基于光伏取电原理的电房低压直流供电装置

何 悦

（广东电网有限责任公司广州花都供电局，广东 广州 510800）

1 项目研究背景

一般配电房内除了10 kV开关设备外，还有一些设备需要用到低压设备，包括照明设备、防潮灯、驱鼠器、排气扇及配电自动化终端（Distribution Terminal Unit，DTU）等。目前，因为部分配电房无低压供电电源，成为“黑电房”，导致低压设备无法正常取电，进而出现夜间在电房里作业不便、电房内设备受潮易锈蚀、电房内设备因老鼠发生短路接地故障跳闸、DTU无法正常运行采集电流电压数据、无法进行故障判断及隔离等问题[1]。虽然可以采取小型站用变或者PT柜解决一部分“黑电房”问题，但小型站用变或者PT柜占用空间较大，部分电房不满足要求。为此，急需研制一种为配电房提供低压直流供电的装置。

2 本发明设计要点分析

2.1 设计思路

本研究重点需要攻克如下问题：配电房面积小无法运用小型站用变或PT柜问题；电房内DTU与其他低压设备取电问题；DTU遥控分合开关需要瞬时大电流问题；蓄电池在欠压时大电流快速充电、接近额定电压时小电流浮充问题。同时，要求装置稳定性良好，故障率较低，能够确保在充电电路故障或太阳能板故障时主电池仍可运行。根据这些要求，具体设计思路如下。

（1）在装置中配备两个升压电路，采用并联方式。当一个升压电路失效时，另一个升压电路仍可以工作，保证装置的可靠性。

（2）由辅助电池和超级电容组构成缓冲电路，作用是在合分闸时连续多面开关柜时提供一个平稳控制的工作电压及足够分合开关的较大电流[2]。

（3）开机恒流充电，并限制充电电流大小，从而保护主电池组、辅助电池组及升压电路。

2.2 关键技术问题分析

（1）在不操作开关时电房DTU由48 V供电，经过测试发现几款DTU工作电流为400～600 mA。操作合分闸开关时其工作电流较大，不同型号开关柜差别大，电机启动电路瞬时电流达到近十几安培。

（2）装置需要提供瞬间大电流与稳定的工作电压。因为DTU遥控分合开关需要瞬时大电流，常规低压供电装置一般无大电流输出，而且在合分闸时连续多面开关柜时无法提供稳定的工作电压与足够分合开关的大电流[3]。

（3）现有光伏取电技术虽然解决了DTU取电问题，但输出功率及电流较小，仅能满足DTU的遥控、遥测信号的采集计算，无法实现DTU的遥控功能。本装置增设了蓄电池组及电容充放电电路，获得较大的输入功率，确保遥控分合闸开关的可靠性。

（4）该装置主要为户外无常规低压电源的设备供电，如DTU、照明、防潮灯以及排气扇等。常规的DTU持续耗电约48 V/0.3 A，照明用电约为40 W，防潮灯打开时用电约为250 W×2，排气扇约为50 W，整个装置必须有2倍以上的冗余功率。

（5）光伏板的使用效率为0.6～0.7，因此光伏板的容量最少应该为装置供电功率的1.5倍。

（6）部分电房因为空间受限，无法使用小型站用变或者PT柜解决低压供电问题，装置体积尽可能小。

（7）装置二次元件多，如果有一个元件损坏，整个装置将无法正常工作，需要设计冗余备用电路。

（8）装置需要较多的蓄电池，但是蓄电池的使用寿命有限。为提高蓄电池以及装置其他硬件的使用寿命，需要加强对蓄电池组的保护。装置集成了多个保护电路，包括充电电流控制电路、充电电压控制电路、过放电保护电路及开机恒流充电保护电路等[4]。

2.3 设计原理说明

该设备要提供稳定工作电压及瞬间大电流。

（1）根据主电池容量，装置需要4块光伏板（38 V/300 W）。

（2）设备启动后由电池电压检测电路BG1检测到电池电压值，在有光情况下检测电路启动欠压时大电流充电控制电路BG2或正常电压浮充控制电路BG3，对主电池进行从充电。检测到电池电压在欠压或只有60%～70%时对电池进行大电流充电；检测到电池在接近电池额定电压时对电池进行浮充电，充电到额定电压时转入浮充状态。电池电压由电压显示器U1显示（见图1）。

（3）过放电保护电路BG4时作为电池过放电关闭控制，保证太阳能板或充电电路故障时主电池不会损坏[5]。

（4）本装置采用BG2和BG3两套控制电路有利于提高光伏板效率。因为DC/DC升压或降压均损耗很大、容易造成设备发热，另外还需要对发热设备进行降温，白白耗掉有限的太阳能源，因此先完成对24 V主电池组的充电，再用DC/DC升压模块将电压提升至48 V，而不是直接使用DC/DC升压模块将36 V的光伏板输出电压升到48 V再输出到48 V蓄电池组。这提高了光伏板的使用效率，避免了直接升压造成的过高电量损耗，也避免了因电路发热而使用散热装置[6]。

（5）在主电池电压达到额定电压时由过放电保护电路BG4供电给DC/DC升压电路V1和升压电路V2。由于V1、V2处于长时间运行状态，该DC/DC升压电路是DTU供电关键电路，因此，配置两个电路并联运行。即使一个电路有故障另一个也能保证整个装置可靠运行。该工作电压由电压显示器U2进行显示监测。

（6）由升压电路V1、V2输出48 V电直流电源提供给DTU控制电路。因开关柜合闸、分闸部分由48 V电机驱动，所以该电机启动电流较大，仅靠V1、V2提供电流难以实现分合闸。同时，电房内如果有多面开关柜，多面柜分合闸操作时会使V1、V2频繁遭受大电流冲击，增加故障概率，从而增加运维成本。因此，在V1、V2输出后加入辅助电池和超级电容组组成缓冲电路，使其在合分闸时连续多面开关柜时可以提供稳定的工作电压。

（7）因超级电容组漏电流较大，在极短时间内电压会大幅下降，因此在设备停用或储存（不供电工作）时，电容电压接近零时开机可能会损坏备供电（辅助电池组）和V1、V2[7]。利用电压检测控制BG5电路对电池电压进行检测，设定了开机恒流对电容组进行恒流充电1 A左右（限制其充电电流），待充满后再并入B+电路。

（8）过放电保护电路BG4出来后送电电房照明电路。用24 V低电压直流给LED灯直接供电，减少DC/DC升压电路损耗[8]。

3 本发明的综合效益分析

3.1 经济效益

本项发明每套装置连安装费用在内一般为1.1万元左右。而常规的站用变、PT柜的使用，平均一间电房的改造费用需要25万元。可见，使用该装置一间电房就能节省24万元。此外，该装置安装方便，不占用开关站内有限的柜位空间。

图1 本设备工作原理图

3.2 社会效益

该装置施工安装不用停电，极大地减少了用户停电时间。电房改造安装完成后，减少电房因设备锈蚀、环境潮湿带来的设备跳闸，发生跳闸后可通过配电自动化终端告警信息迅速判断故障区域、对开关进行遥控操作，进一步减少停电时间，从而提高供电可靠性。

3.3 安全效益

在电房内配备该装置，可用于电房内相关设备的低压供电，满足照明设备、防潮灯、驱鼠器、排气扇以及配电自动化终端（DTU）的用电需求。同时，工作人员在夜间电房内作业也不用抹黑，作业安全性更有保障如改善了电房内设备受潮锈蚀情况，减少了电房内设备因老鼠发生短路接地故障跳闸事故。DTU可以正常运行采集电流电压数据以及其他遥信、遥测信息，发生故障时可通过主站DTU进行遥控实现开关柜的分合及故障转电，大幅提高了设备安全运行水平。

4 结 论

本文介绍了一款基于光伏取电原理的电房低压直流供电装置，可以为配电房提供安全、可靠、持续的低压直流供电，能够满足配电房的低压用电需求，可投入到生产实践中。