逆变电路的变换方式，把直流12V电压变换成220V的交流电压，即第一级采用直流/直流变换电路，通过脉宽调制（PWM）全桥逆变1、高频变压器隔离和整流滤波后把直流低压升压变成直流高压，再通过第二级直流/交流变换电路，通过对脉宽调制对全桥逆变2的各个桥臂MOS管通断的控制，把高压直流逆变为交流电压，然后通过滤波电路，滤出我们所需要的50Hz的频率交流电压，从而完成12V直流电压逆变成220V/50Hz的交流电压。
3.2 AC/DC直流电源
本系统AC/DC直流电源是将交流220V/50Hz的电压变换为0-240VDC的直流电压，采用的是单相PFC和脉宽调制全桥逆变电路方案，如图3，该电路由单相PFC电路、输入过压过热保护电路、输入欠压保护电路、输出过压过热保护电路、输出过流保护电路、PWM全桥逆变电路、隔离变压器与整流滤波电路等组成。
图3 AC/DC直流电源电路框图
本方案是采用了比较典型的AC/DC直流电源拓扑，即第一级采用单相PFC电路，把交流变成直流，再通过第二级直流/交流变换电路，通过脉宽调制（PWM）全桥逆变、高频变压器隔离和整流滤波后把直流变为所需的可调直流电压。
3.3 检测和控制模块
本系统检测和控制模块主要检测变电站蓄电池母线电压、三相交流电源，控制相关的AC/DC直流电源，如图4：
图4 检测和控制模块框图
检测和控制模块由一款单片机和母线电压检测电路、三相交流电源检测电路、声光报警与数值显示电路、手动/自动开关电路、定值设置电路等外围电路组成。当单片机检测到直流母线电压失压时（失压定值可以设置），即变电站直流蓄电池退出运行且直流充电机因各种原因也退出运行时，该单片机控制AC/DC电源自动投入到直流系统带直流母线负荷。当单片机检测三相交流电源来电（交流来电定值可设定）时，单片机检测手动/自动开关状态，当为手动时，提供声光报警功能，提示使用者手动切除输出。当为自动状态时，系统自动切除输出。
4 系统性能参数
系统的性能参数如下：
输入电压：DC 12V-14V
输入电流：每路120A，两路
输出电压：DC 0-240V，可调，可并联
输出电流：DC 0-10A
重量：小于10Kg
输入输出隔离耐压：2000Vrms
输出对地耐压：2000Vrms
输入对地耐压：1000Vrms
检测失电到自动投入时间：小于200ms
5 系统功能特点
基于车载蓄电池的、由逆变器和可调电源组成的变电站应急直流电源方案，具有以下功能特点：
（1）实用性：系统12V电源来自于工程汽车的发电机和12V蓄电池，能源来源广泛。系统在220V输出下，能够负载7A负荷，满足一般110kV及以下变电站正常负荷需求。在故障跳闸时，利用汽车12V的蓄电池的输出，可以短时负载30A以上直流负荷，足以应对开关分合闸负荷变动的冲击。
（2）灵活性：既可以提供220V交流电，又可以提供可调的直流电，且装置直流输出可以并联使用，满足更大负荷需求。
（3）自动化：自动检测直流母线电压，自动检测三相交流电源，并做出合理的投入与切除。
（4）安全性：DC/AC逆变器、AC/DC直流电源的输入输出彼此隔离，使系统具有很高安全性。
（5）投入时间快：装置从检测到系统失压到自动投入的时间不超过200ms，使得全站失电造成的影响小。
（6）持续供电时间长：相比于应急发电车只能持续发电4小时就需要停机1小时的情况，本电源装置可以长时间不间断工作。
（7）免维护：与目前笨重、安装不变、需要长期充电维护备用蓄电池的方法相比，本装置具有免维护的特点。
（8）重量轻，使用成本低：与现有的应急发电车、备用蓄电池等方法相比，本装置重量轻，只有10公斤，每小时耗油量不超过1.5L，成本不超过15元，使用成本低。
6 结论
本文介绍的系统是一个比较实用的基于车载蓄电池的、由逆变器和可调电源组成的变电站应急直流电源，它以工程汽车发电机及其12V蓄电池为基础，实现了12V转交流220V的逆变电源，同时也实现了可调的直流电源，并具备自动检测直流母线电压和三相交流电源，自动投入和切除功能，有效解决了110kV 及35kV变电站中直流蓄电池退出运行且直流充电机因各种原因也退出运行时，全站直流失压的问题。该方案特别适合直流应急电源需求场合，具有广阔的应用前景。
参考文献
[1] 张新来，艾 飞，110KV智能变电站直流电源系统配置优化研究，河北电力技术，2017（12）；
[2] 何诗昆，浅析变电站直流电源系统的维护，中国科技投资，2017（9）
[3] 杨伟，胡彬，分析电力系统变电站直流电源及维护，通讯世界，2017（18）
作者简介：
邓德茂（1985－），男，汉族，贵州遵义人。工程师，供职于贵州电网公司遵义供电局，长期从事继电保护现场技术工作。
论文作者:邓德茂,韩斌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第36期
论文发表时间:2019/6/11
标签：蓄电池论文; 电路论文; 变电站论文; 直流电源论文; 电压论文; 系统论文; 母线论文; 《电力设备》2018年第36期论文;