变电站分布式直流电源系统论文和设计

全文摘要

本实用新型涉及一种变电站分布式直流电源系统,属于变电站直流备电电源系统。系统包括多个组串电池单元，每个组串电池单元包含备电电池组、主动充电执行模块、被动放电执行模块、组串电池监测维护模块及组串电池管理单元组成。其中组串电池管理单元负责单体电池电压、组串电池电压、组串电池电流、组串电池温度、环境温度数据采集及分布式电源各工作状态转换控制。本实用新型采用组串电池容量分散布置工作方式，实现了电池自动均衡、全容在线自动维护、电池配置至少两组并联，为电池单体提供了安全的电气环境，组串电池接入方便，备电功能冗余性强，可靠性高。

主设计要求

1.一种变电站分布式直流电源系统，其特征在于，包括由至少2个组串电池单元并联的备电模式，组串电池单元各类模块根据母线及组串电池状态并联在变电站直流系统母线上，所述组串电池单元包括组串电池开关、备电电池组、主动充电执行模块、被动放电执行模块、组串电池监测维护模组及组串电池管理单元，被动放电执行模块和主动充电执行模块并联后的一端与组串电池开关连接，被动放电执行模块和主动充电执行模块并联后的另一端与组串监测维护模块和组串电池并联后的一端串联，组串监测维护模块和组串电池并联后的另一端接地；所述组串电池管理单元负责单体电池电压、组串电池电压、组串电池电流、组串电池温度、开关状态，母线状态、环境温度数据采集及分布式电源各工作状态转换控制，每个组串电池单元通过组串电池管理单元独立完成充电、放电、浮充、维护操作，组串监测维护模块对电池组的运行温度、母线电压、电池组电压、电池组电流、电池单体电压进行实时监控，保证分布式电源系统稳定、可靠运行。

设计方案

所述组串电池管理单元负责单体电池电压、组串电池电压、组串电池电流、组串电池温度、开关状态，母线状态、环境温度数据采集及分布式电源各工作状态转换控制，每个组串电池单元通过组串电池管理单元独立完成充电、放电、浮充、维护操作，组串监测维护模块对电池组的运行温度、母线电压、电池组电压、电池组电流、电池单体电压进行实时监控，保证分布式电源系统稳定、可靠运行。

2.根据权利要求1所述的一种变电站分布式直流电源系统，其特征在于：组串电池开关可为手动空气开关或电控类操作开关。

3.根据权利要求1所述的一种变电站分布式直流电源系统，其特征在于：备电电池组根据变电站直流母线容量需求设定，组串电池可为铅酸组串电池或锂组串电池或铅酸组串电池与锂组串电池混合方式。

4.根据权利要求1所述的一种变电站分布式直流电源系统，其特征在于：主动充电执行模块包括受控充电开关、防冲击模块，所述主动充电执行模块能够根据组串电池组的状态通过受控充电开关开始充电，通过防冲击模块防止组串电池电压与母线电压不匹配。

5.根据权利要求1所述的一种变电站分布式直流电源系统，其特征在于：被动充电执行模块在分布式电源向母线放电时能够根据电量自动分配放电时长，保证各电池串均衡、有序放电。

6.根据权利要求1所述的一种变电站分布式直流电源系统，其特征在于：组串电池监测维护模组包括组串电池维护模块、组串电池信息采集模块、单体电池主动均衡模块、单体电池信息监测模块，所述组串电池监测维护模组负责实施对整个电池组的日常维护及信息采集功能。

7.根据权利要求1所述的一种变电站分布式直流电源系统，其特征在于：组串电池管理单元根据电池状态对电池组进行合理的状态调节及控制，将组串电池单元的各项状态、动作、告警信息通过差分通信方式上传汇总。

8.根据权利要求4所述的一种变电站分布式直流电源系统，其特征在于，所述防冲击模块具有自主恒流功能，使分布式电源多组串电池组始终处于安全的工作状态下。

设计说明书

技术领域

本发明属于变电站直流备电电源系统，具体涉及一种变电站分布式直流电源系统。

背景技术

直流备电电源系统是变电站系统的一个重要组成部分，不受发电机，厂用电及运行方式的影响而独立运行，在外部交流电断电的情况下，为一些重要负荷、继电保护及监控装置、远动通讯装置提供不间断直流电源，并为事故现场提供照明电源。

随着变电站直流系统智能化、数字化及自动化水平的提高，对变电站直流系统的性能、安全性和免维护性提出了更高的要求，大多数变电站电池组采用单组串电池全容配置，在日常核容时仅能进行半电核容，在3到5年后电池组的木桶短板效应会越来越明显，对于变电站的日常运行产生较大的不确定性，需要再次更换电池组。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种变电站分布式直流电源系统，用于解决当前变电站直流电源系统电池组不易维护、安全服役时间短的问题。

为达到以上目的，本发明提供一种变电站分布式直流电源系统，包括由至少2个组串电池单元并联形成的备电模式，组串电池单元各类模块根据母线及组串电池状态并联在变电站直流系统母线上，所述组串电池单元包括组串电池开关、备电电池组、主动充电执行模块、被动放电执行模块、组串电池监测维护模组及组串电池管理单元，被动放电执行模块和主动充电执行模块并联后的一端与组串电池开关连接，被动放电执行模块和主动充电执行模块并联后的另一端与组串监测维护模块和组串电池并联后的一端串联，组串监测维护模块和组串电池并联后的另一端接地；

所述组串电池管理单元负责单体电池电压、组串电池电压、组串电池电流、组串电池温度、开关状态，母线状态、环境温度数据采集及各工作状态转换控制，每个组串电池单元通过组串电池管理单元独立完成充电、放电、浮充、维护操作，组串监测维护模块对电池组的运行温度、母线电压、电池组电压、电池组电流、电池单体电压进行实时监控，保证分布式电源系统稳定、可靠运行，

优选的，组串电池开关可为手动空气开关或电控类操作开关。

优选的，备电电池组根据变电站直流母线容量需求设定，组串电池可为铅酸组串电池或锂组串电池或铅酸组串电池与锂组串电池混合方式。

优选的，主动充电执行模块包括受控充电开关、防冲击模块，所述主动充电执行模块能够根据组串电池组的状态通过受控充电开关开始充电，通过防冲击模块防止组串电池电压与母线电压不匹配。

优选的，被动充电执行模块在分布式电源向母线放电时能够根据电量自动分配放电时长，保证各电池串均衡、有序放电。

优选的，组串电池监测维护模组包括组串电池维护模块、组串电池信息采集模块、单体电池主动均衡模块、单体电池信息监测模块，所述组串电池监测维护模组负责实施对整个电池组的日常维护及信息采集功能。

优选的，组串电池管理单元根据电池状态对电池组进行合理的状态调节及控制，将组串电池单元的各项状态、动作、告警信息通过差分通信方式上传汇总。

优选的，所述防冲击模块具有自主恒流功能，使分布式电源多组串电池组始终处于安全的工作状态下。

本发明有益效果：

组串电池单元各类模块根据母线及组串电池状态并联在变电站直流系统母线上，每个组串电池单元通过组串电池管理系统独立完成充电、放电、浮充、维护操作，并通过单体电池均衡模块，及监测模块对电池组的运行温度，母线电压、电池组电压，电池组电流，电池单体电压进行实时监控，保证分布式电源系统稳定、可靠运行。

通过加入均衡系统，保证每节电池工作过程中一直处于设定的安全工作范围内，有效避免常规电池系统中的过充及过放问题，极大延缓组串电池明显出现木桶效应的时间；通过多组串电池并联运行方式，一方面有效减小了木桶效应的影响范围，避免因一节电池故障导致整组电池失电情况，增强变电站电池系统的备电能力；另一方面在保证备电功能的前提下，多组串电池系统不依赖外供电池组，即可通过自身控制实现全容在线维护，方便运维；通过加入PTC防冲击元件，在保证系统运行安全的前提下，可在任何情况下并入组串电池，增强了系统组串电池的接入适用性和备电能力。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为实施本发明提供的系统工作运行状态转换示意图；

图2为实施本发明提供的充电运行状态示意图；

图3为实施本发明提供的浮充运行状态示意图；

图4为实施本发明提供的维护运行状态示意图；

图5为实施本发明提供的放电运行状态示意图；

图6为本发明连接示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图并以将铅酸电池做为备电电源的分布式电源系统的实施，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内、包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。

实施例1：

本实施例所述的一种变电站分布式直流电源系统，包括由至少2个组串电池单元并联的备电模式，组串电池单元各类模块根据母线及组串电池状态并联在变电站直流系统母线上，所述组串电池单元包括组串电池开关、备电电池组、主动充电执行模块、被动放电执行模块、组串电池监测维护模组及组串电池管理单元，组串电池开关采用电控操作开关，被动放电执行模块和主动充电执行模块并联后的一端与组串电池开关连接，被动放电执行模块和主动充电执行模块并联后的另一端与组串监测维护模块和组串电池并联后的一端串联，组串监测维护模块和组串电池并联后的另一端接地。

所述组串电池管理单元负责单体电池电压、组串电池电压、组串电池电流、组串电池温度、开关状态，母线状态、环境温度数据采集及分布式电源各工作状态转换控制，每个组串电池单元通过组串电池管理单元独立完成充电、放电、浮充、维护操作，组串电池管理单元根据电池状态对电池组进行合理的状态调节及控制，将组串电池单元的各项状态、动作、告警信息通过差分通信方式上传汇总。组串电池监测维护模组包括组串电池维护模块、组串电池信息采集模块、单体电池主动均衡模块、单体电池信息监测模块，组串监测维护模块对电池组的运行温度、母线电压、电池组电压、电池组电流、电池单体电压进行实时监控，所述组串电池监测维护模组负责实施对整个电池组的日常维护及信息采集功能，保证分布式电源系统稳定、可靠运行。

优选的，备电电池组根据变电站直流母线容量需求设定，组串电池可为铅酸组串电池。

优选的，主动充电执行模块包括受控充电开关、防冲击模块，所述主动充电执行模块能够根据组串电池组的状态通过受控充电开关开始充电，通过防冲击模块防止组串电池电压与母线电压不匹配。所述防冲击模块具有自主恒流功能，使分布式电源多组串电池组始终处于安全的工作状态下。

优选的，被动充电执行模块在分布式电源向母线放电时能够根据电量自动分配放电时长，保证各电池串均衡、有序放电。

如图1所示，为保证分布式电源系统能够完成各类状态下的任务，制定了完善的系统运行策略。整个系统通过配置电操开关完成各项功能。运行状态及状态转换如图所示，变电站母线在电时包含充电(功率补电+均衡)、浮充、维护3种状态，在变电站母线失电时包含放电1种状态。当变电站突然失电时，系统可由母线电压在线时的任意状态转入放电，完成电池系统备电功能。

组串电池新装或更换。系统内存在两组以上的组串电池，当进行新装或更换时，电池组初始状态为满电并存在一定程度的自放电，电池组电压一般为2.25～2.35*n，首先将组串电池开关置于断开状态，将全新电池组接入分布式电源，然后闭合组串电池开关，通过被动放电模块或主动充电模块将组串电池电压维持在母线电压，并接受电池组维护模组的日常管理，保持最佳电量存储状态。

充电状态如图2所示，系统充电包含功率补电和均衡补电两个过程，分别由主动充电模块和电池组维护模组完成。

当系统履行完交流失电时的备电功能后，需对组串电池进行补电操作，组串电池管理单元根据当前组串电池状态，通过主动充电执行模块将组串电池接入变电站直流母线系统，在此状态下，母线上电池组电压相同，防冲击恒流模块退出工作状态，母线电压跟随组串电池电压，完成功率补电过程。当组串电池电压达到预设电压或任一组串单体达到预设电压时，组串电池管理单元将组串电池转入主动均衡补电状态，使每节电池处于独立均衡充电状态，直到达到预设电压。

当母线上组串电池电压不一致时，组串电池管理单元使能防冲击恒流模块，将电池组间的电压或能量差通过防冲击恒流模块以恒流方式达到一致，完成功率补电过程，进一步通过均衡模块转入均衡补电过程。

浮充状态如图3所示，当充电进程完成后，状态保持不变，组串内的每节电池在组串电池管理单元控制下长期浮充于固定设定电压，铅酸电池为2.25V。

维护状态如图4所示，为保证备电功能，在维护期间至少保证1个组串电池处于母线充电或浮充状态，维护过程包含放电核容和补电两个过程。(1)放电核容，核容组串电池接入维护负荷，组串电池管理单元根据设定将对应组串置于维护-放电核容状态，根据预设程序通过全容放电达到核容目的，组串电池管理单元记录维护过程各项电压、电流、时间、温度信息，以备查询。(2)补电，组串电池接入维护充电机，在组串电池管理单元的控制下，相应组串电池进入充电状态，通过充电机将电池组电压充至预设值，期间记录组串电池及每节电池的电压、电流、时间信息。充电完成后通过充电防冲击恒流模块完成组串间电池组能量和电压平衡，组串电池组进一步地进入均衡和浮充状态，达到变电站正常的电池备电状态。

放电状态如图5所示，当变电站失电，直流母线充电电源供电缺失时，系统立即通过被动放电执行模块自动向110V\/220V直流母线供电，然后组串电池管理单元调整当前各组串的状态进入放电状态，保证分布式电源系统仅处于对母线供电的放电状态。

综上所述，本领域的普通技术人员阅读本发明文件后，根据本发明的技术方案和技术构思无需创造性脑力劳动而作出其他各种相应的变换方案，均属于本发明所保护的范围。

设计图

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主设计要求

设计方案

设计说明书

设计图

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