10kV环网柜控制器综合能源供电装置的设计与实现

国网福建省电力有限公司漳州供电公司 陈少伟 卢镇江 沈渊彬 庄淑祯 谢鑫达

1 引言

环网柜被广泛应用于大型商场、高层建筑、工厂小区等变电、配电站中[1]。环网柜的工作状态对整个电力系统有重大影响，因此确保环网柜正常工作是非常必要的。控制器作为环网柜中的一个关键设备，若出现断电，环网柜将无法进行遥测、遥信、遥控工作，电力系统也将出现较大安全隐患。基于此，设计一种由光伏组件和蓄电池组配合供电、DC/DC转换器升压稳压的综合能源供电装置，可以保障环网柜正常工作和电力系统的稳定性。

2 10kV 环网柜控制器综合能源供电装置的设计背景

10kV环网柜是一种常用环网柜，其内部控制器供电电源主要是PT 一次侧交流电整流后的直流电源[2]。应用PT 二次侧直流供电的方式虽然能够使10kV环网柜中的控制器和蓄电池获得电能，但在实际运行过程中，二次侧熔丝时常因电流过大而出现烧毁，导致控制器失去供电电源。尽管由蓄电池为其供电，但供电时间一般不会超半个小时。熔丝烧毁后，更换的代价较大，需要将整个环网柜进行检修，致使用电目标停电，而对那些存在大支线的环网柜，也会因为停电用户过多导致无法更换熔丝。同时由于控制器断电，环网柜无法正常工作，供电系统可能给检修人员带来一定的安全威胁[3]。为了解决这些问题，依托某供电公司项目，设计并实现了一种10kV环网柜控制器综合能源供电装置，对提高环网柜运行稳定性、安全性及经济性具有重要意义。

3 10kV环网柜控制器综合能源供电装置的设计

3.1 供电装置结构

为避免PT熔断导致控制器失去供电的情况，设计一种采用光伏板发电和Boost 电路升压的综合能源供电装置，综合能源供电装置设计原理如图1所示。综合能源供电装置主要由光伏组件、光伏板控制器、蓄电池组、DC/DC 转换器、DC/AC 逆变器等部分组成。其中，DC/DC转换器的主要作用是升压，将光伏组件和蓄电池组产生的一定波动的直流电压转换成稳定输出的直流电压。另外，转换器还可以实现最大跟踪功率[4]。

图1 综合能源供电装置设计原理

3.2 供电装置安装方案

光伏组件安装如图2所示，将光伏组件安装在环网柜顶部，左右两边光伏板与底部成对称三角形状，底角为30°～45°，正对太阳光照射方向，光伏组件控制器、蓄电池组、转换器、逆变器均安装在环网柜内部[5]，机柜两侧安装排风扇，分别位于上下两端。此安装方案能够使光伏板与环网柜轮廓高度相契合，实现光伏板发电面积最大化。此外，对称三角形结构，能够使光伏板牢固在环网柜顶部，能够应对台风、暴雨等强对流天气。

图2 光伏组件安装

3.3 供电装置设备选型

直流和交流负载功率，根据环网柜内部电气设备情况可知，除了控制器外，还安装了加热、排风、照明交流用电设备。通过计算，总的交流负载功率为395W，直流负载功率为240W。

蓄电池组和DC/DC 转换器，考虑项目实际情况，选择3 个12V 的蓄电池串联组成储能组件。由计算直流和交流负载功率可知，当控制器运行24h，其他交流负载运行7h 总的用电量为8.525kWh，应选择容量为236.8Ah的蓄电池。对DC/DC转换器的选型，选择输入电压36V，功率为650W，输出电压为48V的控制器。

光伏组件和光伏组件控制器，光伏组件控制器的选型，选择输入电压36V，功率为650W，输出电压为48V 的控制器。根据计算得出的交流负载和直流负载功率，在对光伏组件选型时，总的功率是两者的1.43 倍，因此光伏组件的总的功率应为738.2。在实际电能转化中，光伏组件的最大输出功率为额定功率的80%，故应该选择4 块250W 的光伏板，总功率为1000W。当采用并联方式将2 块光伏组件连接时，能够满足实际的最大输出功率800W，工作电流为8.5A，工作电压为30V。

3.4 DC/DC转换器电气参数选取

DC/DC转换器所用电路为Boost电路（升压斩波电路），是常用的光伏系统发电的直流变换电路。该电路通常由电源Vin、输入滤波电感Lf、二极管D、输出滤波电容Cr、开关管（三极管）Q 以及电阻R 构成。其中开关管Q 的通断受施加在基极上的驱动信号控制，控制方式为PWM控制。

电感Lf上电流有2 种工作情况，连续和断续，对应的DC/DC转换器有3种工作模式，分别是连续导通模式、临界导通模式以及断续模式。因综合能源供电装置需要保持对环网柜控制器的供电稳定，因此临界导通模式和断续模式不做考虑，只对连续导通模式进行分析。连续导通模式下电感Lf上的纹波电流ΔiL为式（1）：

式（1）中：Imax和Imin分别表示流过的最大电流和最小电流。

电感Lf上的平均电流IL为式（2）：

式（2）中：TS表示开关管Q的一个周期；iL表示周期内流过的电流。

电感Lf的参数选取,根据伏秒平衡公式可计算得出输出电压Vo和输入电压Vin的关系为式（3）：

式（3）中：D表示PWM 控制信号高电平占空比。

输出电流Io和输入电流Iin的关系为式（4）：

在开关管导通和截止期间，电感Lf的电压为式（5）：

假设开关管Q导通时间为Ton，则上式Δt=Ton=DTS，再由VL=Vin，电感电流和电压方向关联，可得纹波电流ΔiL为式（6）：

假设开关管Q截止时间为Toff，则式（5）中Δt=Toff=（1-D）TS，电感电压VL=Vin-Vo，电感电流和电压方向非关联，可得纹波电流ΔiL为（7）：

通过以上分析可知，DC/DC转换器工作在连续模式下电感上的纹波电流和输入电压Vin有关，与输出电压Vo无关。另外，根据Boost电路的原理特性，在连续导通模式下满足式（8）：

结合式（4）和（5），代入式（8）中，可得电感Lf满足式（9）：

式（9）中：Po表示DC/DC转换器输出功率。

由设备选型可知，Vo=48V，Po=650W，占空比通过:式（3）算得，D=0.25，TS取0.1ms，则电感Lf应满足：24.92μH。在实际设计Boost 电路时，不仅要考虑电感电流要满足的条件，还应考虑电感电流的纹波率η，定义纹波率η为式（10）：

结合公式（4）和（6），将其代入上式中，可得η为式（11）：

通常情况下，纹波率要满足设定值纹波率，即η<ηL，将上式代入可得式（12）：

即电感Lf还应满足条件为式（13）：

取电流纹波率ηL为40%，则有式（14）：

综上两种情况，取电感值为130μH的磁环电感。

电容Cr的参数选取，与电感Lf的参数选取相比较，输出滤波电容的参数选取要简单很多，只要考虑输出电压的纹波率ηC即可。参考电感参数分析方法，输出滤波电容Cr的应满足的条件为式（15）：

式（15）中：ηC取0.1%，将各参数代入其中，可得式（16）：

考虑实际，选取10mF/50V的高频电解电容。

整流二极管D的参数选取，因DC/DC中开关管Q的频率较高，选用快恢复二极管。由此可知，二极管能承受的最大电压为48V，最大流经电流为13.5A，电流耐压取2倍裕量，选取的二极管最大电流应大于27A，故选取600V/30A的快恢复二极管，能够满足电流的流通和截止，为负载控制器提供连续的电流。

4 10kV环网柜控制器综合能源供电装置的应用

综合能源供电装置的光伏组件控制器、蓄电池组、转换器、逆变器有序安装在环网柜内部。通过实际组装，工作人员将设计的综合能源供电装置输出电源转接到原先由PT二次侧供电的控制器上，并切断原来的供电线路。经过一周的观察，10kV环网柜能够正常进行遥测、遥信、遥控，整个过程并无异常。与目前10kV环网柜控制器由PT整流供电相比，本装置经济性较好、安全性能高、稳定性强，较好地达到了设计的目的，具有推广价值。

5 结语

10kV环网柜控制器综合能源供电装置采用光伏组件和蓄电池组配合为控制器供电的方式，代替PT整流供电模式，主要解决PT熔丝烧毁，控制器断电导致的环网柜无法正常工作和维修代价过大的问题。本装置主要优势是光伏组件和蓄电池组能够持续为控制器供电，并能够在不停电的情况下对PT熔丝故障进行处理，解决了环网柜因控制器断电造成的影响。通过实际应用，验证了本装置的有效性，装置光伏供电满足控制器供电要求，达到了预期设计目标，具有一定的应用前景。