一种轻便型分体组合式不间断交直流一体化电源的设计

孔 健，谭明哲，公冶如晶，寻潇潇

（国网山东省电力公司曲阜市供电公司，山东 曲阜273100）

1 项目背景调查

在变电站改造时，都需要先组建一套临时的交直流电源系统，以供保护、监控、信号系统使用，通常需要一蓄电池屏、直流屏、交流屏、UPS屏，往往由于场地限制，组建困难，费时费力，且不规范，安全性不高，所以现场需要一个体积小、质量轻、方便搬运，易于安装的一体化交直流电源。

110kV电压等级以下的变电站蓄电池组都是单组配置，在进行全核容放电时须利用铅酸电池组组建临时的备用蓄电池组，接入直流系统后再将电池组退出进行全核对性放电，这种方式的缺点是铅酸电池组笨重，组建连接费时费力。所以此类工作现场需要便于搬运又便于连接的蓄电池组来使用。

在变电站的UPS电源设备停电检修时，需要一套备用UPS接入系统后替换原UPS设备后才能进行检修，同样直流设备检修时也需要先接入临时的直流设备后才能对原直流设备停电检修，所以现在需要轻便的备用UPS交流设备和直流设备。

现在须保电的大型活动现场越来越多，以往利用发电机作为热备用的保电方式，存在噪音大、不能0s切换的缺点，所以现在需要大容量的交流电源设备。

鉴于以上问题现状，需要一款能在满足实现各自功能的情况下，又能够方便组合连接实现一体化交直流电源的整体功能，且轻便，易于搬运安装的设备，所以亟须研发一种轻便型分体组合式不间断交直流一体化电源。

2 项目原理与设计

2.1 总体方案

设计一种轻便型分体组合式不间断交直流一体化电源，将电池模块、整流模块和UPS模块分别集成在彼此独立的箱体中，各箱体通过锁扣机械连接，再利用航插式通信电缆和电力电缆完成通信连接和电气连接，使得电池模块、整流模块和UPS模块既能够单独发挥各自的功能，也能够根据实际使用需求形成不同的组合满足作业要求。

磷酸铁锂电池在质量、体积和寿命上都要优于铅酸电池，且在安全上也被业界所认可，所以选择磷酸铁锂电芯来组建电池组。考虑轻便性，将电池组设计成可以多组并联的模式，以便以能满足容量需求，又能实现便携性。

设计电池管理系统（BMS），实现对电芯的采集测量及保护控制，实现对电池组自动智能充放电控制，并实现各功能单元之间的通信管理。

2.2 电池组

选用32700磷酸铁锂电池电芯组建电池组。

单体容量6Ah；标称电压≥3.2V；放电截止电压2.2V；单只电池重量145g。

每组电池采用70串4并，电池组容量为24Ah重量≤45kg（包括电芯、模架、紧固件、BMS等）电池组工作电压范围189～255.5V，平台电压224V。输出能量≥5.3kWh，最大负载电流72A（时间小于5s），正常持续工作电流≤24A，循环寿命≥2000次（100%DOD放电第2000次时电池组容量大于等于初始容量的70%）。每组电池固定在独立的箱体内，箱体背部设有电源开关及电源航插插座与通信航插插座。

图1 32700磷酸铁锂电池电芯

表1 BMS功能设计表

电池组箱体上安装有一块触控液晶屏，其与电池管理设备（BMS）实现通信连接，能对各串电池的状态进行监控。

2.3 电池管理系统

可靠的电池管理系统（BMS）设计，对于整串电池组的可靠运行起到关键作用，BMS的作用为：

采集功能：每串电池的电压采集，电池组总电流采集1路，温度采集最多18路。

保护功能：支持过充保护，过放保护，短路保护（采用熔断器物理器件进行保护，在危机时刻采用器件自毁灭的形式来保证系统的安全性），过流保护，高低温保护。

通信：隔离485通信，主要用于与显示屏进行通信、与充电机进行通信。

2.4 高频开关整流电源模块

采用3台额定输出10A/234V高频开关电源并联使用，符合N+1标准，3台设备放置在一个独立的箱体内，箱体背部设有电源开关及电源航插插座与通信航插插座。高频开关电源输出198～286V可调，输出过压保护296±5VDC，不可恢复，输入欠压保护158±10VAC（恢复电压173±10VAC）交流电压正常后，自动恢复工作，设均流保护功能实现并联时负载均衡。

2.5 电力UPS模块

采用两台3kVA电力UPS并联使用，符合N+标准，电力UPS具有双变换在线、零转换功能。交流工作电压范围为176～264VAC；在直流供电时直流输入工作范围为198～286VDC。交流到直流输入之间的切换时间为0s，逆变输出到旁路输出时间≤4ms。UPS自带保护功能：输入欠/过压、过温输出过载保护、可自恢复，输出短路时间在3s内可自恢复，超过3s不可自恢复。电力UPS箱体后设电源开关及电源航插插座与通信航插插座，用于和蓄电池组连接及交流输出。

2.6 一体化监控

在主电池组箱体上装设一块7寸触控屏，用于对整个一体化电源进行集中监控，可编程触控屏作为人机界面，能实现与BMS、充电机、电力UPS的通信，设电池监控、充电监控、UPS监空等功能界面时时的监控整个装置的工作状态，并实现对各参数的整定，还可实现对各部件启停的手动控制。装置能够实现与调度的通信，实现装置信息的实时上传。

图2 电池组原理接线图

主显示界面，显示2组电池充放电状态，显示充电机、逆变器开关状态，控制充电机、逆变器开关及禁止充电和整个系统关机。

电池监控界面，可显示电池相关信息及电池报警信息，包括电池组电压、电池组电流、单体电池最高电压、最低电压、电池温度、剩余容量、剩余电流百分比。显示电池过压、欠压、充电过流、充放电过温等预警信息。

逆变器监控界面，可显示逆变器相关信息包括输出电压、输出电流、输出频率、逆变电压、电池输入电压等信息。

充电机监控界面，可显示2台充电机相关信息包括输出电压、输出电流、脱机电压、限流百分数、等信息。

用户登录界面输入密码登录成功后可以读取及设置充电机相关参数。接线原理图设计，如图3、图4所示。

图3 高频电源模块原理接线图

图4 UPS原理接线图

外观图设计，如图5所示。

图5 装置外观图

3 结束语

采用分体组合式结构设计，灵活易用，整体组合后能实现变电站内一体化交直流电源的基本作用，高频电源模块与电池组组合使用可以获得220V不间断直流输出，电力UPS与电池组组合使用可以获得220V不间断交流电源输出，各单体又可单独使用，实现各自的功能。各单体部件轻便，设有提手，方便搬抬，底部设有滚轮，方便移动。

采用磷酸铁锂电池组作为电源核心的设备，相比原来笨重的同等kWh的铅酸电池组质量减少为1/9，体积减少为1/8，且能增加10倍的使用寿命。

借助完善的电池管理系统，实现对电池组的自动充放电控制、保护及监测。电池组设计可实现多组并联使用，各组电池负载均衡控制。在直流输出的回路上设有防反向充电的二极管，能防止在与其他直流电源并联时对电池组反充电。

一体化监控测控屏设置在顶部，有45°的倾角便于观察控制，监控控界面直观清晰。

装置各单元背部以航插作为连接方式，可扩展性强，根据需要，可以增加绝缘监测仪、降压硅链等设备，以增强装置的功能。